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1、第 四 版 童 诗 白 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 集成运放的使用 第 三 版 童 诗 白 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 。 本章教学时数： 4学时 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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
2、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。 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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)
3、。 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。 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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
4、算的基本组成 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 4.1.3 集成运放的电压传输特性 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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 uO uP-uN 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。 +UOM -UOM
5、赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 4.2 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror) +VCC R IREF + T1T2 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 =
6、 IC2 = IC 所以 当满足 2 时，则 图 4.2.1 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 +VCC R IREF + T1T2 IC2 IB1IB2 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 三、微电流源 在镜像电流源的基础上 接入电阻 Re。 +VCC R IREF T1T
7、2 IC2 2IB IC1 ReRe 引入Re使 UBE2 UBE1， 且 IC2 IC1 ，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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 +VCC R IREF T1T2 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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
8、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 +VCC R IREF + T1T2 IC2 IB1IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 由于增加了T3，使IC2更 加接近IREF（如何证明） 缺点： 1. 受电源波动影响大； 2.电流最低至mA级。 IC2=IC1=IREF-IB3 =IREF-IE3/(+1) 如10 IC2=0.982 IREF 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
9、VCC T3 T2T1 IC1 IREF IB3 Re2 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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？ 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 4.2.3 多路电流源 T1 IC1IC2IC3 Re1Re2Re3 T2T3 电路图 公式推导 IC= IE IREF
10、 - IB/(+1) 当较大时 IC=IREF 由于各管的， UBE相同， IEREIREFRE=IE1RE1 =IE2RE2=IE3RE3 IC2IE2=IREFRE/RE2 IC3IE3=IREFRE/RE3 IC1IE1=IREFRE/RE1 所以 IC T IB R IREF VCC T0 Re IE 图4.2.6基于图4.24的多路电流源 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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
11、道宽长比W/LS 漏极电流之比正比于沟道 的宽长比。 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 例4.2.1 图4.2.9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，VCC=15V，R5=39K，试求各管的电流。 图4.2.9 F007中的电流源电路 解 0.73mA IC1028uA 0.52mA +VCC VT8 VCC VT9 VT12 VT13 VT10 VT11 R4 R5 I8I3,4 IC9 IC10 IREF IC13 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件
12、 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。 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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 Rb1 Rb2rce2 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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
13、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 +VC C VEE I R + 图4.2.11 有源负载差分放大电路 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 4.3 集成运放电路简介 集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路。 本节主要分析集成运放电路的结构特点和工作原理；重 点不是设计和改进集成电路,只是更好地理解集成电路的 性能特点及主要参数,以便合理地使用集成块。 相关预备知识点： 1.BJT的三种组态和各组态的特点； 2.
14、集成运放四个组成部分; 3.概念：差分放大电路、电流源电路、互补电路、复合管 。 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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/uA741 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 (a) (b) 连 接 示 意 图 1234 8765 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 二、电路原理图 偏置电路 输入级 中间级 输出级 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 1. 偏置电路 +VCC T8 VCC T9T12 T13
15、 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 2. 输入级 T1、T2、T3、T4 组成共集 - 共基差分放大电路； T1、T2 基极接收差分输入信号。 T5、T6 有源负载； （加射极输出器的 比例电流源） 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 赣南师范学院物电学院电工电子教研室模拟电路多媒体课件 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
