集成运放电路技术题目解答共8题

集成运放电路技术题目解答共8题

【题目1】：E4a046如何阅读运算放大器电路图？

【相关知识】：集成运算放大电路的一般组成及其单元结构，如恒流源电路、差分放大电路、CC-CE、CC-CB电路和互补输出电路等。【解题方法】：运算放大器主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路等四部分组成，如图1所示。图1

运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。

运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用CC-CB复合管，以便拓展通频带；

运算放大器的中间级采用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压放大倍数。

双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。二只输出管轮流导通，每管工作在乙类状态。为消除交越失真，通常会给输出管提供适当的偏置电流，让其工作在甲乙类状态。

由于集成电路工艺的限制，各级之间采用直接耦合。为保证输入短路时，输出直流电平为零，有时还需要在级间加入电平移动电路。

运算放大器的读图过程如下：

（1）运放电路结构分解

根据运放结构特点，将运放分解成输入级、中间级和输出级、基准电流源等四个基本部分。

（2）基准电流分析

运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准参考电流。

（3）静态偏置分析

在基准电流基础上，通过镜像直流电流或微镜像直流电流源，产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源，这些直流恒流源提供放大用晶体管的静态偏置。

将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各级直流偏置。

（4）交流分析

运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加功能电路，如交流镜像电流源电路，输出保护电路，交越失真补偿电路，电平移动电路等，这些电路为保证放大功能提供辅助作用，通常并不影响放大电路指标计算。对辅助电路进行简化，可以方便交流分析。

得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，就可以计算放大电路的动态指标。【解答过程】：图2是uA741运算放大电路的等效电路图，试分析其基本工作原理。图2

（1）运放电路的结构分解

输入级是一个差动放大电路，主要由、（共集-共基组合）和、组成。中间放大级由、、组成共集—共射电路；输出级由、组成互补输出电路。

（2）基准电流分析

、、组成运放的基准电流源，中得到的基准电流为

（3）静态偏置分析

与构成微镜像电流源，一方面给、的基极提供偏置，另一方面由、构成的镜像电流源给、、、的集电极提供恒流偏置，同时作为、的恒流负载。

是多集电极管，它与构成镜像电流源。一方面给提供偏置电流，同时作为的有源负载。则是给提供偏置电流，同时作为的有源负载。

将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图3所示。图3

（4）交流分析

差分输入级中的、、管构成高精度交流镜像电流源，，因而提供给的电流为，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。、同时分别作为、的有源负载。

电容C的作用是进行相位补偿，用于防止该运放可能产生的自激振荡。

输出级中的，，给互补输出管，提供静态偏置，以消除交越越失真。

、是输出限流保护用取样电阻，当输出电流过大时，或导通，通过、组成的镜像电流源，将该电流镜像至的另一个基极，通过负反馈抑制输出电流的增大。

将辅助电路简化后的等效交流通路如图4所示。图4

其中，是恒流源的内阻。

例2，图5是CMOS运放C14573的等效电路图，试分析其基本工作原理。图5

（1）运放电路的结构分解

输入级是差动放大电路，主要由增强型MOS管、组成。输出级是一个简单的共源电路，由实现。

（2）基准电流分析

和外接电阻R产生运放的基准电流。

（3）静态偏置分析

与构成镜像电流源，且作为、源极上的恒流源，并为它们提供直流偏置，、是、的恒流源负载。

与构成镜像电流源，且给漏极提供直流偏置，同时作为的恒流源负载。

将镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图6所示。图6

（4）交流分析

差分输入级中的、管构成交流镜像电流源，，因而提供给的电流为，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。

电容C的作用是相位补偿，用于防止自激振荡。

将辅助电路简化后的等效交流通路如图7所示。图7

其中，是恒流源的内阻。【题目2】：怎样理解差分放大电路对共模信号的抑制能力？

【相关知识】：差分放大电路及其共模抑制特性。【解题方法】：从对双端输入信号的差模和共模分解出发，提出差分放大电路不但能进行差分放大，而且具有共模抑制能力。【解答过程】：差分放大电路有二个输入端，如图1(a)所示。图1

设两个输入信号的差模值为，共模值为，则可用差模输入和共模输入表示为：

于是差分放大电路的输入信号也可用图1(b)表示。应用线性叠加定理计算时，可分别考虑差模输入和共模输入，如图1(c)和图1(d)。

设差模输入时差分放大电路的放大倍数是，差模输出是；共模输入时差分放大电路的放大倍数是，共模输出是，则

理想差分放大电路的共模放大倍数应等于零，差模放大倍数足够大。所以理想状态下，。

实际差分放大电路的不等于零，常用共模抑制比描述差分放大电路放大差模信号的同时抑制共模信号的能力。

应用图2所示差分放大电路可以抑制信号传输过程中的噪声干扰。设信号端产生两个相位相反，大小完全相同的信号和。设信号经过长距离传输时受到噪声电压干扰，噪声值为。由于信号同在并行的信号线上传输，它们受到的干扰几乎相同，实际进入差分放大器输入端的信号是和，于是理想差分放大器的输出是：图2

可见差分放大后的输出消除了传输过程中引入的噪声干扰。【题目3】：集成运放电路中有源负载放大电路如何分析与计算?

【相关知识】：恒流源电路分析，恒流源电路的恒流值和恒流源内阻计算,多级放大电路和差分放大电路的动态指标计算等。【解题方法】：恒流源负载放大电路的分析过程如下：

（1）快速找出放大电路中的各种恒流源电路；

（2）计算恒流源电路的恒流值及其内阻，得到等效恒流源，将恒流源负载放大电路转换成一般放大电路。

（3）采用一般多级或差分放大电路的分析方法计算放大电路的指标。【解答过程】：非有源负载放大电路的放大倍数与动态范围是一对矛盾。图1是一般单管放大电路，静态工作点为：图1

负载开路时的中频交流放大倍数等于。当晶体管选定后，若要增加放大倍数，只有增加集电极电阻，而的增加将导致迅速减少，降低动态工作范围。

既要保证集电极的动态电阻足够大，又要保证静态工作点稳定的惟一方法是选择恒流源（有源）负载。

[例1]图2(a)是uA741运放电路中间级放大电路的简化电路图。设\o"三极管资料专栏"三极管的放大倍数，基极体电阻，NPN管集电极和发射极之间的动态电阻，PNP管集电极和发射极之间的动态电阻，，试计算电路的放大倍数，输入和输出电阻。图2

1．静态偏置分析

图2(a)中，和构成镜像恒流源，既提供的静态偏置，同时作为的有源负载。将用恒流源等效后，图2(a)的直流通路变成图2(b)。

2．动态（交流）分析

图2(b)的交流通路如图3(a)，微变等效电路如图3(b)，其中图3

。

（1）放大倍数计算

由图3(b)可得，

（2）输入电阻计算

（3）输出电阻计算

第一级的输出电阻为：

输出电阻计算的的电路如图4所示。图4

[例2]图5(a)是uA741运放电路输入差分级放大电路的简化电路图，试画出其电路模型。图5

1．静态偏置分析

、和、构成CC-CB型复合电路，其静态偏置由恒流源和、构成镜像恒流源提供，。

静态偏置用恒流源代替后的等效直流通路如图5(b)。

2．动态分析

、、和、、构成精密镜像恒流源电路，。差分输出电流，输出放大倍数增加一倍。、、同时作为、管的有源负载。等效后的交流通路如图6。三极管用微变模型替换后的差分放大电路的电路模型如图7。图6图7【题目4】：集成运算放大电路中的恒流源电路如何分析？

【相关知识】：普通镜像恒流源、多集电极恒流源、高精度镜像恒流源、高内阻恒流源和镜像微恒流源电路，以及恒流源电路输出电阻的计算等。【解题方法】：分析恒流源电路的方法是：

（1）确定恒流源电路中的基准晶体管或场效应管；

（2）计算或确定基准电流；

（3）根据半导体器件之间的一致性，计算输出恒流值；

（4）绘制恒流部分的交流通路，确定恒流源的内阻。

由于恒流源的内阻较大，计算恒流源内阻时不能忽略三极管集电极与发射极之间，或场效应管漏极与源极之间的动态电阻。【解答过程】：1、基本镜像恒流源分析

已知基本镜像恒流源电路如图1所示，试计算输出电流的大小和恒流源内阻。图1

晶体管是基准管，且，工作在放大状态。

当与特性参数完全一致时，由可推得

由基准输入回路得，

所以，

当时，。

恒流输出管的交流通路如图1(b)所示，将晶体管用微变等效模型替代后的电路模型如图1(c)，显然，恒流源的内阻。

必须注意，应用管的恒流特性时，必须满足，保证始终工作在放大状态。

基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图2所示。图2

图2(b)的管采用多集电极晶体管（图2(a)已将其分散画），以基准管的集电极面积为基准，可得到一组与集电极面积成正比的多个恒流源。

图2(c)中增加管可以进一步减少恒流输出与基准电流之间的近似程度，此时，

所以，

当时，基本镜像恒流值，增加管后，更接近。

2．高内阻（Wilson）恒流源

图3是Wilson恒流源电路，试计算恒流输出值。图3

管是基准管，，工作在放大状态。

当、、均工作在放大状态时，各电流之间关系为：

整理后可得：

按\o"二极管专题栏目"二极管形式连接的管是管发射极的等效电阻，Wilson恒流源的内阻要大于。

3．微恒流源（Widlar）电路

图4是Widlar微恒流源电路，试计算输出恒流值。图4

晶体管是基准管，且，工作在放大状态，。

管发射极电流与发射极电压之间的关系为：

所以，

（1）

同理，当工作在放大状态时，

（2）

由基极回路方程得：

（3）

将式（1）和式（2）代入式（3），同时考虑，得：

（4）

例，当\o"电源"电源电压等于+15V，，若要产生的恒流源，试确定电阻R1的值。

将参数代入式（4）可得。

若不采用微电源源电路，采用基本恒流源电路，虽然只需要一个电阻R，但此时电阻阻值要求为：

此阻值远大于微电源电路中电阻R与R1之和，意味着需要占用更多的芯片面积【题目5】：集成运放和分立元件放大电路在电路结构上有什么不同考虑？

【相关知识】：放大电路的性能指标，分立器件放大电路的组成和集成放大电路的基本制作工艺等。【解题方法】：首先给出放大电路的一般结构，然后从放大电路的制造工艺和制作成本出发，分析设计分立放大电路和集成放大电路的不同。【解答过程】：1．组成放大电路的器件或原材料

图1是典型分立（或离散）元器件构成的放大电路原理图。图1

构成这类放大电路的主要元器件有三极管（场场效应管）、电阻、电解电容（耦合或旁路用）等。

图2是uA741运算放大电路的原理图，集成运算放大电路中的电阻、电容和晶体管全部由单晶硅材料制作。图2

2．静态偏置电路设计

分立元件放大电路中的电阻常用材料是金属膜，成本远低于三极管。因此，分立元件放大电路中的偏置电路尽量采用电阻分压器形式。而集成运放由于制作工艺的特点，制作一个大电阻所需的硅芯片面积要远高于制作晶体管的面积。因此，在集成放大电路中会尽量少用电阻，一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。

分立元件放大电路中常用的大容量（大于1）电容通常是铝质电解电容，小容量电容有瓷片电容、独石电容等，成本一般都较低。设计时可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的)或直流隔直作用(图1中的C1，C2)。而集成运放中，利用PN结电容效应很难制作出容量稍大的电容。

由于制造工艺的限制，分立元件放大电路中不同三极管特性参数的离散性很大，例如，即使同一批次三极管的放大倍数可能在200～400之间，设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同一基片上可以制作参数一致性好的晶体管。

因此，集成运放电路中大量采用晶体管设计恒流源偏置电路。集电极负载也不采用电阻，而是采用恒流源作为负载。

3．级间耦合设计

放大电路的主要性能指标有：电压放大倍数，电流放大倍数，输入电阻，输出电阻和通频带等。不同组态的单级放大电路的的指标特性如表1。

单级放大电路由于不能同时满足上述四个指标，因而必须采用多级级联放大。级间耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等。

由于电解电容成本不高，在分立放大电路中级间常采用阻容耦合，这样可减少各级之间静态工作点的相互影响。

在集成运放电路中通常只能制作小容量（几十pF）电容，不能制作大容量电解电容，级间通常采用直接耦合。直接耦合时，不但要考虑各级工作点之间的影响，还要考虑各级之间的电平偏移。

【题目6】：应用集成运放应注意哪些保护？

【相关知识】：运放的各种保护电路。【解题方法】：集成运放的使用十分方便。只要在集成运放外部加上合适的电源电压，同时差分输入信号电压不超出规定的范围，其内部恒流源偏置电路会自动保证各级工作在放大状态，并不需要用户设计静态偏置电路，用户只需进行动态设计。但送入运放电路的动态信号不能破坏运放内部晶体管的放大状态，同时要考虑外部输入平衡、提高共模抑制能力，以及防止输出短路和电源反接等措施。【解答过程】：1．差模输入保护

运算放大电路的开环放大倍数很大，当工作在开环状态，会因为差模电压过大而损坏。图1是采用二极管限止差模输入幅度的常用保护电路，运放的差模电压被限止在之间。

2．共模输入保护

运算放大器虽然有很大的共模抑制比，共模放大倍数很小，但并不意味着可以加很大的共模电压。过大的共模电压可能会破坏内部的偏置，导致内部放大电路不能工作在放大状态。为防止这种情况的出现，必须在运放差分输入端加保护电路限止共模电压。图2是限止共模电压的一种方法，图中信号输入端的电压被限止在之间。

设计单电源供电的集成运放电路时，则需要在输入端提供一定的直流共模电压。

3．电源端和输出端的保护

为了防止接入运放的电源极性错误，可以在电源输入端接入具有单向导通特性的二极管实现保护。图3中的二极管(f82)可以防止由于电源极性接反造成运放的损坏。当电源极性接反时，因均不导通，运放无法工作。

图3中的电阻R可以限止运放的输出电流，防止因输出短路可能造成运放损坏的现象。

4．平衡电阻

为了减少失调电压和失调电流的影响，同相输入端的等效直流电阻和反相输入端的等效直流电阻必须相等。如图4中的就是平衡电阻，其取值必须满足。【题目7】：E4a0521如何应用密勒定理对半导体器件的高频小信号模型进行单向化处理？

【相关知识】：密勒等效定理，晶体管和场效应管的高频小信号模型，半导体器件的电路参数与模型参数之间的关系。【解题方法】：密勒定理可以将双端口网络中的反馈阻抗进行单向化处理。密勒定理应用于晶体管共射极高频小信号模型时，可将三极管高频模型中基极和集电极之间的高频电容，或场效应管共源极高频模型中栅极和漏极之间的高频电容实行单向化处理，从而简化半导体器件的高频小信号模型。【解答过程】：1．密勒定理

设是跨接在双端口放大网络中的一个反馈阻抗，如图1(a)所示。密勒定理就是要解开输入～输出回路之间的耦合，将等效到输入和输出回路中，如图1(b)所示。图1(a)

图1(b)

设放大电路的放大倍数是，由图1(a)得：

据式（1）和式（2），将单向化处理后，在输入回路的的等效阻抗和输出回路的等效阻抗分别为：

当放大倍数远大于1时，。反馈阻抗的单向化过程就是密勒等效变换，或称密勒定理。

2．双极型晶体管的高频等效模型

双极型晶体管的混合π模型如图2所示：

其中，是晶体管基区体电阻，小功率器件的值在几十至几百欧之间。是发射结电阻，与静态工作点相关，。是发射结电容。

是集电区体电阻，其值很小常忽略，是集电结电阻，是集电结电容。

是跨导，表示电压对电流的控制作用。忽略时，，因而。是发射区体电阻，其值很小，可以忽略，是集电结电阻。

阻值和通常很大，将它们开路后的简化混合π模型如图3所示。

设，应用密勒定理将输入输出回路的反馈电容单向化处理后得图(a)，其中，。当时，忽略电容的影响，模型可进一步简化成图(b)。

[例]已知晶体管2N2222A的工作点，，忽略的影响，集电极负载，试求其简化混合π模型。

[解]晶体管的混合π模型如图4(a)所示。其中，

，

发射结电容可由特征频率推导，由，得：

由图4(a)得，应用密勒定理将反馈电容单向化处理，。忽略电容后的简化混合模型如图4(b)所示。

3．场效应晶体管的高频模型

场效应晶体管的高频等效模型如图5。图5

其等效参数的取值范围如表1。

表1场效应晶体管高频模型中的参数

由图5得，。应用Miller定理将反馈电容单向化处理，，单向化后得图6(a)。

当时，可以忽略的影响。一般情形下，和的阻值远大于与外围并接电阻，可近似开路，所以最终可得简化高频模型如图6(b)。【题目8】：E4a0541如何快速确定多级放大电路的下限频率和上限频率？

【相关知识】：放大电路的高频小信号模型，频率响应和放大电路的上限频率和下限频率等概念。【解题方