第5章-集成動算放大器

第5章集成運算放大器引言5.1集成運算放大器的構成5.2集成運算放大器5.3集成運算放大器的基本運算電路5.4集成運算放大器的非線性應用

集成電路是一種將“管”和“路”緊密結合的器件，它以半導體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應管、二極管、電阻和電容等元器件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起，使之具有特定的功能。模擬集成電路的種類很多，有集成運算放大器(簡稱集成運放)，集成功率放大器，集成模擬乘法器，集成鎖相環(huán)，集成穩(wěn)壓器等。在模擬集成電路中，集成運算放大器是最為重要、用途最廣的一種，

這里主要介紹集成運放的內(nèi)部電路、工作原理、性能指標及常用等效模型。集成電路體積小、重量輕、耗電少、可靠性高，已成為現(xiàn)代電子器件的主體。集成電路分數(shù)字與模擬兩大類。引言集成運算放大器(簡稱集成運放)，根據(jù)集成工藝不同有雙極性和單極性之分。運算放大器外形圖5.1集成運算放大器構成

集成運放的組成方框圖高性能差放高輸入阻抗高AV，高KCMRR靜態(tài)電流小高AV，共射電路復合管恒流源負載輸出電壓線性寬輸出電阻小非線性失真小互不對稱輸出多用恒流源提供合適的靜態(tài)工作點簡單的集成運放原理電路輸入級：差分電路，大大減少溫漂。中間級：采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。為提高放大倍數(shù)，常用復合管。輸出級：具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻小（帶負載能力強），非線性失真小。OCL電路。偏置電路：鏡像電流源，微電流源。5.1.1

差分(動)式放大電路集成電路運算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。當多級直接耦合放大電路的輸入端短路(vi＝0)，輸出端電壓它并不保持恒值，而在緩慢地、無規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱為零點漂移。產(chǎn)生零點漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。抑制零點漂移要著重于第一級。有效的措施之一是采用差動放大電路，因而差動放大電路成為集成運放的主要組成單元。差分方式放大電路對兩個輸入信號之差進行放大。差分放大電路vi1vi2v0輸入級大都采用差分放大電路的形式。電路形式基本形式長尾式恒流源式一、基本形式差分放大電路1.電路組成圖差分放大電路的基本形式+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1+++voRsRs一、基本形式差分放大電路1.電路組成:對稱性結構即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++vId+voR1R2假設電路完全對稱當vId=0，時VCQ1=VCQ2VO=01′.引入幾個基本概念(1)差動放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時加信號。單端輸入——僅從一個輸入端對地加信號.

(2)差分放大電路可以有兩個輸出端，一個是集電極C1，另一個是集電極C2。雙端輸出——從C1和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對地輸出。(3)差模信號與共模信號差模信號：共模信號：差模電壓增益：共模電壓增益：總輸出電壓：(4)共模抑制比共模抑制比KCMR

(1)

KCMR描述差分放大電路對零點漂移的抑制能力。KCMR愈大，抑制零漂能力愈強；

(2)理想情況下，電路參數(shù)完全對稱，Ac=0，KCMRR=∞。

(3)基本形式差放電路每個三極管的集電極對地電壓，其零漂與單管放大電路相同，絲毫沒有改善。對任意信號的分析方法vi1=vic1+vid1vi2=vic2+vid2vic1=vic2=(vi1+vi2)/2vid1=-vid2=(vi1-vi2)/2對于兩個任意信號vi1、vi2，分析時可將它們分解成一對共模信號和一對差模信號，然后分別有差模和共模增益來求。例：vi1=10mVvi2=8mVvic1=vic2=(vi1+vi2)/2=9mVvid1=-vid2=(vi1-vi2)/2=1mVvi1=9+1=vic1+vid1vi2=9-1=vic2+vid2二、長尾式差分放大電路可減小每個管子輸出端的溫漂。1.電路組成+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe

Re稱為“長尾電阻”。且引入共模負反饋。Re愈大，共模負反饋愈強。Ac愈小。每個管子的零漂愈小。對差模信號無負反饋。圖長尾式差分放大電路對共模信號的抑制作用共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。所以共模增益電路參數(shù)的理想對稱性，溫度變化時管子的電流變化完全相同，故可以將溫度漂移等效成共模信號，差分放大電路對共模信號有很強的抑制作用。射極電阻Re對共模信號的負反饋作用，抑制了每只晶體管集電極電流的變化，從而抑制集電極的電位的變化?！鳌鲌D3.3.4差分放大電路輸入共模信號ReRb1Rb2-VEE+uI1-+uI1-對差模信號的放大作用圖3.3.5差分放大電路加差模信號（a)分析時注意二個“虛地”ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1+uId--++-+uod-EE點電位在差模信號作用下不變，相當于接“地”。負載電阻的中點電位在差模信號作用下不變，相當于接“地”。2.靜態(tài)分析+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEERe當uId=0時，由于電路結構對稱，故：

IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，

1=

2=IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEE則ICQ

IBQ(對地)圖長尾式差分放大電路(1)加入差模信號設：vi1=-vi2=vid/2，vic=0。3.電路的動態(tài)分析

Re對差模信號相當于短路設vi1,vi2ib1,ib2ie1,ie2ie1=-ie2

IRe不變

VE不變對差模信號vid1=-vid2Ib1=-Ib2vc1=-vc2因此，畫交流通路時，兩管相對獨立，互不影響。由vc1=-vc2可知RL兩端電位一端為正，一端為負，動態(tài)分析RL的中點應是地電位，即每管對地的負載電阻為RL/2。RRcUid1T1UoRRcUid2T2微變等效電路畫出則同理輸出電壓為差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為差模輸出電阻為若單端輸出Ad？(2)加入共模信號設：ui1=ui2=uic，uid=0。設ui1，ui2，使uo1，uo2。因ui1=ui2，

uo1=uo2uo=0(理想化)。共模電壓放大倍數(shù)雙端輸出：單端輸出：差動放大器的輸入輸出方式差動放大器共有四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）4.單端輸入、單端輸出（單入單出）

主要討論的問題有：

差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻1.雙端輸入雙端輸出（1）差模電壓放大倍數(shù)

（2）共模電壓放大倍數(shù)（3）差模輸入電阻（4）輸出電阻2.雙端輸入單端輸出這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。（2）差模電壓放大倍數(shù)雙入單出——續(xù)（4）差模輸入電阻（5）輸出電阻（3）共模電壓放大倍數(shù)等效電路及共模電壓放大倍數(shù)共模抑制比KCMR由上式可見：增大Re是改善共模抑制比的措施！3.單端輸入雙端輸出單端輸入等效雙端輸入:uid=ui1,uic=ui1/2計算同雙端輸入雙端輸出：4.單端輸入單端輸出計算同雙入單出：注意放大倍數(shù)的正負號：設從T1的基極輸入信號，如果從C1輸出，為負號；從C2輸出為正號。

(1)差模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關：

差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結雙端輸出時：單端輸出時：(2)共模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關，只與輸出方式有關：雙端輸出時：單端輸出時：(3)差模輸入電阻

不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。(4)輸出電阻單端輸出時：雙端輸出時：(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標。，或

雙端輸出時KCMR可認為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：三、恒流源式差分放大電路用三極管代替“長尾式”電路的長尾電阻，即構成恒流源式差分放大電路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.電路組成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2基本上不隨溫度的變化而變化，從而抑制共模信號的變化。圖恒流源式差分放大電路為了提高共模抑制比應加大Re。但Re加大后，為保證工作點不變，必須提高負電源，這是不經(jīng)濟的。同時集成電路難以制造大電阻，為此可用恒流源T3來代替Re。

恒流源動態(tài)電阻大，可提高共模抑制比。并可提供一個穩(wěn)定的偏流。同時恒流源的管壓降只有幾伏，可不必提高負電源之值。這種電路稱為恒流源差動放大電路2.靜態(tài)分析當忽略VT3的基極電流時，Rb1上的電壓為RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到圖恒流源式差分放大電路3.動態(tài)分析由于恒流三極管相當于一個阻值很大的長尾電阻，它的作用也是引入一個共模負反饋，對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響，所以與長尾式交流通路相同。差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為差模輸出電阻為例題解：由求靜態(tài)值→rbe求：輸入差模電壓Uid1、Uid2和共模電壓Uic,雙端輸出差模Uod和共模電壓Uoc。已知：Ec=12VEe=6V=60rbb'=100Rc=Rb=Ree=10KRW=100Ui1=5mVUi2=3mV根椐電路可以列出方程端輸出求Uid1、Uid2、Uic

Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=（5-3）/2=1mV=（5+3）/2=4mV求AUd

→Uod

=-31=-312=-62mV求AUc

→Uoc

雙端輸出：AUc=0→Uoc=0例題－續(xù)結論

(1)雙端輸出時，Ad與單管Au基本相同；單端輸出時，Ad約為雙端輸出時的一半。雙端輸出時，Ro=2Rc；單端輸出時，Ro=Rc。

(2)雙端輸出時，理想情況下，KCMR

→

；單端輸出時，共模抑制比不如雙端輸出高。

(3)單端輸出時，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。

(4)單端輸出時，由于引入很強的共模負反饋，兩個管子仍基本工作在差分狀態(tài)。

(5)單端輸出時，Rid

2(R+rbe)。差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出AdKCMR很高很高較高較高RidRo差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出特性1.Ad與單管放大電路基本相同。2.在理想情況下，KCMR∞。3.適用于差分輸入、雙端輸出，輸入信號及負載的兩端均不接地的情況。1.Ad約為雙端輸出時的一半。2.由于引入共模負反饋，仍有較高的KCMR。3.適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。1.Ad與單管放大電路基本相同。2.在理想情況下，KCMR∞。3.適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出。1.Ad約為雙端輸出時的一半。2.比單管放大電路具有較強的抑制零漂的能力。3.適用于輸入、輸出均要求接地的情況。4.選擇不同管子輸出，可使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。一、鏡像電流源(電流鏡CurrentMirror)+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2基準電流由于UBE1=UBE2，VT1與VT2參數(shù)基本相同，則IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以當滿足>>2時，則5.1.3偏置電路溫度補償作用：返回二、微電流源(Wildlar)在鏡像電流源的基礎上接入電阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使VBE2<VBE1，且IC2<<IC1，即在Re值不大的情況下，得到一個比較小的輸出電流IC2。圖微電流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本關系因二極管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。圖微電流源超越方程三、有源負載圖有源負載單管共射放大電路VT1：放大三極管；VT2：有源負載；VT3、VT2

鏡像電流源。+VCCVT1VT2VT3RI++uIuO基準電流5.1.4

功率放大電路

放大電路(集成運放)的最后一級常常要求能帶一定的負載，例如推動揚聲器使之發(fā)出聲音，推動電動機旋轉(zhuǎn)等，即要輸出一定的信號功率。這種以輸出功率為主要目的的放大級稱為功率放大電路。功率放大電路的特點(1)輸出功率盡可能大問題，管子工作在接近極限參數(shù)。(2)消耗的功率大，存在效率問題。所謂效率，就是負載得到的有用功率和電源供給的直流功率的比值。(3)功率放大器在大信號下工作，難免產(chǎn)生非線性失真。而且輸出功率越大，失真往往越嚴重。(4)由于流過功放管的電流較大，有相當大的功率消耗在管子上。因此，要有散熱和保護保護措施。(5)由于功放管是在大信號下工作，一般只能采用圖解分析法。功率放大電路的要求

就本質(zhì)而言，功率放大電路和電壓放大電路并沒有什么區(qū)別。但它們要完成的任務不同，因而對它們的要求也不同。電壓放大電路通常是在小信號下工作，主要任務是在信號不失真的條件輸出足夠大的電壓。要求電壓放大倍數(shù)Au足夠大；輸入電阻ri大，以便從前級得到足夠大的電壓；輸出電阻ro小，以便將更多的電壓傳給下一級。功率放大器則不同，它通常作為放大電路的最后一級，工作于大信號下，要求不失真地輸出足夠大的功率PO且效率要高。2.功率放大電路的類型及工作原理（1）晶體管的4種工作方式根據(jù)導通時間將晶體管分為四種工作方式：⑴甲類工作方式：

Q點設置在負載線的中點，在輸入信號的正負半周，晶體管都在工作，管子的導通角為360°，輸出波形失真小，但靜態(tài)管子功耗大，效率低。⑵乙類工作方式：Q點在負載線的最低點，由于靜態(tài)時電流為零，無功耗，效率最高。但此時放大電路只在輸入信號的正半周工作，負半周時晶體管截止，管子的導通角為180°，輸出波形出現(xiàn)嚴重的失真。⑶甲乙類工作方式：

Q點略高于乙類時，靜態(tài)電流很小，靜態(tài)消耗約為零，效率也很高。晶體的導通時間大于半個周期，管子的導通角大于180°，此時輸出波形仍失真嚴重。三種工作方式對應的Q點和輸出波形甲類工作方式效率低不適合功率放大。乙類和甲乙類工作方式雖然失真嚴重，不能直接使用，但由于效率高，只要合理的設計電路結構，使兩只管子輪流工作便可得到很好的功率放大效果。因此功率放大電路通常選擇乙類或甲乙類工作方式。甲類乙類甲乙類基本電路（OCL)在輸入信號的正半周，T1導通，iC1流過負載；負半周，T2導通，iC2流過負載。

在信號的整個周期都有電流流過負載，負載上iL和uO基本上是正弦波。交越失真圖3.3.16VCC靜態(tài)時，輸入輸出電壓均為零。（2）乙類互補功率放大電路存在的問題：當輸入信號很小時，達不到三極管的開啟電壓時，三極管不導通，因此在正負半周交替過零處會出現(xiàn)非線性失真。交越失真(3)、消除交越失真的互補輸出級甲乙類互補功率放大電路為了減小或客服交越失真，實際電路通常給三極管加一點偏置，使之工作在甲乙類，兩管在靜態(tài)時處于微導通狀態(tài)，由于電路對稱，兩管的靜態(tài)電流相等，因此負載上無電流。外加輸出信號作用下，有一個三極管處于導通狀態(tài)，這樣位于0點附近的波形就可以得到線性放大。＋－u-－u+uo5.2.1集成運算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小同相輸入端反相輸入端輸出端5.2集成運算放大器

1.輸入失調(diào)電UIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。5.2.2集成運算放大器的主要參數(shù)

2.輸入失調(diào)電壓溫漂dUIO/dT在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/DT:在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。6.最大差模輸入電壓Uidmax運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓Vicmax在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。

11.－3dB帶寬

fH

：

運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為

等效電路v+—同相端輸入電壓v-

—反相端輸入電壓vid—差模輸入電壓vid=v–

v+Avd—開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

vo=Aud(v+–v)5.2.3理想運算放大器的特性uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–1)

Avd1.理想運放的條件4)

KCMR5)BW2)

Rid3)Ro

0uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–2.理想運放的電壓傳輸特性理想運放OvidvoVomax–Vomax線性區(qū)OvidVomax–Vomax實際運放uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–開環(huán)電壓增益很大，線性工作區(qū)域很小，反饋1)

v+

v–(虛短)證：vo=Aud(v+–v–)=Audvidv+–

v–=vo/Aud02)i+

i–0(虛斷)證：i+=vid/Rid0同理i–03.理想運放的特性uovidv–i+v+voRidAudvidRoi–兩種基本運算電路。5.3集成運算放大器的基本運算電路5.3.1求和運算電路5.3.2減法運算電路5.3.3微分電路和積分電路5.3.4對數(shù)電路和指數(shù)電路5.3.1求和運算電路1.反相輸入求和電路R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf=R1=R2

則uO=

(uI1+uI2)R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

2.同相輸入求和電路法1：利用疊加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R1；Rf=RfuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虛短、虛斷uo=Rf/R1(uI2

uI1)減法運算實際是差分電路5.3.2減法運算電路1.積分電路

積分運算電路的分析方法與求和電路差不多，反相積分運算電路如圖5.39所示。圖5.39反相積分電路5.3.3積分電路和微分電路當輸入信號是階躍直流電壓VI時，即例:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。(a)階躍輸入信號(b)方波輸入信號這里要注意當輸入信號在某一個時間段等于零時，積分器的輸出是不變的，保持前一個時間段的最終數(shù)值。因為虛地的原因，積分電阻R兩端無電位差，因此C不能放電，故輸出電壓保持不變。2.微分電路微分運算電路如下圖所示。微分電路1.對數(shù)電路對數(shù)電路對數(shù)運算電路見圖。由圖可知*5.3.4對數(shù)電路和指數(shù)電路2.指數(shù)電路

指數(shù)運算電路如圖所示。指數(shù)運算電路相當反對數(shù)運算電路。指數(shù)運算電路1.過零比較器3.滯回比較器4.窗口比較器5.4集成運算放大器的非線性應用2.單限比較器5.4.1電壓比較器(Comparer)功能：類型基本比較器簡單比較器(單門限)窗口比較器(雙門限)滯回比較器(施密特觸發(fā)器)比較電壓信號(被測試信號與標準信號)大小構成：運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。功能：特性：運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。1.運放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若V+＞V-則VO=+VOM；若V+＜V-則VO=-VOM。虛斷（運放輸入端電流=0）

注意：此時不能用虛短！uoui0+VOM-VOMOvIvO1.過零電壓比較器VI

<0vI

>0VOmax-VOmaxVOHVOLuOuI電壓比較器基本特性1）高電平和低電平

VoH=3.4，VoL=0.42）鑒別靈敏度Aud越大，鑒別靈敏度越高3）轉(zhuǎn)換速率與壓擺率SR有關tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。電壓比較器的傳輸特性1.電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數(shù)關系2.閾值電壓：UT當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。3.電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值。(2)閾值電壓的數(shù)值UT。(3)當uI變化且經(jīng)過UT時，uO躍變的方向。OvIvO2.單限比較器VZVREFvI

<VREF-VZvI

>VREF門限電壓VT特點:1)工作在非線性區(qū)2)不存在虛短

(除了vI=VREF時)

3)存在虛斷門限電壓VT=VREF1)電路和門限電壓3.滯回比較器1.反相型滯回比較器正反饋當uI>uP時，uO=-UZ當uI<uP時，uO=+UZ當uI=uP時，狀態(tài)翻轉(zhuǎn)uIRR1UREFR2R3UZ