第五章集成運算放大電路

第五章集成運算放大電路教學內容

集成放大電路的特點

集成運放的主要技術指標

集成運放的基本組成部分

集成運放的典型電路

各類集成運放的性能特點

集成運放使用中的幾個具體問題

教學要求一.重點掌握的內容：1.差動放大電路（包括基本形式、長尾式和恒流源式）雙端輸入電路Q點、Ad、Rid、Ro的計算方法；2.集成運放的電路組成及各部分的特點；3.理想集成運放的特點.二、一般掌握的內容1.差動放大電路四種不同接法的特點；2.直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象、產(chǎn)生的原因及抑制方法；3.差動放大電路單端輸入電路的計算方法；三、一般了解的內容1.鏡像電流源的工作原理和一般應用；2.差動放大電路的共模抑制比?！?.1集成放大電路的特點一、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：集成運放是高放大倍數(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?。?。3.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集成運放的主要技術指標同相輸入端反相輸入端1.開環(huán)差模電壓增益Aod

：(openloopvoltagegain)

運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.輸入失調電壓UIO

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

：(inputoffsetcurrent)

當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差。5.輸入失調電流溫漂αIIO

：在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調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)

當輸出電壓等于零時，運放兩個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，運放的輸入電阻。8.共模抑制比KCMRKCMR=20lg(Aod/Aoc)(dB)衡量集成運放抑制溫漂的能力。9.最大共模輸入電壓UIcm：(maximumcommonmodeinputvoltage)

在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，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)

運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,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所對應的頻率fH。12.單位增益帶寬BWG——(unitgainbandwidth)Aod下降到1（0dB)時所對應的頻率.13.轉換速率SR：在額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。SR越大表明運放的高頻性能越好?！?.3集成運放的基本組成部分偏置電路：

電路：電流源電路特點：用來設置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點。輸入級：（前置級）電路：一個高性能的差動放大器特點：輸入電阻高，抑制溫度漂移能力強，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：復合管做放大管，并以恒流源做集電極負載，以提高電壓放大倍數(shù)。輸出級:

電路：互補對稱輸出電路特點：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。一、鏡像電流源:1)電路組成：對稱（三極管的工藝、結構和參數(shù)都一致）2)基準電流：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：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上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關系，即可構成比例電流源?！遀BE1≈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電阻得到一個比基準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)二極管方程則設有其中UT=26mV與鏡像電流源比較，微電流源的特點：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:通過一個電流源穩(wěn)定多個三極管的工作點電流，即可構成多路電流源，圖中一個基準電流IREF可獲得多個恒定電流IC2、IC3…五、電流源作有源負載:

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（場效應管）的靜態(tài)電流不變，在增大Rc(Rd）的同時必須提高電源電壓。當電源電壓增大到一定程度時，電路的設計就變得不合理了。

集成運放中，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漂移現(xiàn)象：零點漂移：直接耦合放大電路的輸入端短路（ui=0）時，輸出電壓卻不為零，這種現(xiàn)象稱零點漂移（或溫度漂移）。原因：主要是三極管的溫度漂移。克服零點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：由對稱的兩個基本放大電路組成，對稱的含義是兩個三極管的特性一致，電路參數(shù)對應相等。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

是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號。

是指在兩個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、外界干擾、溫度變化引起的電路內部電流及電位的變化，均可認為是共模信號。輸入信號為零時: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，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?；?5)該電路存在的缺點:

不易保持電路的對稱性，單管仍存在零點漂移，兩個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。添加負電源VEE，去掉Rb。(1)電路組成：雙端輸入，雙端輸出

相當于單管電流流過2Re所產(chǎn)生的電壓。負反饋作用增強。Re和-VEE的作用：靜態(tài)時：IRe=IE1+IE2=2IE∴URe=IReRe=2IERe

=IE(2Re)差模信號輸入時: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對零點漂移有很強的抑制作用。

Re越大，負反饋越顯著，抑制作用越強，但UE↑會使UBE↓,工作電流變小，電路不能正常工作，因此應加－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)工作點相同。UCQ1=VCC－ICQ1RC1

UBQ1=－IBQ1R1

UEQ1=UBQ1－UBEQ1UCEQ1=UCQ1－UEQ1=VCC－ICQ1RC1+IBQ1R1+UBEQ1∴Re、VEE確定后，工作點就確定了。（3）動態(tài)分析:分析一邊的單管電路即可，注意公共元件的處理。RL中點為交流地電位，每邊負載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為了在兩側參數(shù)不完全對稱的情況下，能使靜態(tài)時的Uo為0，常接入調零電位器Rw.UCQ=VCC-ICQRCUBQ=－IBQR解：1）求靜態(tài)工作點2）求動態(tài)參數(shù)：Rod=2Rc3、恒流源式差分放大電路Re越大，抑制零點漂移的效果越好。但Re過大，會導致：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態(tài)分析：恒流源相當于一個阻值很大的長尾電阻，交流通路中短路，動態(tài)參數(shù)同長尾式電路。

例5.3.3解：

①求靜態(tài)工作點：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

結論：1）差模電壓放大倍數(shù):雙端輸出時，Aud與單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同；單端輸出時，Aud約為雙端輸出時的一半。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Ro=Rc;雙端輸出時Ro=2Rc。4）單端輸出時的共模抑制比不如雙端輸出時高。5）單端輸出時，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：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。

集成運放的中間級經(jīng)常利用三極管作為有源負載，并且常常采用復合管的結構形式。1.有源負載：

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

中間級采用復合管時，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。復合管有源負載VT3、VT4組成鏡像電流源，作為偏置電路。采用有源負載的差分放大電路：輸入差模信號時，iC1增大，iC2則減小，即△iC1=-△iC2。VT3、VT4構成鏡像電流源，當β足夠大時，△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：提供足夠的輸出功率以滿足負載的需要，還應具有較低的輸出電阻以增強帶負載能力。1.互補對稱輸出級2.過載保護電路IE1過載保護電路URe1VT3導通，分得一部分IB1§5.4集成運放的典型電路VT8~VT13及電阻R4、R5等元件構成偏置電路§5.4.1雙極型集成運放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充當有源負載VT7與R2組成射極輸出器，給VT5、VT6提供偏流，同時將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于雙端輸出的電壓放大倍數(shù)，并使得VT3、VT4

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