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1、第五章 集成运算放大电路,5.1 集成放大电路的特点,5.2 集成运放的基本组成部分,5.3 集成运放的典型电路,5.4 集成运放的主要技术指标,5.5 理想运算放大器,5.1 集成放大电路的特点,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件及其连接导线，制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，成为集成电路，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,模拟集成电路按类型,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；集成稳压器等。,集成电路的外形,图 5.1.1 集成电路的外形,(a
2、)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集成运算放大电路特点：,1. 相邻元器件的参数对称性好（元件参数偏差方向一致，温度均一性好）。,2. 集成电路中电阻，其阻值范围有一定的局限性，一般在几十欧到几十千欧之间。,3. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替二极管或电阻(特别是大电阻)。,4. 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。,5. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 值差别较大，通常 PNP 的 10 。,5.2 集成运放的基本组成部分,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 5.2.1 集成运算的基本组成,偏置电路：向各放大级
3、提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。对于输入级，通常要求提供一个比较小的偏置电流。,输入级：是提高集成运放质量的关键。作用是抑制零点漂移、排除干扰等，采用差动放大电路,中间级 作用：高放大倍数，一般采用共射放大电路,输出级：提供足够的输出功率以满足负载的需要，采用功率放大电路,一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror),基准电流,由于 UBE1 = UBE2，VT1与 VT2 参数基本相同，则,IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC,所以,当满足 2 时，则,图 5.2.2,5.2.1 偏置电路主要有：镜像电流源、比例电流源、微电流源,+VCC,VT2,二
4、、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。,图 5.2.3 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。,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 5.2.4 微电流源,基本关系,因二极管方程,若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。,图 5.2.4 微电流源,例1：,例2、电路原理图,图 4.3.1 F007 电路原理图,5.2.
5、2 差分放大输入级,因为集成运放是一种高增益的直接耦合放大器，输入级的性能对整个运放性能的影响至关重要。输入级大都采用高性能的差分放大电路以克服温度带来的零点漂移问题。,电路形式,基本形式,长尾式,恒流源式,一、基本形式差分 放大电路,1. 电路组成,静态分析：,当 uI1 = uI2 =0，时,UCQ1 = UCQ2,UO = 0,差模输入电压 uId,共模输入电压 uIc,动态分析：,（1）信号输入方式,共模电压放大倍数：,Ac 愈小愈好，而Ad 愈大愈好,图 5.2.7 共模输入电压,差模电压放大倍数,在差模信号作用下：,差模电压放大倍数（反咉了有效信号，越大越好）为：,差模输入电压的差
6、分放大电路,共模抑制比 KCMR：（差模电压放大倍数与共模电压 放大倍数之比，用对数表示）,(1) KCMR 描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强； (2) 理想情况下，电路参数完全对称，Ac = 0， KCMR = 。 (3) 电路内部参数不可能完全匹配，其零漂与单管放大电路相同，在实际电路中一般不采用这种电路。,二、长尾式差分放大电路,可减小每个管子输出端的温漂。,1. 电路组成,Re 称为“长尾电阻”且引入共模负反馈。对差模信号无负反馈。,Re 愈大，共模负反馈愈强。Ac 愈小。每个管子的零漂愈小。,图 5.2.8 长尾式差分放大电路,2. 静态分析,当
7、 uId = 0 时，由于电路结构对称，故：,IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE,则,ICQ IBQ,(对地),图 5.2.8差模输入的长尾式差分放大电路,3. 动态分析,图 5.2.9 长尾式差分放大电路的交流通路,交流通路：,输出电压为,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,图 5.2.9 长尾式差分放大电路的交流通路,三、恒流源式差分放大电路,用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路,1. 电路组成,VT3：恒流管,作用：,能使 iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。,图 5.2.13 恒流源式差分放大电
8、路,2. 静态分析,当忽略 VT3 的基极电流时， Rb1 上的电压为,于是得到,图 5.3.13 恒流源式差分放大电路,(对地),(对地),3. 动态分析,由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,四、差分放大电路的输入、输出接法,有四种不同的接法,差分输入、双端输出；,差分输入、单端输出；,单端输入、双端输出；,单端输入、单端输出。,1. 差分输入、双端输出,图 5.2.16(a) 差分输入、双端输出,2. 差分输入、单端输出,若由 VT2 集电极输
9、出， uO 为“正”。,图 5.2.16(b) 差分输入、单端输出,3. 单端输入、双端输出,三极管仍然基本工作在差分状态，所以,图 5.2.16(c) 单端输入、双端输出,4. 单端输入、单端输出,若改从 VT2 集电极输出，则,这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。,图 5.2.16(d) 单端输入、单端输出,差分放大电路四种接法的性能比较,Ad,KCMR,Rid,Ro,差分放大电路四种接法的性能比较,特 性,1. Ad 与单管放大电路基本相同。 2.适用于输入信号及负载的两端均不接地的情况。,1. Ad 约为双端输出时的一半。 2.适用于将双端输入转换为单端输出。,1.
10、Ad 与单管放大电路基本相同。 2.适用于将单端输入转换为双端输出。,1. Ad 约为双端输出时的一半。 2.适用于输入、输出均要求接地的情况。,选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。,5.2.3 中间级,任务：提供足够大的电压放大倍数。,要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。,为了提高电压放大倍数，中间级经常采用的电路形式： 用三极管做有源负载； 放大管采用复合管的形式。,一、有源负载,有源负载单管共射放大电路,放大管VT1； 有源负载VT2 ； 镜像电流源VT3、VT2组成 。,有源负载：指用双极性三极管和场效应管充当负载电阻。,有源
11、负载的差分放大电路,输出电流 io = ic4 - ic2 = 2ic4,该电路有相当于双端输出时的 io ，在集成运放中的应用十分广泛。,有源负载的差分放大电路,放 大 管：VT1、VT2 镜像电流源：VT3、VT4 （并分别做VT1、VT2的有 源负载）。 工作电流由恒流源 I 决定；,二、复合管,优点,可以获得很高的电流放大系数 ； 提高中间级的输入电阻； 提高了集成运放总的电压放大倍数。,图 5. 2.19,1、注意复合管的接法,3. 复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。,2、掌握复合管的 和rbe的计算, 1 2,两个相同类型,两个不同类型,5.2.4 输出级,一、互补对称
12、电路,OCL甲乙类互补对称输出级,作用：提供足够输出功率和较低的输出电阻，以及较高输入电阻。,二、由复合管组成的功率输出级,由复合管组成OCL互补对称电路,准互补对称电路,改进：,缺点：由于 VT3、VT4 类型不同，互补性差。,Re1 和Rc2是为了调整 VT3和VT4的静态工作点。,三、过载保护电路,二极管保护电路,保护元件：,VD3、VD4、Re1、Re2。,输出电流正常， VD3、VD4 截止，保护不起作用；,若 VT1 正向 IC1， URe1 ，VD3 导通， IB1 ，IC1 。输出电流无法增大，保护功率管 VT1 。,若 VT2 反向电流IC2， URe2 ，VD4 导通， I
13、B2， IC2 。避免 VT2 电流过大。,图 5. 2. 25 过载保护电路,三极管保护电路,保护元件：,工作原理与二极管保护原理类似。,VT3、VT4、Re1、Re2。,图 5. 2. 25 过载保护电路,5.3 集成运放的典型电路,一、引脚,5.3.1 双极型集成运放 F007,图 5.3.1 F007 的引脚及连接示意图,(a),(b)连接示意图,二、 F007电路原理图,5.4 集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的符号,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。,图 5.4.1 运算
14、放大器的符号,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。（在一定程度上反映了温漂的大小。）,一般运放：UIO 为 1 10 mV；,高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。,定义：失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。,一般运放为 每度 10 20 V；,高质量运放低于每度 0.5 V；,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 用以描述差分对管输入电流的不对称情况。,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：输入
15、失调电流的温度系数。,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,六、差模输入电阻 rid,七、共模抑制比 KCMR,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。,5.5 理想运算放大器,在分析集成运放的各种应用电路时，常常将 其中的集成运放看成是理想运算放大器，理想运放是分析运放应用电路的一个有力工具。,所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化。,5.5.1 理想运放的技术指标,开环差模电压增益 Aod = ；,输出电阻 ro = 0；,共模抑制比 KCMR = ；,差模输入电阻 rid = ；,输入失调电压UIO = 0、
16、输入失调电流IIO = 0、 温漂UIO = IIO = 0；,输入偏置电流 IIB = 0；,- 3 dB 带宽 fH = ，等等。,集成运放的工作范围有两种情况：线性区和非线性区。,图 5.5.2 集成运放的传输特性,5.5.2 理想运放工作在线性区时的特点,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,理想运放工作在线性区特点：,1. 理想运放的差模输入电压等于零,即,“虚短”,图 5.5.1 集成运放的电压和电流,（因为：Aod = ）,2. 理想运放的输入电流等于零,由于差模输入电阻 rid = ，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,5.5.3 理想运放工作在非线性区时的特点,理想运放工作在非线性区特点：,当 u+ u- 时，uO = + UOPP 当 u+ u- 时, uO = - UOPP,1. uO 的值只有两种可能,在非线性区内，(u+ - u-)可能很大
