第五章集成運(yùn)算放大電路

第五章集成運(yùn)算放大電路教學(xué)內(nèi)容

集成放大電路的特點(diǎn)

集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)

集成運(yùn)放的基本組成部分

集成運(yùn)放的典型電路

各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)

集成運(yùn)放使用中的幾個(gè)具體問題

教學(xué)要求一.重點(diǎn)掌握的內(nèi)容：1.差動(dòng)放大電路（包括基本形式、長尾式和恒流源式）雙端輸入電路Q點(diǎn)、Ad、Rid、Ro的計(jì)算方法；2.集成運(yùn)放的電路組成及各部分的特點(diǎn)；3.理想集成運(yùn)放的特點(diǎn).二、一般掌握的內(nèi)容1.差動(dòng)放大電路四種不同接法的特點(diǎn)；2.直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象、產(chǎn)生的原因及抑制方法；3.差動(dòng)放大電路單端輸入電路的計(jì)算方法；三、一般了解的內(nèi)容1.鏡像電流源的工作原理和一般應(yīng)用；2.差動(dòng)放大電路的共模抑制比?！?.1集成放大電路的特點(diǎn)一、集成電路的分類：1.按制造工藝：1）單片集成電路2）混合集成電路2.按功能：1）數(shù)字集成電路

2）模擬集成電路：集成運(yùn)放、集成功放等3.按有源器件類型：1）雙極型集成電路

2）單極型集成電路二、集成電路的特點(diǎn)：集成運(yùn)放是高放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路。1.參數(shù)精度不高，溫度影響大，但對稱性好。2.電阻：幾十歐～幾十千歐（不能過大和過?。?.有源器件代替無源器件，常用三極管代替大電阻。4.要求電容低于幾十PF，采用直接耦合方式。5.三極管：PNP，β<10(橫向）；

NPN－PNP匹配較差§5.2集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)同相輸入端反相輸入端1.開環(huán)差模電壓增益Aod

：(openloopvoltagegain)

運(yùn)放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。理想情況下希望Aod為無窮大。2.輸入失調(diào)電壓UIO

：(inputoffsetvoltage)輸出電壓為零時(shí)，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓。3.輸入失調(diào)電壓溫漂αUIO：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。4.輸入失調(diào)電流IIo

：(inputoffsetcurrent)

當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，兩個(gè)輸入端偏置電流之差。5.輸入失調(diào)電流溫漂αIIO

：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。6.輸入偏置電流IIB

：(inputbiascurrent)

當(dāng)輸出電壓等于零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值。7.差模輸入電阻rid

：(inputresistance)輸入差模信號時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。8.共模抑制比KCMRKCMR=20lg(Aod/Aoc)(dB)衡量集成運(yùn)放抑制溫漂的能力。9.最大共模輸入電壓UIcm：(maximumcommonmodeinputvoltage)

在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時(shí)，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。10.最大差模輸入電壓UIdm：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)

運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿。11.－3dB帶寬fH

：(-3dBbandwidth)Aod在高頻段下降3dB所對應(yīng)的頻率fH。12.單位增益帶寬BWG——(unitgainbandwidth)Aod下降到1（0dB)時(shí)所對應(yīng)的頻率.13.轉(zhuǎn)換速率SR：在額定負(fù)載條件下，輸入一個(gè)大幅度的階躍信號時(shí)，輸出電壓的最大變化率。SR越大表明運(yùn)放的高頻性能越好?！?.3集成運(yùn)放的基本組成部分偏置電路：

電路：電流源電路特點(diǎn)：用來設(shè)置集成運(yùn)放各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入級：（前置級）電路：一個(gè)高性能的差動(dòng)放大器特點(diǎn)：輸入電阻高，抑制溫度漂移能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小。中間級：（主放大器）

電路：共射（共源）放大電路特點(diǎn)：復(fù)合管做放大管，并以恒流源做集電極負(fù)載，以提高電壓放大倍數(shù)。輸出級:

電路：互補(bǔ)對稱輸出電路特點(diǎn)：輸出電壓范圍寬，輸出電阻小，非線性失真小?！?.3.1偏置電路作用：向各級放大電路提供合適的偏置電流，確定各級靜態(tài)工作點(diǎn)。一、鏡像電流源:1)電路組成：對稱（三極管的工藝、結(jié)構(gòu)和參數(shù)都一致）2)基準(zhǔn)電流：3)電路對稱：4)鏡像電流：∵β>>2∴IC2≈IREFR值確定后，IREF就確定，IC2也隨之確定。5)特點(diǎn)：工作三極管集電極電流是電流源電路的鏡像（電流相等）。適用于較大工作電流的場合（mA級)二、比例電流源:

在鏡像電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。∵UBE1≈UBE2∴IE1Re1≈IE2Re2忽略基極電流有：

比例電流源因兩三極管基極對地電位相等，因此有：三、微電流源:

通過接入Re電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用于微功耗的集成電路中。引入Re后將使UBE2<UBE1,可得UBE1-UBE2=IE2Re≈IC2Re根據(jù)二極管方程則設(shè)有其中UT=26mV與鏡像電流源比較，微電流源的特點(diǎn)：提高了恒流源對電源變化的穩(wěn)定性。2.提高了恒流源對溫度變化的穩(wěn)定性。3.由于Re引入了電流負(fù)反饋，微電流源的輸出電阻比VT2本身的輸出電阻（rce)要高得多。四、多電流源:通過一個(gè)電流源穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流，即可構(gòu)成多路電流源，圖中一個(gè)基準(zhǔn)電流IREF可獲得多個(gè)恒定電流IC2、IC3…五、電流源作有源負(fù)載:

放大電路在共射（共源）放大電路中，為了提高電壓放大倍數(shù)的數(shù)值，行之有效的方法是增大集電極電阻Rc（或漏極電阻Rd).

然而，為了維持晶體管（場效應(yīng)管）的靜態(tài)電流不變，在增大Rc(Rd）的同時(shí)必須提高電源電壓。當(dāng)電源電壓增大到一定程度時(shí)，電路的設(shè)計(jì)就變得不合理了。

集成運(yùn)放中，常用電流源電路取代Rc(Rd)，這樣，在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號又可得到很大的等效的Rc(Rd）。例§5.3.2差分放大輸入級直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象：零點(diǎn)漂移：直接耦合放大電路的輸入端短路（ui=0）時(shí)，輸出電壓卻不為零，這種現(xiàn)象稱零點(diǎn)漂移（或溫度漂移）。原因：主要是三極管的溫度漂移?？朔泓c(diǎn)漂移的主要方法是采用差分放大電路。1、基本形式差分放大電路（1）電路組成：由對稱的兩個(gè)基本放大電路組成，對稱的含義是兩個(gè)三極管的特性一致，電路參數(shù)對應(yīng)相等。即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=RbR1=R2共模信號和差模信號示意圖（2）差模信號和共模信號

差模信號uId

共模信號uIC

是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相同的信號。

是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相反的信號。

在差分放大電路的兩個(gè)輸入端加上任意大小、任意極性的輸入電壓uI1和uI2，則差模輸入電壓共模輸入電壓兩個(gè)輸入端電壓：輸出端電壓：(3)差分放大電路的工作原理對共模信號有抑制作用：電源電壓波動(dòng)、外界干擾、溫度變化引起的電路內(nèi)部電流及電位的變化，均可認(rèn)為是共模信號。輸入信號為零時(shí):iC1=iC2uO1=uO2uo=uo1－uo2=0溫度變化引起：△iC1=△iC2△uo1=△uo2uo=(uo1+△uo1)－(uo2+△uo2)=0共模電壓放大倍數(shù):對差模信號有放大作用：

差模信號（有用的信號）輸入時(shí)，由于輸入端信號大小相等，方向相反，因此，若△iC1↑,則△iC2↓。uO=(uO1+△uO1)

－(uO2－△uO2)=2△uO1求差模電壓放大倍數(shù)：兩邊電路參數(shù)對稱

Au1=Au2

則有：(4)共模抑制比KCMR

(CommonModeRejectionRatio）

共模抑制比越大說明電路對零漂的抑制能力越強(qiáng)?；?5)該電路存在的缺點(diǎn):

不易保持電路的對稱性，單管仍存在零點(diǎn)漂移，兩個(gè)三極管輸出端的溫漂不可能完全抵消。為了減小每管的零漂，采用長尾式電路?；静罘址糯箅娐罚?、長尾式差分放大電路添加Re，似尾巴，稱長尾式差分放大電路。添加負(fù)電源VEE，去掉Rb。(1)電路組成：雙端輸入，雙端輸出

相當(dāng)于單管電流流過2Re所產(chǎn)生的電壓。負(fù)反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)。Re和-VEE的作用：靜態(tài)時(shí)：IRe=IE1+IE2=2IE∴URe=IReRe=2IERe

=IE(2Re)差模信號輸入時(shí):兩管獲得大小相等，極性相反的信號，即△IE1=－△IE2，因此，Re上無交流信號。對差模信號Re可視為短路。IC1↓IC2↓Re對零點(diǎn)漂移有很強(qiáng)的抑制作用。

Re越大，負(fù)反饋越顯著，抑制作用越強(qiáng)，但UE↑會使UBE↓,工作電流變小，電路不能正常工作，因此應(yīng)加－VEE。－VEE和Re提供基極偏置電流,不再需要Rb。（2）靜態(tài)分析:

由于電路完全對稱，因此兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)相同。UCQ1=VCC－ICQ1RC1

UBQ1=－IBQ1R1

UEQ1=UBQ1－UBEQ1UCEQ1=UCQ1－UEQ1=VCC－ICQ1RC1+IBQ1R1+UBEQ1∴Re、VEE確定后，工作點(diǎn)就確定了。（3）動(dòng)態(tài)分析:分析一邊的單管電路即可，注意公共元件的處理。RL中點(diǎn)為交流地電位，每邊負(fù)載RL/2，Re對差模信號短路。1)差模電壓放大倍數(shù):單管放大倍數(shù)2）差模輸入電阻：Rid=2(R+rbe)

單管的2倍3）差模輸出電阻：Ro=2Rc

單管的2倍例5.3.2為了在兩側(cè)參數(shù)不完全對稱的情況下，能使靜態(tài)時(shí)的Uo為0，常接入調(diào)零電位器Rw.UCQ=VCC-ICQRCUBQ=－IBQR解：1）求靜態(tài)工作點(diǎn)2）求動(dòng)態(tài)參數(shù)：Rod=2Rc3、恒流源式差分放大電路Re越大，抑制零點(diǎn)漂移的效果越好。但Re過大，會導(dǎo)致：若VEE一定，則IE↓→IB↓,非線性失真大若IE一定，VEE要大大增大。

并且在集成電路中制作大電阻較困難。因此，用恒流源代替Re，既能起到大電阻的作用，又不需很高的負(fù)電源電壓。恒流源式差分放大電路簡化電路靜態(tài)分析：UCQ1=UCQ2=VCC－ICQ1Rc1恒流源式差分放大電路簡化電路動(dòng)態(tài)分析：恒流源相當(dāng)于一個(gè)阻值很大的長尾電阻，交流通路中短路，動(dòng)態(tài)參數(shù)同長尾式電路。

例5.3.3解：

①求靜態(tài)工作點(diǎn)：UCQ1=UCQ2=VCC－ICQ1Rc1②求Ad：4、差分放大電路的輸入、輸出接法一、雙端輸入，雙端輸出二、雙端輸入，單端輸出三、單端輸入，雙端輸出四、單端輸入，單端輸出差分放大電路四種接法的性能比較見表5－1

結(jié)論：1）差模電壓放大倍數(shù):雙端輸出時(shí)，Aud與單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同；單端輸出時(shí)，Aud約為雙端輸出時(shí)的一半。2）輸入電阻：不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。3）輸出電阻：單端輸出時(shí)Ro=Rc;雙端輸出時(shí)Ro=2Rc。4）單端輸出時(shí)的共模抑制比不如雙端輸出時(shí)高。5）單端輸出時(shí)，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相?！?.3.3中間級

中間級的主要任務(wù)：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。

集成運(yùn)放的中間級經(jīng)常利用三極管作為有源負(fù)載，并且常常采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式。1.有源負(fù)載：

利用有源負(fù)載代替負(fù)載電阻Rc，可獲得較高的電壓放大倍數(shù)。2.復(fù)合管：

中間級采用復(fù)合管時(shí)，不僅可以得到很高的電流放大倍數(shù)β，而且能夠大大提高本級的輸入電阻。復(fù)合管有源負(fù)載VT3、VT4組成鏡像電流源，作為偏置電路。采用有源負(fù)載的差分放大電路：輸入差模信號時(shí)，iC1增大，iC2則減小，即△iC1=-△iC2。VT3、VT4構(gòu)成鏡像電流源，當(dāng)β足夠大時(shí)，△iC4=△iC1，因此△iC2=-△iC4。電路雖然采用單端接法，卻可以得到雙端輸出電流的變化量?！?.3.4輸出級

輸出級的主要任務(wù)：提供足夠的輸出功率以滿足負(fù)載的需要，還應(yīng)具有較低的輸出電阻以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。1.互補(bǔ)對稱輸出級2.過載保護(hù)電路IE1過載保護(hù)電路URe1VT3導(dǎo)通，分得一部分IB1§5.4集成運(yùn)放的典型電路VT8~VT13及電阻R4、R5等元件構(gòu)成偏置電路§5.4.1雙極型集成運(yùn)放LM741微電流源鏡像電流源鏡像電流源VT3、VT4共基組態(tài)，具有電壓放大作用。與VT1、VT2構(gòu)成共集－共基差分放大電路。VT1、VT2共集組態(tài)，雙端輸入，具有較高的差模輸入電阻VT5、VT6充當(dāng)有源負(fù)載VT7與R2組成射極輸出器，給VT5、VT6提供偏流，同時(shí)將VT3集電極電壓的變化傳遞到VT6基極,使得在單端輸出條件下仍能得到相當(dāng)于雙端輸出的電壓放大倍數(shù)，并使得VT3、VT4

的集電極負(fù)載趨于平衡。輸入級簡化電路輸入級電路VT16、VT17組成復(fù)合管，作中間