第五章集成运算放大电路

第五章集成运算放大电路教学内容

集成放大电路的特点

集成运放的主要技术指标

集成运放的基本组成部分

集成运放的典型电路

各类集成运放的性能特点

集成运放使用中的几个具体问题

教学要求一.重点掌握的内容：1.差动放大电路（包括基本形式、长尾式和恒流源式）双端输入电路Q点、Ad、Rid、Ro的计算方法；2.集成运放的电路组成及各部分的特点；3.理想集成运放的特点.二、一般掌握的内容1.差动放大电路四种不同接法的特点；2.直接耦合放大电路的零点漂移现象、产生的原因及抑制方法；3.差动放大电路单端输入电路的计算方法；三、一般了解的内容1.镜像电流源的工作原理和一般应用；2.差动放大电路的共模抑制比。§5.1集成放大电路的特点一、集成电路的分类：1.按制造工艺：1）单片集成电路2）混合集成电路2.按功能：1）数字集成电路

2）模拟集成电路：集成运放、集成功放等3.按有源器件类型：1）双极型集成电路

2）单极型集成电路二、集成电路的特点：集成运放是高放大倍数的直接耦合多级放大电路。1.参数精度不高，温度影响大，但对称性好。2.电阻：几十欧～几十千欧（不能过大和过小）。3.有源器件代替无源器件，常用三极管代替大电阻。4.要求电容低于几十PF，采用直接耦合方式。5.三极管：PNP，β<10(横向）；

NPN－PNP匹配较差§5.2集成运放的主要技术指标同相输入端反相输入端1.开环差模电压增益Aod

：(openloopvoltagegain)

运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。理想情况下希望Aod为无穷大。2.输入失调电压UIO

：(inputoffsetvoltage)输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。3.输入失调电压温漂αUIO：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。4.输入失调电流IIo

：(inputoffsetcurrent)

当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。5.输入失调电流温漂αIIO

：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。6.输入偏置电流IIB

：(inputbiascurrent)

当输出电压等于零时，运放两个输入端偏置电流的平均值。7.差模输入电阻rid

：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。8.共模抑制比KCMRKCMR=20lg(Aod/Aoc)(dB)衡量集成运放抑制温漂的能力。9.最大共模输入电压UIcm：(maximumcommonmodeinputvoltage)

在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。10.最大差模输入电压UIdm：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿。11.－3dB带宽fH

：(-3dBbandwidth)Aod在高频段下降3dB所对应的频率fH。12.单位增益带宽BWG——(unitgainbandwidth)Aod下降到1（0dB)时所对应的频率.13.转换速率SR：在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。SR越大表明运放的高频性能越好。§5.3集成运放的基本组成部分偏置电路：

电路：电流源电路特点：用来设置集成运放各级放大电路的静态工作点。输入级：（前置级）电路：一个高性能的差动放大器特点：输入电阻高，抑制温度漂移能力强，静态电流小。中间级：（主放大器）

电路：共射（共源）放大电路特点：复合管做放大管，并以恒流源做集电极负载，以提高电压放大倍数。输出级:

电路：互补对称输出电路特点：输出电压范围宽，输出电阻小，非线性失真小。§5.3.1偏置电路作用：向各级放大电路提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。一、镜像电流源:1)电路组成：对称（三极管的工艺、结构和参数都一致）2)基准电流：3)电路对称：4)镜像电流：∵β>>2∴IC2≈IREFR值确定后，IREF就确定，IC2也随之确定。5)特点：工作三极管集电极电流是电流源电路的镜像（电流相等）。适用于较大工作电流的场合（mA级)二、比例电流源:

在镜像电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。∵UBE1≈UBE2∴IE1Re1≈IE2Re2忽略基极电流有：

比例电流源因两三极管基极对地电位相等，因此有：三、微电流源:

通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用于微功耗的集成电路中。引入Re后将使UBE2<UBE1,可得UBE1-UBE2=IE2Re≈IC2Re根据二极管方程则设有其中UT=26mV与镜像电流源比较，微电流源的特点：提高了恒流源对电源变化的稳定性。2.提高了恒流源对温度变化的稳定性。3.由于Re引入了电流负反馈，微电流源的输出电阻比VT2本身的输出电阻（rce)要高得多。四、多电流源:通过一个电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3…五、电流源作有源负载:

放大电路在共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大倍数的数值，行之有效的方法是增大集电极电阻Rc（或漏极电阻Rd).

然而，为了维持晶体管（场效应管）的静态电流不变，在增大Rc(Rd）的同时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就变得不合理了。

集成运放中，常用电流源电路取代Rc(Rd)，这样，在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号又可得到很大的等效的Rc(Rd）。例§5.3.2差分放大输入级直接耦合放大电路的零点漂移现象：零点漂移：直接耦合放大电路的输入端短路（ui=0）时，输出电压却不为零，这种现象称零点漂移（或温度漂移）。原因：主要是三极管的温度漂移。克服零点漂移的主要方法是采用差分放大电路。1、基本形式差分放大电路（1）电路组成：由对称的两个基本放大电路组成，对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=RbR1=R2共模信号和差模信号示意图（2）差模信号和共模信号

差模信号uId

共模信号uIC

是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。

是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。

在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2，则差模输入电压共模输入电压两个输入端电压：输出端电压：(3)差分放大电路的工作原理对共模信号有抑制作用：电源电压波动、外界干扰、温度变化引起的电路内部电流及电位的变化，均可认为是共模信号。输入信号为零时:iC1=iC2uO1=uO2uo=uo1－uo2=0温度变化引起：△iC1=△iC2△uo1=△uo2uo=(uo1+△uo1)－(uo2+△uo2)=0共模电压放大倍数:对差模信号有放大作用：

差模信号（有用的信号）输入时，由于输入端信号大小相等，方向相反，因此，若△iC1↑,则△iC2↓。uO=(uO1+△uO1)

－(uO2－△uO2)=2△uO1求差模电压放大倍数：两边电路参数对称

Au1=Au2

则有：(4)共模抑制比KCMR

(CommonModeRejectionRatio）

共模抑制比越大说明电路对零漂的抑制能力越强。或(5)该电路存在的缺点:

不易保持电路的对称性，单管仍存在零点漂移，两个三极管输出端的温漂不可能完全抵消。为了减小每管的零漂，采用长尾式电路。基本差分放大电路：2、长尾式差分放大电路添加Re，似尾巴，称长尾式差分放大电路。添加负电源VEE，去掉Rb。(1)电路组成：双端输入，双端输出

相当于单管电流流过2Re所产生的电压。负反馈作用增强。Re和-VEE的作用：静态时：IRe=IE1+IE2=2IE∴URe=IReRe=2IERe

=IE(2Re)差模信号输入时:两管获得大小相等，极性相反的信号，即△IE1=－△IE2，因此，Re上无交流信号。对差模信号Re可视为短路。IC1↓IC2↓Re对零点漂移有很强的抑制作用。

Re越大，负反馈越显著，抑制作用越强，但UE↑会使UBE↓,工作电流变小，电路不能正常工作，因此应加－VEE。－VEE和Re提供基极偏置电流,不再需要Rb。（2）静态分析:

由于电路完全对称，因此两管的静态工作点相同。UCQ1=VCC－ICQ1RC1

UBQ1=－IBQ1R1

UEQ1=UBQ1－UBEQ1UCEQ1=UCQ1－UEQ1=VCC－ICQ1RC1+IBQ1R1+UBEQ1∴Re、VEE确定后，工作点就确定了。（3）动态分析:分析一边的单管电路即可，注意公共元件的处理。RL中点为交流地电位，每边负载RL/2，Re对差模信号短路。1)差模电压放大倍数:单管放大倍数2）差模输入电阻：Rid=2(R+rbe)

单管的2倍3）差模输出电阻：Ro=2Rc

单管的2倍例5.3.2为了在两侧参数不完全对称的情况下，能使静态时的Uo为0，常接入调零电位器Rw.UCQ=VCC-ICQRCUBQ=－IBQR解：1）求静态工作点2）求动态参数：Rod=2Rc3、恒流源式差分放大电路Re越大，抑制零点漂移的效果越好。但Re过大，会导致：若VEE一定，则IE↓→IB↓,非线性失真大若IE一定，VEE要大大增大。

并且在集成电路中制作大电阻较困难。因此，用恒流源代替Re，既能起到大电阻的作用，又不需很高的负电源电压。恒流源式差分放大电路简化电路静态分析：UCQ1=UCQ2=VCC－ICQ1Rc1恒流源式差分放大电路简化电路动态分析：恒流源相当于一个阻值很大的长尾电阻，交流通路中短路，动态参数同长尾式电路。

例5.3.3解：

①求静态工作点：UCQ1=UCQ2=VCC－ICQ1Rc1②求Ad：4、差分放大电路的输入、输出接法一、双端输入，双端输出二、双端输入，单端输出三、单端输入，双端输出四、单端输入，单端输出差分放大电路四种接法的性能比较见表5－1

结论：1）差模电压放大倍数:双端输出时，Aud与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Aud约为双端输出时的一半。2）输入电阻：不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。3）输出电阻：单端输出时Ro=Rc;双端输出时Ro=2Rc。4）单端输出时的共模抑制比不如双端输出时高。5）单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。§5.3.3中间级

中间级的主要任务：提供足够大的电压放大倍数。

集成运放的中间级经常利用三极管作为有源负载，并且常常采用复合管的结构形式。1.有源负载：

利用有源负载代替负载电阻Rc，可获得较高的电压放大倍数。2.复合管：

中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大倍数β，而且能够大大提高本级的输入电阻。复合管有源负载VT3、VT4组成镜像电流源，作为偏置电路。采用有源负载的差分放大电路：输入差模信号时，iC1增大，iC2则减小，即△iC1=-△iC2。VT3、VT4构成镜像电流源，当β足够大时，△iC4=△iC1，因此△iC2=-△iC4。电路虽然采用单端接法，却可以得到双端输出电流的变化量。§5.3.4输出级

输出级的主要任务：提供足够的输出功率以满足负载的需要，还应具有较低的输出电阻以增强带负载能力。1.互补对称输出级2.过载保护电路IE1过载保护电路URe1VT3导通，分得一部分IB1§5.4集成运放的典型电路VT8~VT13及电阻R4、R5等元件构成偏置电路§5.4.1双极型集成运放LM741微电流源镜像电流源镜像电流源VT3、VT4共基组态，具有电压放大作用。与VT1、VT2构成共集－共基差分放大电路。VT1、VT2共集组态，双端输入，具有较高的差模输入电阻VT5、VT6充当有源负载VT7与R2组成射极输出器，给VT5、VT6提供偏流，同时将VT3集电极电压的变化传递到VT6基极,使得在单端输出条件下仍能得到相当于双端输出的电压放大倍数，并使得VT3、VT4

的集电极负载趋于平衡。输入级简化电路输入级电路VT16、VT17组成复合管，作中间