第三版童诗白

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1、第 三 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 集成运放大的使用第 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 。第 三 版 童 诗 白本章讨论的问题：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

2、的静态工作点？4.集成运放的电压传输特性有什么特点？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

3、，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)。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 uid4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一

4、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 uPuNuOuOuP-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-UOMUOM为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM4.2 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

5、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)+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IB IC1UBE1UBE2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+VCCRIREF+T1T2IC2IB1IB22IB IC1UBE1UBE2二、比例电流源R1R2由图可得UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2由于 UBE1 UB

6、E2 ，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。+VCCRIREFT1T2IC22IB IC1ReRe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+VCCRIREFT1T2IC22IB IC1Re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EE2E1复习：1.集成运放的电路结构特点？2.集成运放的组成部分？输入级常用什么结

7、构？输出级常用什么结构？3.集成运放的二个工作区域？各自特点？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RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB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

8、源RIC2VCCT3T2T1IC1IREFIB3Re2二、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。RIRIC2+VCCIC0IC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相同 ，IEREIREFRE=IE1RE1=IE2RE2=IE3RE3 IC2IE2=IREFRE/RE2IC3IE3=IREFR

9、E/RE3IC1IE1=IREFRE/RE1所以T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3ICTIBR IREFVCCT0ReIE图4.2.6基于图4.24的多路电流源二、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。RIRIC2+VCCIC0IC问题：IR如何计算？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

10、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4.2.9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0.73mAIC1028uA0.52mA4.2.4 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

11、，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TRb1Rb2rce2二、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 RcT1T2Rc+uoRR uIuI2+VCCVEEIR+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 F007CMOS 集成运放 C14573一、引脚4.3.1 双极型集成运放

12、F007F007 的引脚及连接示意图(a)(b) 连 接 示 意 图12348765二、电路原理图图 4.3.1 F007 电路原理图1. 偏置电路+VCCT8VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13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：IREFI11IC10I3, 4IC9IC8IC12IC13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 基极接收差分输入信号。T5、T6 有源负

13、载； T4 集电极送出单端输出信号至中间级。 uORW 调零电阻，R 外接电阻。 T7 与R2 组成射极输出器。 +VCCVEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9图 4. 3. 1-2uI2uI1若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为：+VCCVEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(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，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

14、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+VCCVEET15T16IC13R7 T17R830pF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 IC13R8uo+VCCVEET14uID1 R9R10T19T18R7T15D2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

15、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-vssui1ui2vGS3vGS4uoD1uoD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR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

16、- 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频等效电路一、开环差模电压增益 Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 140 dB 。4.4.1集成运放的主要性能指标二、输入失调电压 UIO三、输入失调电压温漂 UIO 定义： 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的 补偿电压。一般运放：UIO 为 1 10 mV；高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。定义：一般运放为 每度 10 20 V；高质量运放低于每度 0.5