集成运算放大器完整版

集成运算放大器1差动放大电路2集成运算放大器中的单元电路3集成运放简介4集成运算放大器中的主要参数5特殊集成运算放大器集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成的多级放大器。集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。什么是集成运算放大器？直耦放大电路的特殊问题——零点漂移零漂现象：产生零漂的原因：零漂的衡量方法：由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。输入ui=0时，，输出有缓慢变化的电压产生。将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。例如

若输出有1V的漂移电压。

则等效输入有100uV的漂移电压假设第一级是关键

减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路等效100uV漂移1V1差动放大电路一.结构:对称性结构即：

1=

2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb2023/10/24

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.差动放大电路可以有两个输出端。双端输出——从C1

和C2输出。单端输出——从C1或C2

对地输出。二.几个基本概念温度变化时，

uC1和uC2变化一致，

uO保持不变。uO=uC1－uC2

=0uo=(uC1+

uC1

)－(uC2+

uC2)=0静态时，ui1

=

ui2

=0当温度升高时

IC

VC

（两管变化量相等）

对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。

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：（1）差模输入电压差模输入电压

uId

两个输入电压大小相等、极性相反。差模输入电压+-uO+-+-+-uiduiduid1212+VCCR2R1Rb1Rb2Rc1Rc2VT1VT2+-uO+-uIc+VCCRRRbRbRcRcVT1VT2共模输入电压共模输入电压

uIc

两个输入电压大小相等、极性也相同。（2）共模输入电压（3）共模抑制比差模放大倍数共模放大倍数

KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模抑制比三.差动放大电路的基本工作原理+-uO+-+-+-uiduiduid1212+VCCRRRcRcVT1VT2-VEERe长尾式差分放大电路补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流(1)电路组成

引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比

1.静态工作点的计算：

忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V2.抑制零漂的原理:Uo=UC1-UC2

=0当ui1

=

ui2

=0时，当温度变化时：UC1=UC2设T

ic1

,ic2

uc1

,uc2

uo=uc1-uc2=0

带射极公共电阻Re的差放电路也叫长尾式差动放大器。接入公共电阻Re的目的是引入直流负反馈。比如，当温度升高时，两管的IC1和IC2同时增大，由于有了Re，便有以下负反馈过程：

IC1↓IC1↑→UBE1↓→IB1↓→IE↑→URe↑→UE↑→IC2↑→UBE2↓→IB2↓IC2↓t(℃)↑→

可见，这个负反馈过程与第2章讨论过的静态工作点稳定电路的工作原理是一样的，都是利用电流负反馈改变三极管的UBE从而抑制I的变化。显然，Re越大，则负反馈作用越强，抑制温漂的效果越好。然而，若Re过大，会使其直流压降也过大，由此可能会使静态电流值下降。为了弥补这一不足，图4.1.5中在Re下端引入了负电源UEE，用来补偿Re上的直流压降，从而保证了放大器的正常工作。

对于共模输入信号，由于电路对称，两管的射极电流IE（约等于集电极电流IC）变化量大小相等、极性相同（即同增同减），ΔIE1=ΔIE2=ΔIE，使流过Re的总电流变化量为2ΔIE，这个电流变化量在Re上产生的电压变化量（2ΔIERe）构成负反馈信号，可使共模放大倍数降低。可见，Re对共模信号具有负反馈作用，能够抑制共模信号的输出。这个抑制过程实际上就是上述抑制零漂的过程。(1)加入差模信号

ui1=-ui2=uid/2，电路的动态分析

所以，Re对差模信号相当于短路。若ui1

,ui2

ib1

,ib2

ie1

,ie2

IRe不变

UE不变

uic=0。①求差模电压放大倍数：

因为ui1=-ui2设ui1,ui2

uo1,uo2

。电路对称

│uo1│=│uo2│

uo=uo1–uo2=2uo1

差模电压放大倍数②差模输入电阻③输出电阻(2)加入共模信号

ui1=ui2=uic，

uid=0。设ui1

，ui2

uo1

，uo2

。因ui1=ui2，

uo1=uo2

uo=0(理想化)。共模电压放大倍数四.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）

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。(1)差模电压放大倍数

（2）差模输入电阻（3）输出电阻（4）共模电压放大倍数

ui1=ui2=uic，

设ui1

，ui2

ie1

，ie1

。

iRe（=2ie1）画出共模等效电路动画演示求共模电压放大倍数：

单端输入双端输出

单端输入等效双端输入:

因为Re＞＞从T2发射极看进去的等效电阻，故Re可视为开路，于是有ui1=－ui2=ui/2

计算同双端输入双端输出：动画演示4.单端输入单端输出

注意放大倍数的正负号：设从T1的基极输入信号，如果从uo1

输出为负号；从uo2

输出为正号。

计算同双入单出：

(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。

单端输出时，

双端输出时，

(4)输出电阻(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：动画演示

五.带恒流源的差动放大电路

根据共模抑制比公式：

加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re

。等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。恒流源的作用带恒流源的差动放大电路的计算：

静态工作点：

动态：

恒流源等效电阻：1.镜像电流源基准电流：

无论T2的负载如何变化，IC2的电流值将保持不变。2集成运算放大器中的单元电路一.电流源电路因为：所以：2.微电流源（1）电流小（因为△UBE小）。微电流源的特点：（2）电流稳定（电流负反馈）

多路电流源二.差动输入级1.有源负载差动放大电路T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。2.共集—共基差动输入级

特点：（1）输入阻抗高。（2）T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。三.输出级工作原理：ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正；ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。

1.互补对称射极输出电路输入输出波形图uiuououo´交越失真死区电压2.克服交越失真的互补对电路

静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。电路中增加D1、D2工作原理：2集成运算放大器基础

2.1集成运算放大器概述

运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，由于它最初主要用作模拟计算机的运算放大，故至今仍保留这个名字。集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。集成运算放大器简称为集成运放。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，目前，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能。可以说，集成运放已经成为模拟电子技术领域中的核心器件之一。(1)所有元件都是在同一硅片上，在相同的条件下，采用相同的工艺流程制造，因而各元件参数具有同向偏差，性能比较一致。这是集成电路特有的优点，利用这一优点恰恰可以制造像差动放大器那样的对称性要求很高的电路。实际上，集成电路的输入级几乎都无例外地采用差动电路，以便充分利用电路对称性，使输出的零漂得到较好的抑制。

(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，高阻值电阻在硅片上占用面积很大，难以制造，而制作晶体管在硅片上所占面积较小。例如，一个5kΩ电阻所占用硅片的面积约为一个三极管所占面积的三倍。所以，常采用三极管恒流源代替所需要的高值电阻。(3)集成电路工艺不宜制造几十微微法以上的电容，更难以制造电感元件。为此，若电路确实需要大电容或电感，只能靠外接来解决。由于直接耦合可以减少或避免使用大电容及电感，所以集成电路中基本上都采用这种耦合方式。

(4)集成电路中需用的二极管也常用三极管的发射结来代替，只要将三极管的集电极与基极短接即可。这样做的原因主要是这样制作的“二极管”的正向压降的温度系数与同类型三极管的UBE

的温度系数非常接近，提高了温度补偿性能。由此可见，集成电路在设计上与分立元件电路有很大差别，这在分析集成电路的结构和功能时应当予以注意。2.2

集成运放的组成

集成运放内部组成原理框图如图所示。集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不相同，但其内部电路的基本结构却大致相同。集成运放的内部电路可分为输入级、偏置电路、中间级及输出级四个部分。输入级由差动放大器组成，它是决定整个集成运放性能的最关键一级，不仅要求其零漂小，还要求其输入电阻高，输入电压范围大,并有较高的增益等。偏置电路用来向各放大级提供合适的静态工作电流,决定各级静态工作点。在集成电路中，广泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置。+UCC

u+

u–反相输入端同相输入端原理框图：与uo反相与uo同相-UEEuoT3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR

,

输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器–+集成运放内部结构（举例）极性判断

ri

大:几十k

几百k

运放的特点：KCMRR很大ro

小：几十

几百

Ao

很大:104

107理想运放：ri

KCMMRR

ro

0Ao

运放符号：＋－u－u+uo－＋＋

u－

u+

uo

Ao国际符号国内符号等效电路uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–u+—同相端输入电压u-

—反相端输入电压uid—差模输入电压uid=u

–

u+Aud—开环差模电压放大倍数

uo=Aud(u+–u

)

2.3集成运放的基本技术指标

衡量集成运放质量好坏的技术指标很多，基本指标有10项左右。实用中可通过器件手册直接查到各种型号运放的技术指标。不过，并不是一种运放的所有各项技术指标都是最优的，往往各有侧重。即使是同一型号的组件在性能上也存在一定的分散性，因而使用前常需要进行测试和筛选。为此，必须了解各项性能参数的含义。

1.输入失调电压UOS

实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时,输出电压并不为零。规定在室温（25℃）及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放两输入端额外附加的补偿电压称为输入失调电压UOS。UOS越小越好，一般约为0.5～5mV。

2.输入失调电流IOS

IOS是当运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差，IOS=|IB1IB2|。它是由内部元件参数不一致等原因造成的。IOS越小越好，一般为1nA～10μA。

输入偏置电流IB

IB是当输出电压为零时，流入运放两输入端静态基极电流的平均值IB=(IB1+IB2)/2。该值越小，信号源内阻变化时引起输出电压的变化越小，因此，IB越小越好，一般为1nA～100μA。

4.开环差模电压放大倍数Aod

集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差模信号电压之比称开环差模电压放大倍数Aod。它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝（dB）表示，目前最高值可达140dB以上。

5.共模抑制比KCMRR

KCMRR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即KCMRR=|Aod/Aoc|，其含义与差动放大器中所定义的KCMRR相同，高质量的运放KCMRR可达160dB。

6.输入失调电压温漂dUOS/dt和输入失调电流温漂dIOS/dt

在规定的工作温度范围内，输入失调电压对温度的变化率称为输入失调电压温漂，用以表征UOS受温度变化的影响程度，一般为1～50μV/℃，好的可达0.5μV/℃。在规定的工作温度范围内，输入失调电流对温度的变化率称为输入失调电流温漂，用以表征IOS受温度变化的影响程度，一般为1～5nA/℃，好的可达pA/℃数量级。

7.最大共模输入电压UIcmax

UIcmax是在线性工作范围内集成运放所能承受的最大共模输入电压。超过此值，集成运放的共模抑制比、差模放大倍数等会显著下降。

8.最大差模输入电压UIdmax

UIdmax是运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值。输入差模电压超过UIdmax时，可能使输入级的管子反向击穿。9.差模输入电阻rid

rid是集成运放在开环时，输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去的动态电阻。一般为MΩ数量级，以场效应管为输入级的可达104MΩ。

10.开环输出电阻ro

ro是集成运放开环时，从输出端向里看进去的等效电阻。其值越小，说明运放的带负载能力越强。

除上述这些指标外，集成运放还有最大输出电压、最大输出电流、带宽、单位增益带宽、静态功耗等技术指标。还应说明，随着技术的改进，近些年来，各种专用型集成运放也不断问世，如高阻型（输入电阻高）、高压型（输出电压高）、大功率型（输出功率高达十几瓦）、低功耗型（静态功耗低，如1～2V、10～100μA）、低漂移型（温漂小）、高速型（过渡时间短、转换率高）等。通用型集成运放价格便宜，容易购买；专用型集成运放则可满足一些特殊要求。有关具体器件的详细资料，须参看生产厂家提供的产品说明。高输入阻抗型

用于测量设备及采样保持电路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

运算放大器外形图运算放大器外形图3集成运算放大器的初步应用1理想运算放大器的条件及特点

在分析集成运放构成的应用电路时，将集成运放看成理想运算放大器，可以使分析大大简化。理想运算放大器应当满足以下各项条件：开环差模电压放大倍数Aod=∞；差模输入电阻rid=∞；输出电阻ro=0；输入偏置电流IB1=IB2=0；共模抑制比KCMRR=∞；

失调电压、失调电流及它们的温漂均为0；上限频率fH=∞。尽管理想运放并不存在，但由于实际集成运放的技术指标比较理想，在具体分析时将其理想化一般是允许的。这种分析计算所带来的误差一般不大，只是在需要对运算结果进行误差分析时才予以考虑。本书除特别指出外，均按理想运放对待.

在分析运放应用电路时，还须了解运放是工作在线性区还是非线性区，只有这样才能按照不同区域所具有的特点与规律进行分析。

1.线性区

集成运放工作在线性区时，其输出信号和输入信号之间有以下关系成立:

Uo=Aod(U+-U-)

由于一般集成运放的开环差模增益都很大，因此，都要接有深度负反馈，使其净输入电压减小，这样才能使其工作在线性区。理想运放工作在线性区时，可有以下两条重要特点：①由于Aod=∞，而输出电压Uo总为有限值，则有

U+-U-=所以：U+=U-“虚短”②由于集成运放的开环差模输入电阻rid=∞，输入偏置电流IB=0，当然不会向外部电路索取任何电流，因此其两个输入端的电流都为零，即

I+=I-=0(4.3)

这就是说，集成运放工作在线性区时，其两个输入端均无电流，这一特点称为“虚断”。一般实际的集成运放工作在线性区时，其技术指标与理想条件非常接近，因而上述两条特点是成立的。

2.非线性区

由于集成运放的开环增益Aod很大，当它工作于开环状态（即未接深度负反馈）或加有正反馈时，只要有差模信号输入，哪怕是微小的电压信号，集成运放都将进入非线性区，其输出电压立即达到正向饱和值Uom或负向饱和值Uom。此时，（4.1）式不再成立。理想运放工作在非线性区时，有以下两条特点：①只要输入电压U+与U-不相等，输出电压就饱和。因此有

Uo=UomU+>U-Uo=－UomU+<U-②虚断仍然成立，即

I+=I-=0

综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，可将集成运放按理想运放对待，判断它是否工作在线性区。一般来说，集成运放引入了深度负反馈时，将工作在线性区。在此基础上，可运用上述线性区或非线性区的特点分析电路的工作原理，使分析工作大为简化。ui=uo+UOM-UOM

Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。例：若UOM=12V，Ao=106，则|ui|<12

V时，运放处于线性区。线性放大区要集成运放工作在线性区,必须在集成运放外部电路引入负反馈uiuo_+

+Aou-u+理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点一、理想运放的条件及其工作在线性区的特点二、分析运放组成的