第14講 集成運算電路

多級放大電路基本放大電路差分放大電路直接耦合互補輸出級第一級末級集成集成運算放大電路分立元件放大電路集成電路的發(fā)展歷程4.1集成運算放大電路概述

4.1.1集成電路的結(jié)構(gòu)特點1集成？采用一定的制造工藝，將晶體管、二極管、電阻、電容等許多元件構(gòu)成的完整的電路制作在同一半導體基片上，加以封裝。2大規(guī)模集成電路②硅片的面積只有幾十平方毫米①一個集成塊內(nèi)包含有一千個以上元器件運算放大器外形圖③相鄰元件具有良好的對稱性受環(huán)境溫度等影響的變化相同差分放大電路④允許采用復雜的電路形式以提高各方面性能?！嗉蛇\放的體積越來越小，功能卻越來越強⑤采用復合管3集成電路的特點①硅片上不能制作大電容直接耦合方式②硅片上不能制作高阻值電阻用有源元件（晶體管或場效應(yīng)管）取代電阻。4理想運算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞差模輸入電阻Rid→∞開環(huán)輸出電阻Ro→0高性能：高輸入電阻，低輸出電阻，高差模放大倍數(shù)，能較好抑制溫漂的差分放大電路。

∴集成運算放大電路是一個高性能的直接耦合放大電路。4.1.2集成運算放大電路的組成及各部分的作用輸入級偏置電路中間級輸出級upuNuo輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。4.1.3集成運放的電壓傳輸特性－＋＋

uN

up

uo＋－uNupuo1集成運放的符號集成運放有同相輸入端和反相輸入端。Up:輸入電壓與輸出電壓同相，為同相輸入端。UN:輸入電壓與輸出電壓反相，為反相輸入端。ui=up-uNUOM-UOM線性區(qū)uo=Aod(uP-uN)飽和區(qū)uo=±UOM由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。

兩個輸入端加入微小的電壓，輸出電壓都將超出其線性范圍，達到±UOM，所以必須引入負反饋才能保證集成運放工作在線性區(qū)。2電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)運算放大器工作在線性區(qū)時，分析依據(jù)：虛開路(1)由于運算放大器的差模輸入電阻rid,可認為兩個輸入端的輸入電流為零。即：uo=Auo(u+-u-)虛短路(2)由于運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo而輸出電壓是一個有限的數(shù)值,即:T0、T1兩只管子特性完全相同UBE0=UBE1IB0=IB1IC0=IC1IR=IC0+2IBIB0=IB1=IBIC0=IC1=IC4.2集成運放中的電流源電路4.2.1基本電流源電路（1）鏡像電流源IC0，IC1呈鏡像關(guān)系∴此電路為鏡像電流源。電阻R中的電流IR為基準電流在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。電路中有負反饋嗎？有，見P189基準電流②若β較小，只有幾到十幾倍①若β>>2若β=10問題2：ＶCC一定，如何改變輸出電流IC1？IC1≈IR∴IR↑，電阻的功耗增大①要增大IC1②要減小IC1增大電阻R不利于集成化問題1：晶體管構(gòu)成的電流源是否具有溫度穩(wěn)定性？β較小，可采用改進型的電流源+VccRT0T1Re0Re1UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1UBE0≈UBE1IE0Re0≈IE1Re1IB0IB1IE1IE0IB0+IB1Ic1IRIc0右邊電路：IC1≈IE1左邊電路：IR≈IC0≈IE0（2）比例電流源首先求出基準電流

輸出電流IC與IR成比例，可大于或小于IR，克服了鏡像電流源的缺點。REO、RE1是電流反饋電阻，IC1具有溫度穩(wěn)定性（3）微電流源

集成運放輸入級放大管的集電極靜態(tài)電流很小，又不能用大電阻，可以采用微電流源。將比例電流源中的Re0減小到0.IC1≈IE1+VccRT0T1Re1IB0IB1IE1IB0+IB1Ic1IRIC0利用圖解法或累試法求解超越方程IR≈IC0≈IE0R+VccT0T1T2IB0IB1Ic0Ic1IB2IE2IRT0、T1、T2三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICIE2=2IB=(β+1)IB24.2.2改進型電流源電路一、加射極輸出器的電流源若β=10IC≈0.982IR加裝T2且從發(fā)射集引出說明即使?很小，IC1趨向于IR二、威爾遜電流源+VccRT1T0T2Ic0IR2IBIE2Ic1IB2IC2BT0、T1、T2三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICT1的c-e串聯(lián)在T2的發(fā)射極，作為與典型工作點穩(wěn)定電路重的Re，因很大，可使IC2高度穩(wěn)定。UBE0≈UBE1≈UBE2≈UBE3因為UBE相差不多UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re3IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re34.2.4多路電流源1基于比例電流源的多路電流源可根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。2多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。設(shè)三個集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則注意：基極電流一定時，集電極電流之比等于他們的集電區(qū)面積之比。T多為橫向PNP型管。3MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流ID正比于溝道的寬長比。設(shè)寬長比W/L=S，且T1～T4的寬長比分別為S0、S1、S2、S3，則基準電流所有B-E間的電壓均為0.7V。試求：各管的集電極電流電路中T10與T11為縱向管，T12與T13是橫向管，β均為5例題：Ic13Ic10Ic12IR+VccR5T13T12R4-VccT10T11T10與T11微電流源圖4.2.9F007中的電流源電路T12與T13構(gòu)成鏡像電流源解：首先求基準電流IRT10與T11構(gòu)成微電流源T12與T13構(gòu)成鏡像電流源利用累試法或圖解法求出IC10≈28uA+VCCRcRcui1ui2100Ωuo+_T0T1已知:T0~T4的β均為100，rbb’=200Ω，Rc=7.5k，R1=6.2k,，R2=R3=100Ω，VCC=VEE=6V，電位器RP=100Ω，試求：（1）電路的靜態(tài)工作點（2）電路的差模AudRiRoIo-VEER1R2R3T3T4IR解：（1）電路的靜態(tài)工作點

具有電流源的差分放大電路，計算靜態(tài)工作點從電流源入手。UCQ1=UCQ2=VCC-ICQRC=6-7.5×0.42=2.85VRcRcui2-VEEIo+Vccui1(二）求解電路的動態(tài)參數(shù)+_uo+VccRbRc+_uiRL靜態(tài)電流不變的情況下,如何增大電壓放大倍數(shù)?增大電阻RCIC不變提高電源電壓VCC∴在集成運放中，用電流源來取代電阻RC這樣，在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，又可得到很高的電壓放大倍數(shù)。4.2.4以電流源為有源負載的放大電路Au=?一、有源負載共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時UIQ為多少？RL<<(rce1//rce2)為什么要考慮

h22?1/

h22為c-e間動態(tài)電阻rce，為幾百千歐二、有源負載差分放大電路

差分放大電路，雙端輸出時具有良好的共模抑制比，而且增益是單端輸出的兩倍，所以雙端輸出的性能優(yōu)于單端輸出。T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRL①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時IO約為多少？④動態(tài)時ΔiO約為多少？T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL輸入共模信號共模輸出電壓為零靜態(tài)：T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL輸出電流是單管輸出兩電流的兩倍，從而實現(xiàn)了單端輸出方式而具有雙端輸出的電壓。ui輸入差模信號§4.3集成運放電路簡介

一、讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標。（2）化整為零：將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。二、舉例

型號為F007的通用型集成運放

對于集成運放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。

若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準互補輸出級三級放大電路簡化電路

分解電路輸入級的分析

T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。共集-共基形式Q點的穩(wěn)定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9與IC8為鏡像關(guān)系→IC9↑因為IC10不變→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出輸入級的分析T7的作用：抑制共模信號

T5、T6分別是T3、T4的有源負載，而T4又是T6的有源負載。作用？+++++++_放大差模信號+___特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對“地”輸出）。中間級的分析中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。

F007的中間級是以復合管為放大管、采用有源負載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級輸出級輸出級的分析D1和D2起過流保護作用，未過流時，兩只二極管均截止。

iO增大到一定程度，D1導通，為T14基極分流，從而保護了T14。準互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。中間級輸出級電流采樣電阻特點：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高判斷同相輸入端和反相輸入端F007所具有的高性能Ad較大：放大差模信號的能力較強Ac較小：抑制共模信號的能力較強rid較大：從信號源索取的電流小ro?。簬ж撦d能力強Uom大：其峰值接近電源電壓輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大。uIcmax大：接近電源電壓4.4集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid

2MΩ∞共模抑制比KCMR

90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO

小于2mV

0使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。UIO的溫漂dUIO/dT(℃)

幾μV/℃

0

指標參數(shù)F007典型值理想值

輸入失調(diào)電流IIO

20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0

-3dB帶寬fH10Hz∞能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓UIdmax±30V超過此值輸入級差分管將損壞。上限截止頻率。對大信號的反應(yīng)速度為什么這么低？最大共模輸入電壓UIcmax±13V

轉(zhuǎn)換速率SR

0.5V/μS

∞集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO1mV

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO(│IB1-IB2│)20nA0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾nA/℃0最大共模輸入電壓UIcmax±13V最大差模輸入電壓UIdmax±30V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞4.5集成運放的種類按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信號控制那個通道的信號放大集成運放的種類按性能指標高阻型：rid，可高于1012Ω。