第5章-集成动算放大器

第5章集成运算放大器引言5.1集成运算放大器的构成5.2集成运算放大器5.3集成运算放大器的基本运算电路5.4集成运算放大器的非线性应用

集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器(简称集成运放)，集成功率放大器，集成模拟乘法器，集成锁相环，集成稳压器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器是最为重要、用途最广的一种，

这里主要介绍集成运放的内部电路、工作原理、性能指标及常用等效模型。集成电路体积小、重量轻、耗电少、可靠性高，已成为现代电子器件的主体。集成电路分数字与模拟两大类。引言集成运算放大器(简称集成运放)，根据集成工艺不同有双极性和单极性之分。运算放大器外形图5.1集成运算放大器构成

集成运放的组成方框图高性能差放高输入阻抗高AV，高KCMRR静态电流小高AV，共射电路复合管恒流源负载输出电压线性宽输出电阻小非线性失真小互不对称输出多用恒流源提供合适的静态工作点简单的集成运放原理电路输入级：差分电路，大大减少温漂。中间级：采用有源负载的共发射极电路，增益大。为提高放大倍数，常用复合管。输出级：具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（带负载能力强），非线性失真小。OCL电路。偏置电路：镜像电流源，微电流源。5.1.1

差分(动)式放大电路集成电路运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。当多级直接耦合放大电路的输入端短路(vi＝0)，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。抑制零点漂移要着重于第一级。有效的措施之一是采用差动放大电路，因而差动放大电路成为集成运放的主要组成单元。差分方式放大电路对两个输入信号之差进行放大。差分放大电路vi1vi2v0输入级大都采用差分放大电路的形式。电路形式基本形式长尾式恒流源式一、基本形式差分放大电路1.电路组成图差分放大电路的基本形式+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+++voRsRs一、基本形式差分放大电路1.电路组成:对称性结构即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++vId+voR1R2假设电路完全对称当vId=0，时VCQ1=VCQ2VO=01′.引入几个基本概念(1)差动放大电路一般有两个输入端：双端输入——从两输入端同时加信号。单端输入——仅从一个输入端对地加信号.

(2)差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。双端输出——从C1和C2输出。单端输出——从C1或C2

对地输出。(3)差模信号与共模信号差模信号：共模信号：差模电压增益：共模电压增益：总输出电压：(4)共模抑制比共模抑制比KCMR

(1)

KCMR描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈强；

(2)理想情况下，电路参数完全对称，Ac=0，KCMRR=∞。

(3)基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。对任意信号的分析方法vi1=vic1+vid1vi2=vic2+vid2vic1=vic2=(vi1+vi2)/2vid1=-vid2=(vi1-vi2)/2对于两个任意信号vi1、vi2，分析时可将它们分解成一对共模信号和一对差模信号，然后分别有差模和共模增益来求。例：vi1=10mVvi2=8mVvic1=vic2=(vi1+vi2)/2=9mVvid1=-vid2=(vi1-vi2)/2=1mVvi1=9+1=vic1+vid1vi2=9-1=vic2+vid2二、长尾式差分放大电路可减小每个管子输出端的温漂。1.电路组成+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe

Re称为“长尾电阻”。且引入共模负反馈。Re愈大，共模负反馈愈强。Ac愈小。每个管子的零漂愈小。对差模信号无负反馈。图长尾式差分放大电路对共模信号的抑制作用共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以共模增益电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。射极电阻Re对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极的电位的变化。△△图3.3.4差分放大电路输入共模信号ReRb1Rb2-VEE+uI1-+uI1-对差模信号的放大作用图3.3.5差分放大电路加差模信号（a)分析时注意二个“虚地”ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1+uId--++-+uod-EE点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。2.静态分析+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe当uId=0时，由于电路结构对称，故：

IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，

1=

2=IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE则ICQ

IBQ(对地)图长尾式差分放大电路(1)加入差模信号设：vi1=-vi2=vid/2，vic=0。3.电路的动态分析

Re对差模信号相当于短路设vi1,vi2ib1,ib2ie1,ie2ie1=-ie2

IRe不变

VE不变对差模信号vid1=-vid2Ib1=-Ib2vc1=-vc2因此，画交流通路时，两管相对独立，互不影响。由vc1=-vc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，动态分析RL的中点应是地电位，即每管对地的负载电阻为RL/2。RRcUid1T1UoRRcUid2T2微变等效电路画出则同理输出电压为差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输出电阻为若单端输出Ad？(2)加入共模信号设：ui1=ui2=uic，uid=0。设ui1，ui2，使uo1，uo2。因ui1=ui2，

uo1=uo2uo=0(理想化)。共模电压放大倍数双端输出：单端输出：差动放大器的输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式:

1.双端输入、双端输出（双入双出）2.双端输入、单端输出（双入单出）3.单端输入、双端输出（单入双出）4.单端输入、单端输出（单入单出）

主要讨论的问题有：

差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻1.双端输入双端输出（1）差模电压放大倍数

（2）共模电压放大倍数（3）差模输入电阻（4）输出电阻2.双端输入单端输出这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。（2）差模电压放大倍数双入单出——续（4）差模输入电阻（5）输出电阻（3）共模电压放大倍数等效电路及共模电压放大倍数共模抑制比KCMR由上式可见：增大Re是改善共模抑制比的措施！3.单端输入双端输出单端输入等效双端输入:uid=ui1,uic=ui1/2计算同双端输入双端输出：4.单端输入单端输出计算同双入单出：注意放大倍数的正负号：设从T1的基极输入信号，如果从C1输出，为负号；从C2输出为正号。

(1)差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：

差动放大器动态参数计算总结双端输出时：单端输出时：(2)共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：双端输出时：单端输出时：(3)差模输入电阻

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。(4)输出电阻单端输出时：双端输出时：(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。，或

双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：三、恒流源式差分放大电路用三极管代替“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。图恒流源式差分放大电路为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。同时集成电路难以制造大电阻，为此可用恒流源T3来代替Re。

恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。并可提供一个稳定的偏流。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差动放大电路2.静态分析当忽略VT3的基极电流时，Rb1上的电压为RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到图恒流源式差分放大电路3.动态分析由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。差模电压放大倍数为差模输入电阻为差模输出电阻为例题解：由求静态值→rbe求：输入差模电压Uid1、Uid2和共模电压Uic,双端输出差模Uod和共模电压Uoc。已知：Ec=12VEe=6V=60rbb'=100Rc=Rb=Ree=10KRW=100Ui1=5mVUi2=3mV根椐电路可以列出方程端输出求Uid1、Uid2、Uic

Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=（5-3）/2=1mV=（5+3）/2=4mV求AUd

→Uod

=-31=-312=-62mV求AUc

→Uoc

双端输出：AUc=0→Uoc=0例题－续结论

(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。一、镜像电流源(电流镜CurrentMirror)+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2基准电流由于UBE1=UBE2，VT1与VT2参数基本相同，则IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以当满足>>2时，则5.1.3偏置电路温度补偿作用：返回二、微电流源(Wildlar)在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使VBE2<VBE1，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。图微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系因二极管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。图微电流源超越方程三、有源负载图有源负载单管共射放大电路VT1：放大三极管；VT2：有源负载；VT3、VT2

镜像电流源。+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO基准电流5.1.4

功率放大电路

放大电路(集成运放)的最后一级常常要求能带一定的负载，例如推动扬声器使之发出声音，推动电动机旋转等，即要输出一定的信号功率。这种以输出功率为主要目的的放大级称为功率放大电路。功率放大电路的特点(1)输出功率尽可能大问题，管子工作在接近极限参数。(2)消耗的功率大，存在效率问题。所谓效率，就是负载得到的有用功率和电源供给的直流功率的比值。(3)功率放大器在大信号下工作，难免产生非线性失真。而且输出功率越大，失真往往越严重。(4)由于流过功放管的电流较大，有相当大的功率消耗在管子上。因此，要有散热和保护保护措施。(5)由于功放管是在大信号下工作，一般只能采用图解分析法。功率放大电路的要求

就本质而言，功率放大电路和电压放大电路并没有什么区别。但它们要完成的任务不同，因而对它们的要求也不同。电压放大电路通常是在小信号下工作，主要任务是在信号不失真的条件输出足够大的电压。要求电压放大倍数Au足够大；输入电阻ri大，以便从前级得到足够大的电压；输出电阻ro小，以便将更多的电压传给下一级。功率放大器则不同，它通常作为放大电路的最后一级，工作于大信号下，要求不失真地输出足够大的功率PO且效率要高。2.功率放大电路的类型及工作原理（1）晶体管的4种工作方式根据导通时间将晶体管分为四种工作方式：⑴甲类工作方式：

Q点设置在负载线的中点，在输入信号的正负半周，晶体管都在工作，管子的导通角为360°，输出波形失真小，但静态管子功耗大，效率低。⑵乙类工作方式：Q点在负载线的最低点，由于静态时电流为零，无功耗，效率最高。但此时放大电路只在输入信号的正半周工作，负半周时晶体管截止，管子的导通角为180°，输出波形出现严重的失真。⑶甲乙类工作方式：

Q点略高于乙类时，静态电流很小，静态消耗约为零，效率也很高。晶体的导通时间大于半个周期，管子的导通角大于180°，此时输出波形仍失真严重。三种工作方式对应的Q点和输出波形甲类工作方式效率低不适合功率放大。乙类和甲乙类工作方式虽然失真严重，不能直接使用，但由于效率高，只要合理的设计电路结构，使两只管子轮流工作便可得到很好的功率放大效果。因此功率放大电路通常选择乙类或甲乙类工作方式。甲类乙类甲乙类基本电路（OCL)在输入信号的正半周，T1导通，iC1流过负载；负半周，T2导通，iC2流过负载。

在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上iL和uO基本上是正弦波。交越失真图3.3.16VCC静态时，输入输出电压均为零。（2）乙类互补功率放大电路存在的问题：当输入信号很小时，达不到三极管的开启电压时，三极管不导通，因此在正负半周交替过零处会出现非线性失真。交越失真(3)、消除交越失真的互补输出级甲乙类互补功率放大电路为了减小或客服交越失真，实际电路通常给三极管加一点偏置，使之工作在甲乙类，两管在静态时处于微导通状态，由于电路对称，两管的静态电流相等，因此负载上无电流。外加输出信号作用下，有一个三极管处于导通状态，这样位于0点附近的波形就可以得到线性放大。＋－u-－u+uo5.2.1集成运算放大器符号国际符号：国内符号：集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小同相输入端反相输入端输出端5.2集成运算放大器

1.输入失调电UIO

输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。5.2.2集成运算放大器的主要参数

2.输入失调电压温漂dUIO/dT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

：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

3.输入偏置电流IIB

：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。5.输入失调电流温漂dIIO/DT: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.最大差模输入电压Uidmax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现象。7.最大共模输入电压Vicmax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。

8.开环差模电压放大倍数

Aod

：

无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。

9.差模输入电阻rid

：

双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。

11.－3dB带宽

fH

：

运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。

12.转换速率SR(压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

等效电路v+—同相端输入电压v-

—反相端输入电压vid—差模输入电压vid=v–

v+Avd—开环差模电压放大倍数

vo=Aud(v+–v)5.2.3理想运算放大器的特性uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–1)

Avd1.理想运放的条件4)

KCMR5)BW2)

Rid3)Ro

0uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–2.理想运放的电压传输特性理想运放OvidvoVomax–Vomax线性区OvidVomax–Vomax实际运放uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–开环电压增益很大，线性工作区域很小，反馈1)

v+

v–(虚短)证：vo=Aud(v+–v–)=Audvidv+–

v–=vo/Aud02)i+

i–0(虚断)证：i+=vid/Rid0同理i–03.理想运放的特性uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–两种基本运算电路。5.3集成运算放大器的基本运算电路5.3.1求和运算电路5.3.2减法运算电路5.3.3微分电路和积分电路5.3.4对数电路和指数电路5.3.1求和运算电路1.反相输入求和电路R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf=R1=R2

则uO=

(uI1+uI2)R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，则

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

2.同相输入求和电路法1：利用叠加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R1；Rf=RfuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虚短、虚断uo=Rf/R1(uI2

uI1)减法运算实际是差分电路5.3.2减法运算电路1.积分电路

积分运算电路的分析方法与求和电路差不多，反相积分运算电路如图5.39所示。图5.39反相积分电路5.3.3积分电路和微分电路当输入信号是阶跃直流电压VI时，即例:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。(a)阶跃输入信号(b)方波输入信号这里要注意当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，积分电阻R两端无电位差，因此C不能放电，故输出电压保持不变。2.微分电路微分运算电路如下图所示。微分电路1.对数电路对数电路对数运算电路见图。由图可知*5.3.4对数电路和指数电路2.指数电路

指数运算电路如图所示。指数运算电路相当反对数运算电路。指数运算电路1.过零比较器3.滞回比较器4.窗口比较器5.4集成运算放大器的非线性应用2.单限比较器5.4.1电压比较器(Comparer)功能：类型基本比较器简单比较器(单门限)窗口比较器(双门限)滞回比较器(施密特触发器)比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：特性：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法2.运放工作在非线性状态的分析方法：若V+＞V-则VO=+VOM；若V+＜V-则VO=-VOM。虚断（运放输入端电流=0）

注意：此时不能用虚短！uoui0+VOM-VOMOvIvO1.过零电压比较器VI

<0vI

>0VOmax-VOmaxVOHVOLuOuI电压比较器基本特性1）高电平和低电平

VoH=3.4，VoL=0.42）鉴别灵敏度Aud越大，鉴别灵敏度越高3）转换速率与压摆率SR有关tuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向。OvIvO2.单限比较器VZVREFvI

<VREF-VZvI

>VREF门限电压VT特点:1)工作在非线性区2)不存在虚短

(除了vI=VREF时)

3)存在虚断门限电压VT=VREF1)电路和门限电压3.滞回比较器1.反相型滞回比较器正反馈当uI>uP时，uO=-UZ当uI<uP时，uO=+UZ当uI=uP时，状态翻转uIRR1UREFR2R3UZ