模拟电子技术基础课件 第6章 集成运算放大器

第6章集成运算放大器6.1集成运算放大器的特点及组成

6.2集成运算放大器的单元电路

6.3典型集成运算放大器介绍

电气与电子工程学院6.4集成运算放大器的主要参数6.5集成运算放大器的工作特性6.1.1集成运算放大器的特点

6.1.2集成运算放大器的组成6.1集成运算放大器的特点及组成

集成电路是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路的各个元件以及连接线同时制造在一块半导体芯片上，实现了材料、元件和电路的统一。因此它的密度高、引线短，外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性。

6.1集成运算放大器的特点及组成

集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成运算放大器可简称为集成运放，是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，因最初被用于模拟运算中，故名运算放大电路。目前，它的应用远远超出了原来“运算放大”的应用范围。

集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。当前，我国产量最大的是通用型集成运算放大器，其次是专用型运算放大器，专用型运算放大器有高速型、高输入电阻型、低漂移型、低功耗型以及高压型等。

集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式1.对称性好，适用于构成差分放大电路。2.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。4.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。6.1.1集成运算放大器的特点

6.大量使用晶体管作有源器件。

7.集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器件工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在毫瓦以下。

5.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的≤10。向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数输入级中间级输出级偏置电路集成运放的基本组成6.1.2集成运算放大器的组成电气与电子工程学院

输入级对整个运算放大器的性能指标影响较大，通常采用差动放大器，以减小零点漂移；

中间放大级主要完成电压放大任务，要求有高的电压增益，一般采用带有源负载的共射极电压放大器；

输出级的任务是进行功率放大，以驱动负载工作，一般采用互补对称的功率放大器；偏置电路主要为各级放大器提供合适的静态工作电流，它与分立元件的偏置电路有较大区别。

6.2集成运算放大器的单元电路

6.2.1差动放大电路6.2.2电流源电路6.2.3采用复合管和有源负载的中间放大级6.2.4输出级中的过载保护电路6.2.1差动放大电路

抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。为了抑制零点漂移，可以采用差动放大电路。1.差动放大电路的基本形式

uo=（UCQ1+ΔUCQ1）-（UCQ2+ΔUCQ2）=0

（1）零点漂移的抑制

当温度变化时，两管参数发生变化，引起两管的各级电流电位均发生变化，但由于电路的对称性其变化量一定相等，即ΔICQ1=ΔICQ2ΔUCQ1=ΔU

CQ2虽然每个管都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是相互抵消的，所以输出电压依然为零，此时差模输入：共模输入：比较输入：+VCCRc+VT1VT2Rb2RcRb2~~++uId+uoRb1Rb1（2）信号输入方式

对于任意一对比较信号，均可看成是一对共模信号和一对差模信号的叠加，如对于ui1=3mV=5mV-2mVui2=7mV=5mV+2mV可以看成是一对5mV的共模信号和一对2mV的差模信号。

电气与电子工程学院存在问题

1.电路完全对称仅是一个理想情况，实际上理想对称是不存在的。

2.若负载需一端接地，只能由一个集电极输出，这时，零点漂移就无法抑制了。长尾式差动放大电路也是一种典型差动放大电路。与基本形式电路比较，多了电位器RP、发射极电阻Re和负电源EE

。负电源EE提供管子的偏流IB，故去掉了Rb2。2.长尾式差动放大电路

Re称为共模抑制电阻，Re数值愈大，对共模信号（即零点漂移）的抑制能力就愈强。

长尾式差动放大电路

因为电路完全对称是理想状况，实际上，当输入的两端接“地”时，输出电压不一定等于零，这就需要调零。RP就是用来调零的，故称为调零电位器。如图所示电路中，RP接到三极管的发射极，故称为发射极调零。（1）静态分析

单管直流通路由基极回路不难列出IBQRb+UBEQ+2IEQRe=EE上式中前两项一般远小于第三项，故可略去，则每管集电极电流ICQ≈IEQ≈

IBQ=晶体管发射极电位

U

EQ≈0双端输入—双端输出的差动放大电路由于输入电路的对称性，每只管子的输入端分得的电压各为ui的一半，但极性相反，即（2）动态分析

ui1=ui/2ui2=–ui/2显然，是一对差模信号。单管差模信号交流通路由图可得出单管差模电压放大倍数：

双端输入—双端输出差动电路的差模电压放大倍数为

与单管的电压放大倍数相同。可见，差动电路是为了抑制零点漂移，利用一只管子补偿了另一只管子，放大倍数没有提高。差模输入电阻为差模输出电阻为电气与电子工程学院带负载时，RL的中点即为“地”，所以等效负载电阻电压放大倍数为双端输入—单端输出差动电路的差模电压放大倍数为

图6.2.6单端输入—单端输出的差动放大电路既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号吗？每只管子取得多大的信号呢？Re断路时单端输入的等效输入电路

可见对称条件下，ui的一半加在VT1的输入端，另一半加在VT2的输入端，两者极性相反，即也就是说，只要共模反馈电阻Re足够大时，两管所取得的信号就可以认为是一对差模信号，即单端输入和双端输入的效果一样。

对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，对差模信号应有较大的放大倍数，而对共模信号则放大倍数愈小愈好，愈小说明对零点漂移的抑制能力就愈强。实际上对共模信号也有一定的放大倍数，特别是单端输出情况，设输入的共模信号为uiC时，输出电压为uOC，则共模放大倍数为

（3）共模抑制比KCMRR

差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Auc之比，称为差动放大电路的共模抑制比，用KCMRR表示，即对数形式表示：

共模抑制比可以视为有用的信号和干扰信号的对比。共模抑制比越大，差动放大电路分辨所需要的差模信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。（4）带恒流源的长尾式差动放大电路

图中VT3管和电阻组成了三极管电流源。这种带恒流源的差动放大电路，比前面介绍的电路具有更高的共模抑制比。

用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31)电路组成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。图4.2.13恒流源式差分放大电路结论

(1)双端输出时，Ad与单管Au基本相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。双端输出时，Ro=2Rc；单端输出时，Ro=Rc。

(2)双端输出时，理想情况下，KCMR

→

；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。

(3)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。

(4)单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。

(5)单端输出时，Rid

2(R+rbe)。差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdKCMR很高很高较高较高RidRo差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性1.Ad与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。1.Ad约为双端输出时的一半。2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。3.适用于将双端输入转换为单端输出。1.Ad与单管放大电路基本相同。2.在理想情况下，KCMR∞。3.适用于将单端输入转换为双端输出。1.Ad约为双端输出时的一半。2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。3.适用于输入、输出均要求接地的情况。4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。6.2.2电流源电路1.镜像电流源

图6.2.11镜像电流源图中可以看出，基准电流为

输出电流与基准电流相等，我们把输出电流看作是基准电流的镜像，故称为镜像电流源。

由于UBE1=UBE2，VT1与VT2

参数基本相同，则从因为各管的UBE相同，则

各支路电流IC1,IC2,IC3仅取决于IREF和各电阻的比值，具有很好的恒流特性。改变各射极电阻，可获得不同比例的电流输出。2.比例电流源

在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2

。微电流源3.微电流源

引入了电流负反馈，所以提高了输出电阻，增强了输出电流。4.威尔逊（Wilson）电流源

威尔逊电流源与镜像电流源比较，多采用了一个三极管，提高了与基准电流相等的精度，同时因为引入了电流负反馈，所以提高了输出电阻，稳定了输出电流，具有很好的恒流特性。电流的自动稳定过程如下：6.2.3采用复合管和有源负载的中间放大级

三极管VT1和VT2构成复合管，复合的，从而电压增益和输入电阻都比较大。

而三极管VT3和VT4构成镜像电流源，其电流作为复合管的集电极有源负载，进一步提高中间级的电压增益。

要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。二极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVD3VD4Re1Re2保护元件：VD3、VD4、Re1、Re2。输出电流正常，VD3、VD4截止，保护不起作用；若VT1正向IC1，URe1

，VD3导通，IB1，IC1。输出电流无法增大，保护功率管VT1。若VT2反向电流IC2，URe2

，VD4导通，IB2，IC2。避免VT2电流过大。6.2.4输出级中的过载保护电路三极管保护电路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVT3VT4Re1Re2保护元件：工作原理与二极管保护原理类似。VT3、VT4、Re1、Re2。Re愈大，则IEm愈小；温度升高，UD、UBE降低，Iem减小。更有利于保护在高温下的集成运放。6.3典型集成运算放大器介绍6.3.1BJT通用型集成运算放大器µA741

6.3典型集成运算放大器介绍6.3.1BJT通用型集成运算放大器µA741

7VCC+15VVT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5R8R10R9R12R1150kΩ1kΩ1kΩ7.5kΩ4.5kΩ50kΩ5kΩ50Ω39kΩ50Ω25ΩC130pF35214-VEE-15V6电路原理图F007电路原理图1.偏置电路基准电流：基准电流产生各放大级所需的偏置电流。各路偏置电流的关系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微电流源镜像电流源输入级镜像电流源中间级输出级图6.3.2µA741的电流源电路

VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至输入级至中间级VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至输入级至中间级横向VT8、VT9组成镜像电流源产生I8，决定输入级VT1、VT2的集电极电流。所以输入级工作在弱电流状态，而且电流比较稳定。横向VT12、VT13组成另一组镜像电流源，产生IC13，提供中间级放大管VT16、VT17的静态电流。VT11、VT10和R4组成微电流源，由IC10提供VT9的集电极电流IC9和VT3、VT4的基流I3,4。2.输入级VT1、VT2、VT3、VT4组成共集-共基差分放大电路电路；VT1、VT2基极接收差分输入信号。VT5、VT6有源负载；VT4集电极送出单端输出信号至中间级。uI2uO

RP调零电阻，R外接电阻。VT7与R2组成射极输出器。+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRPVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9uI由VT1、VT2、VT3和VT4组成共集-共基差分放大电路，VT5和VT6构成有源负载，代替电阻Rc。差分输入信号由VT1、VT2的基极送入，从VT4的集电极送出单端输出信号至中间级。VT1VT2VT3VT4RcRc+VCC-VEEuI1uI2uOI8I3,4

RP调零电阻，R外接电阻。若暂不考虑VT7和调零电路则电路可简化为：3.中间级中间级电路的输入信号来自输入级VT4和VT6的集电极，输出端接到输出级两个互补对称放大管的输入端。中间级由VT16、VT17组成的复合管充当放大管，组成单管共射放大电路，VT13作为其有源负载。所以中间级不仅能够提供很高的电压放大倍数，而且具有很高的输入电阻，避免降低前级的电压放大倍数。为了防止产生自激振荡，在中间级放大管的基极和集电极之间接入一个30μF的校正电容。4.输出级输出级由NPN三极管VT14和PNP三极管VT20组成互补对称电路。VT19的作用是实现过载保护。三极管VT15和电阻R7、R8的作用是为功率管提供静态基极电流，使电路工作在甲乙类状态，以减小交越失真。在实际的互补对称功率输出级电路中，两个功率管基极之间的电压差常常需要根据静态工作点的要求进行调节。LM741原理电路中，两个功率管基极之间的电压即是UCE15。如果忽略VT15的基流，这种电路称为UBE扩大电路图6.3.3µA741的外引线排列图

通用型集成运放µA741有圆壳式和双列直插式两种外形，它有8个外引脚，外引线排列图如图6.3.3所示。

其中8个管脚中有7个与外电路相连，第8管脚为空脚，外接调零电位器（通常为10KΩ）的两个端子接1和5管脚，中间抽头接第4脚，2脚为反向输入端，3脚为同向输入端，6脚为输出端，7脚为正电源端，4脚为负电源端。

运算放大器外形图6.3.2各类集成运放的性能特点1.高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。2.低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。3.高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012

。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。4.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。5.高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。6.大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。6.3.3集成运放使用中的几个具体问题6.3.3.1使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象原因2.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大6.3.3.2

集成运放的保护1.输入保护(a)反相输入保护(b)同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuI保护元件保护元件uO+AR1RFVD1VD2uI保护元件输入保护2.电源极性错接保护保护元件：VD1、VD23.输出端错接保护保护元件：稳压管VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI利用稳压管保护运放电源接错保护4.输出限流保护+AVT1VT2VEER2R3R4R1VT4R5VT3+VCCC1C1C2保护元件：VT1、VT2(b)保护管工作特性正常工作时工作点在

A；工作电流过大，工作点经B移到C或D点。(a)电路图BCDAICUCEO输出限流保护6.4集成运算放大器的主要参数

6.4.1直流性能指标6.4.2差模小信号性能指标6.4.3大信号工作的性能指标6.4.4电源性能指标6.4.1直流性能指标1．输入失调电压Uio

Uio的大小反应了差放输入极的不对称程度，显然其值越小越好，一般为几个毫伏，高质量的在1mV以下。2．输入失调电压温漂dUio/dT

指温度每变化单位值时引起输入失调电压变化量的多少。它衡量了输入失调电压的温漂特性。3．输入失调电流Iio

输入失调电流是输入信号为零时，两个输入端静态电流之差。

4．输入偏置电流IiB

输入信号为零时，两个输入静态电流的平均值，称为输入偏置电流5.输入失调电流温漂dIIO/dT

6.4.2差模小信号性能指标1．开环电压放大倍数Aod（开环差模增益）Aod一般约为104～107，即80～140dB。高增益运放可达140dB以上。2．差模输入电阻rid

一般为几十千