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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,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
2、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)。,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。,4.1
3、.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。,集成运算的基本组成,4.1.3 集成运放的电压传输特性,集成运放的符号和电压传输特性,uO= f(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。,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
4、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),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 4.2.1,二、比例电流源,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。,比例电流源,三、微电流源,在镜像电流源的基础上接入电
5、阻 Re。,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 。,微电流源,基本关系,因二极管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,微电流源,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,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-IE
6、3/(+1),如10 IC2=0.982 IREF,增加电阻Re2 目的是使IE3增大。,加射极输出器的电流源,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。,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。,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/RE2,IC3IE3
7、=IREFRE/RE3,IC1IE1=IREFRE/RE1,所以,基于图4.24的多路电流源,多集电极管构成的 多路电流源,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,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，试求各管的电电流。,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
8、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,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,有源负载差分放大电路,4
9、.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,(a),(b)连接示意图,二、电路原理图,F007 电路原理图,1. 偏置电路,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,I11,IC10,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,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
10、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。,图 4. 3. 1-2,若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为：,(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，能减小温漂，提高共模抑制比。,简化示意图,3. 中间级,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
11、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,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,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
12、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
13、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 V 以下；,四、输入失调电流 IIO,五、输入失调电流温漂 IIO,当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,六、输入偏置电流 IIB,七、差模输入电阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定义：,输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。,定义：,一般集成运放为几兆欧。,定义：,多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。,九、最
14、大共模输入电压 UIcm,输入端所能承受的最大共模电压。,十、最大差模输入电压 UIdm,反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。,十一、 - 3 dB带宽 fH,表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。,十二、 单位增益带宽 fc,Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1 。,十三、 转换速率 SR,额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。,在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。,其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。,4.4.2 集
15、成运放的低频等效电路,考虑各种失调因素时等效电路图,不考虑各种失调因素的电路图,4.5 集成运放的种类及选择,4.5.1 集成运放的发展概况,4.5.2 集成运放的种类,一、按工作原理分类,1.电压放大型F007、F324 2.电流放大型LM3900、F1900 3.跨导型LM3080、F3080 4.互阻型AD8009、AD8011,二、按可控性分类,1.可变增益运放 2.选通运放,1.高精度型,性能特点：,漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（F5037）,2.低功耗型,性能特点：,静态功耗一般比通用型低 1 2 个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和
16、共模抑制比。（TLC2552）,三、按性能指标分类,3.高阻型,性能特点：,通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达 1012 。,高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（F3130）,4.高速型,大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达 1 000 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。,性能特点：,常用在A / D 和 D / A 转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（F3554）,5.高压型,性能特点：,输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。,6.大功率型,性能特点：,可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。,4.5.3 运放的选择（略）,4.6 集
