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1、第四章 集成运算放大电路 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路 4.3 集成运放电路简介 4.5 集成运放的种类及选择 4.4 集成运放的指标及低频等效电路 4.6 集成运放大的使用 本章重点和考点： 1.集成电路的特点。 2.偏置电路（电流源）的作用、分类及计算 。 3.理想集成运算放大电路（IC）的性能指标 。 本章讨论的问题： 1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放大电路做在一个 硅片上就是集成运放吗？集成运 放电路结构有什么特点？ 2.集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？ 4.集成运放的电压传输
2、特性有什么特点？ 5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？ 6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用时应注意哪些问题？ 4.1 集成运算放大电路概述 集成电路简称 IC (Integrated Circuit) 集成电路按 其功能分 数字集成电路 模拟集成电路 模拟集成 电路类型 集成运算放大器；集成功率放大器； 集成高频放大器；集成中频放大器； 集成比较器；集成乘法器；集成稳压 器；集成数/模或模/数转换器等。 集成电路的外形 集成电路的外形 (a)双列直插式(b)圆壳式 (c)扁平式 4.1.1 集成运放的电路结构特点 一. 对称性好，适用于构成差分放大电路。 二. 集成电路中电阻，其阻
3、值范围一般在几十欧到几 十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。 三. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代 替电阻(特别是大电阻)。 四. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难， 电路通常采用直接耦合电路方式。 五. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 值差别较大 ，通常 PNP 的 10 。常采用复合管的形式。 一、输入级 差分电路，大大减少温漂。 二、中间级采用有源负载的共发射极电路，增益大。 三、输出级 互补对称 电路，带负载能力强 四、偏置电路电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。 输入级 偏置电路 中间级输出级 + uo uid 4.1.2 集成运放电路的组成
4、及其各部分的作用 实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 图 4.1.1 集成运算的基本组成 4.1.3 集成运放的电压传输电压传输 特 性 图 4.1.2 集成运放的符号和电压传输特性 uO= f(uP-uN) + Aod uP uN uO uO uP-uN 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反向输入端uN。 电压传输特性 输出电压与其两个输入端的电压 之间存在线性放大关系，即 集成运放的工作区域 线性区域： Aod为差模开环放大倍数 非线性区域： 输出电压只有两种可能的情况： +UOM或-UOM UOM为输出电压的饱和电压。 uO uP-uN +UOM -UOM 4.2
5、 集成运放中的电流源电路 集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为 放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合 适的静态电流; 或作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放 大电路的电压放大倍数。 4.2.1 基本电流源电路 一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror) +VCC R IREF + T1 T2 IC2 IB1IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 基准电流 由于 UBE1 = UBE2，T1与 T2 参数基本相同，则 IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC 所以 当满足 2 时，则 图 4.2.1 +VCC R IREF + T1 T2 IC2 I
6、B1IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 二、比例电流源 R1R2 由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1 UBE2 ，则 忽略基极电流，可得 两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的 阻值成反比，故称为比例电流源。 图 4.2.2 比例电流源 三、微电流源 在镜像电流源的基础上 接入电阻 Re。 +VCC R IREF T1 T2 IC2 2IB IC1 ReRe 引入Re使 UBE2 略小于 UBE1，则 IC2 非常小，即在 Re 值不大的情况下，得到一 个比较小的输出电流 IC2 。 图 4.2.3 微电流源 +VCC R IREF
7、T1 T2 IC2 2IB IC1 Re 基本关系 因二极管方程 若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。 图 4.2.3 微电流源 E E2E1 4.2.2 改进型电流源电路 问题：基本电流源电路在很小时， IR和 IC2相 差很大。 为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基 准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本 电流源电路进行改进。 一、加射极输出器 的电流源 R IC2 VCC T3 T2T1 Re3 IC1 IREF IB 由于增加了T3，使IC2更加接近 IREF（如何证明） IC2=IC1=IREF-IB3 =IREF-IE3/(+1) 如10 IC2=0.982 IREF
8、增加电阻Re2 目的是使IE3增大。 图4.2.4加射极输出器的电流 源 R IC2 VCC T3 T2T1 IC1 IREF IB3 Re2 二、威尔逊电流源 T1管的c-e串联在T2管的发射极，其 作用与典型的工作点稳定电路中的Re 相同。 图4.2.5 威尔逊电流源 公式推导（略） 当10 IC2=0.984 IR 可见，在很小时，也可认为IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。 RIR IC2 +VCC IC0 IC 问题：IR如何计算？ 4.2.3 多路电流源 电路图 公式推导 IC= IE IREF - IB/(+1) 当较大时 IC=IREF 由于各管的 UBE大致相等，
9、IEREIREFRE=IE1RE1 =IE2RE2=IE3RE3 IC2IE2=IREFRE/RE2 IC3IE3=IREFRE/RE3 IC1IE1=IREFRE/RE1 所以 T1 IC1IC2IC3 Re1Re2Re3 T2T3 IC T IB R IREF VCC T0 Re IE 图4.2.6基于图4.24的多路电流源 多集电极管构成的 多路电流源 图4.2.7 多集电极管构成的多路电流源 当基极电流一定时，集电极电流之比 等于它们的集电区面积之比。 MOS管多路电流源 图4.2.8 MOS管多路电流源 设沟道宽长比W/LS 漏极电流之比正比于沟道的宽长 比。 例4.2.1 图4.2
10、.9所示电路是F007的电流源部分 。其中T10与T11为纵向NPN管； T12与T13是横向PNP管 ，它们的为5，b-e间电压值约为0.7V，试求各 管的集电极电流。 图4.2.9 F007中的电流源电路 解 0.73mA IC1028uA 0.52mA 4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路 在集成运放中，常用电流源电路取代RC或 Rd ，这样在电源电压不变的情况下，既可获得 合适的静态电流，对于交流信号，又可获得很 大的等效RC或Rd的。 晶体管和场效应管是有源元件，又可 作为负载，故称为有源负载。 一、有源负载共射放大电路 1.电路图2.静态分析（求参考电流，略） 3.动态分析 T
11、 Rb1 Rb2 rce2 二、有源负载差分放大电路 利用镜像电流源 可以使单端输出差 分放大电路的差模放大倍数提高到 接近双端输出的情况。 2.静态分析 1.电路图 3.动态分析 放大电路采用差分输入、单端输出 ；工作电流由恒流源 I 决定；输出 电流 io = ic4 ic2 = 2ic4 Rc T1 T2 Rc + u o R R uI uI2 +VCC VEE I R + 图4.2.11 有源负载差分放大电路 4.3 集成运放电路简介 典型的集成运放 双极型集成运放 F007 CMOS 集成运放 C14573 一、引脚 4.3.1 双极型集成运放 F007 F007 的引脚及连接示意图
12、 (a) (b)连 接示 意图 1234 8765 二、电路原理图 图 4.3.1 F007 电路原理图 1. 偏置电路 +VCC T8 VCC T9T12 T13 T10 T11 R4 R5 I8I3,4 IC9 IC10 IREF IC13 至输入级 至中间级 基准电流： 基准电流产生各放 大级所需的偏置电流。 各路偏置电流的关系： IREF I11IC10 I3, 4 IC9 IC8 IC12 IC13 微电流源镜像电流源 输入级 镜像电流源 中间级 输出级 图 4.3.1-1 F007 的偏置电路 2. 输入级 T1、T2、T3、T4 组成共集 - 共基差分放大电路 ； T1、T2 基
13、极接收差分输入信号。 T5、T6 有源负载； T4 集电极送出单端 输出信号至中间级。 uO RW 调零电阻，R 外接电阻。 T7 与R2 组成射极 输出器。 +VCC VEE T6 R1 I3,4 IC10 IC9 R2R3 R RW T4 T2 T7 T5 T3 T1 T8T9 图 4. 3. 1-2 uI2uI1 若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为： +VCC VEE I3,4 T4 T2 T3 T1 I8 RC RC uI1uI2 uO (1). T1、T2 共集组态，具有 较高的差模输入电阻和共模输入 电压。 (2). 共基组态的 T3、T4，与 有源负载 T5、T6 组合，
14、可以得到 很高的电压放大倍数。 (3). T3、T4 共基接法能改善频率响应。 (4). 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模 抑制比。 图 4.3.1.2 简化示意图 3. 中间级 图 4.3.1-3 中间级示意图 +VCC VEE T15 T16 IC13 R7 T17 R8 30pF 输入来自 T4 和 T6集电 极； 输出接在输出级的两个 互补对称放大管的基极。 中间级 T16、 T17 组成 复合管， T13 作为其有源 负载。 8、9两端外接30pF 校正电容防止产生自激振荡。 4. 输出级 IC13 R8 uo +VCC VEE T14 uI D1 R9 R1 0 T19
15、T18 R7 T15 D2 图 4.3.1-4 F007 输出级原理 电路 T14、 T18 、T19 准 互补对称电路； D1、 D2 、R9、R10 过载保护电路； T15 、R7、R8 为功 率管提供静态基流。 调节 R7、R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。 这种电路称为 UBE 倍增电路。 4.3.2.单极型集成运放 T2 +vDD -vss ui1 ui2 vGS3vGS4 uoD1uoD2 vGS1 vGS2 T3 T1 T4 iD3iD4 iD1iD2 IREF TREF T5 T6 T7 ID5 ID6 I0 vGS7vGS6 vGS5 vGS R 一、电路结构 双入双出差分式放大电路 耗尽型NMOSFET对管T1、 T2 有源负载 增强型NMOSFET对管T3 T4 偏置电路 TREF、T5、T6 T7组成。 二、工作原理 电路的基准电流 IREF ID5 ID6 I0 静态分析 ID1 ID2 I0/2 输出电压 UoQ UoD1Q- UoD2Q 0 动态分析 uo uoD1- uoD2 差模电压增益 AVD uo / uid - gm (rds1/ rds3). 4.4 集成运放的性能指标及低
