第3章 集成運算放大器

第3章集成運算放大器3.1概述3.2電流源電路3.3集成運放原理電路和理想運放的參數(shù)3.4理想集成運放的參數(shù)和工作區(qū)3.5基本運算電路3.1概述3.1.1集成運放電路的特點3.1.2集成運放電路的組成框圖3.1.1集成運放電路的特點前面介紹的電路都是由三極管、場效應(yīng)管、電阻、電容等器件根據(jù)不同的連接方式組成的，這種電路稱為分立電路。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前的半導(dǎo)體器件制造工藝可實現(xiàn)將分立元件組成的完整電路制作在同一塊硅片上而組成集成電路。集成電路有雙極型晶體管集成電路、單極型場效應(yīng)管集成電路、模擬集成電路、數(shù)字集成電路等。模擬集成電路主要有集成運放電路、集成功放電路、集成穩(wěn)壓電源電路等。集成電路還有小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模之分。目前，超大規(guī)模的集成電路能在幾十平方毫米的硅片上集成幾百萬個元器件。根據(jù)半導(dǎo)體制作工藝的特點，集成運放電路具有如下的特點。①因為硅片上不可能制作大電容，所以集成運放的耦合方式均采用直接耦合，在需要大容量電容和高阻值電阻的場合，采用外接法。②因為集成電路內(nèi)部相鄰的元件具有良好的對稱性，它們在受到各種因素影響時變化的趨勢相同，為了消除這些變化的影響，在集成電路中大量采用差動放大器作用輸入電路。③因為在硅片上制作三極管比制作電阻還容易，所以在集成電路中大量采用恒流源電路作為放大器的偏置電路，在需要大電阻的場合也是采用外接法。④集成電路內(nèi)部放大器所用的晶體管通常采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)來改善性能。3.1.2集成運放電路的組成框圖集成運算放大器如圖3-1所示，其中圖（a）為集成運放的簡化原理框圖，圖（b）是其符號，圖（c）是其外形圖。在圖（c）中，左圖為圓殼式集成電路，右圖為雙列直插式集成電路。由圖3-1（a）可見，集成運放電路由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個部分組成。圖3-1集成運算放大器集成運放的輸入級又稱為前置級，它通常是由一個高性能的雙端輸入差動放大器組成。（1）輸入級（2）中間級（3）輸出級（4）偏置電路3.2電流源電路3.2.1基本電流源電路*3.2.2以電流源為有源負載的放大器3.2.1基本電流源電路1.鏡像電流源電路典型的鏡像電流源電路如圖3-2所示。該電路的工作原理是：在電路完全對稱的情況下，電阻R上的電流ＩR可作為電路的基準電流，根據(jù)節(jié)點電位法可得該電流的表達式為圖3-2鏡像電流源比例電流源電路如圖3-3所示。2.比例電流源電路圖3-3比例電流源*3.2.2以電流源為有源負載的放大器

Rc或Rd變大了，要保持三極管的靜態(tài)工作點不變，電路的直流供電電壓也必須提高，這將引起集成電路功耗的增加。為了解決這一問題，在集成電路中，采用電流源為有源負載取代Rc或Rd。利用電流源做有源負載，可實現(xiàn)在電源電壓不變的情況下，使放大器既可獲得合適的靜態(tài)工作點電流。對交流信號而言，又可得到很大的等效電阻rce或rds來替代Rc或Rd。利用電流源為有源負載的差動放大電路如圖3-4所示。圖3-4利用電流源做有源負載的放大器3.3集成運放原理電路和理想運放的參數(shù)3.3.1集成運放原理電路分析3.3.2集成運放的主要參數(shù)3.3.1集成運放原理電路分析根據(jù)前面的分析已知，集成運放內(nèi)部電路由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成。圖3-5所示為簡化的集成運放電路原理圖，圖中虛線將其劃分成四個組成部分。圖3-5簡化的集成運放電路原理圖3.3.2集成運放的主要參數(shù)正確使用集成運放的關(guān)鍵是了解集成運放參數(shù)的意義，集成運放的主要參數(shù)如下。1.輸入失調(diào)電壓VIO（輸入補償電壓）2.輸入失調(diào)電流ＩIO（輸入補償電流）3.輸入偏置電流ＩIB4.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod5.最大輸出電壓Vopp（輸出峰—峰電壓）6.最大共模輸入電壓VICmax7.共模抑制比ＫCMR3.4理想集成運放的參數(shù)和工作區(qū)3.4.1理想運放的性能指標3.4.2理想運放在不同工作區(qū)的特征利用集成運放，引入各種不同的反饋，就可以構(gòu)成具有不同功能的實用電路。在分析各種實用電路時，通常都將集成運放的性能指標理想化。性能指標理想化的運放稱為理想運放，下面介紹理想運放的性能指標。3.4.1理想運放的性能指標3.4.2理想運放在不同工作區(qū)的特征1.理想運放在線性工作區(qū)的特點工作在非線性工作區(qū)的運放，輸出電壓不是正向的最大電壓VoM，就是負向的最大電壓-VoM。輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線vo＝f（vＩ）稱為運放的電壓傳輸特性曲線，如圖3-6所示。2.理想運放工作在非線性區(qū)的特征圖3-6電壓傳輸特性曲線由圖3-6可見，理想運放工作在非線性區(qū)的兩個特點是：①輸出電壓vo只有兩種可能的情況。當vp-vN>0時，輸出vo為+VoM；當vp-vN<0時，輸出vo為-VoM；②由于理想運放的差模輸入電阻為無窮大，故凈輸入電流為零，即Ｉp＝ＩN＝0。對于理想運放，因Aod＝∞，當兩個輸入端之間有無窮小的輸入電壓時，運放的輸出電壓將為∞，超出了運放輸出的線性范圍，使運放工作在非線性區(qū)。為了使運放工作在線性區(qū)，必須想辦法減少運放的Aod或Av的值。在電路中引入負反饋，將∞的Aod變成有限值的Av，即可實現(xiàn)減少放大器Av的目的，使集成運放工作在線性區(qū)。對于單個的集成運放，通過無源的反饋網(wǎng)絡(luò)將集成運放的輸出端與反相輸入端相連，即可在電路引入負反饋，使運放工作在線性工作區(qū)，如圖3-7所示。3.集成運放工作在線性區(qū)的電路特征圖3-7在運放電路中引入反饋3.5基本運算電路3.5.1比例運算電路3.5.2加減運算電路3.5.3積分和微分運算電路3.5.4對數(shù)和指數(shù)（反對數(shù)）運算電路集成運放的應(yīng)用首先表現(xiàn)在它能構(gòu)成各種運算電路，并因此而得名。在運算電路中，以輸入電壓作為自變量，以輸出電壓作為函數(shù)；當輸入電壓變化時，輸出電壓將按一定的數(shù)學(xué)規(guī)律變化，即輸出電壓反映了對輸入電壓某種運算的結(jié)果。在運算電路中，無論是輸入電壓，還是輸出電壓，均是對“地”而言的。3.5.1比例運算電路1.反相比例運算電路（1）電路的組成反相比例運算電路的組成如圖3-8所示。圖中，輸入電壓vi通過電阻R1加在運放的反相輸入端。

Rf是溝通輸出和輸入的通道，是電路的反饋網(wǎng)絡(luò)。圖3-8反相比例運算電路由上面的分析可知，反相比例運算放大器是屬于電壓并聯(lián)負反饋放大器，這里討論的電壓放大倍數(shù)是指電路的閉環(huán)源電壓放大倍數(shù)，即Avsf。今后為了敘述方便，將其簡稱為電壓放大倍數(shù)，用符號Av來表示。（2）電壓放大倍數(shù)2.同相比例運算電路（1）電路的組成同相比例運算電路的組成如圖3-9所示。由圖3-9可見，輸入電壓vi通過電阻Rp加在運放的同相輸入端。Rf是溝通輸出和輸入的通道，是電路的反饋網(wǎng)絡(luò)。因該網(wǎng)絡(luò)的一個端子與輸出端子接在一起，另一個端子沒有與輸入端子接在一起，根據(jù)反饋組態(tài)的判別方法，可得該電路的反饋組態(tài)是：電壓串聯(lián)負反饋。電壓反饋可穩(wěn)定輸出電壓，該電路穩(wěn)定輸出電壓的流程圖如圖3-10所示。圖3-9同相比例運算電路圖3-10穩(wěn)定輸出電壓的流程圖（2）電壓放大倍數(shù)式（3-21）說明輸出電壓和輸入電壓的大小成比例關(guān)系，且位相相同，這也是同相比例運算放大器名稱的由來。為了電路的對稱性和平衡電阻的調(diào)試方便，同相比例運算放大器通常還接成如圖3-11所示的形式。圖3-11同相比例運算放大器在圖3-9所示電路中，若令Rf

＝0，則電路變成如圖3-12（a）所示的形式，圖3-12（b）所示為R1＝∞的特例。3.電壓跟隨器圖3-12電壓跟隨器圖3-13例3-1圖圖3-14例3-2圖3.5.2加減運算電路1.反相求和電路（1）電路的組成反相求和電路的組成如圖3-15所示。由圖中可見，增加反相比例運算放大器的輸入端，即構(gòu)成反相求和電路。圖3-15反相求和電路（2）輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系2.同相求和電路（1）電路的組成同相求和電路的組成如圖3-16所示。由圖中可見，增加同相比例運算放大器的輸入端，即可構(gòu)成同相求和電路。圖3-16同相求和電路根據(jù)疊加定理和分壓公式可得（2）輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系由式（3-29）可見，圖3-16所示電路的輸出電壓與輸入電壓的和成正比的關(guān)系，所以，圖3-16所示的電路稱為同相求和電路。圖3-16同相求和電路3.加減運算電路（1）電路的組成加減運算電路的組成如圖3-17所示。由圖中可見，將反相比例運算電路和同相比例運算電路組合起來，即可構(gòu)成加減運算電路。圖3-17加減運算電路（2）輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系解運算電路的設(shè)計除了考慮輸出和輸入之間的函數(shù)關(guān)系外，還應(yīng)考慮平衡電阻的設(shè)置，反相求和電路的平衡電阻較同向求和電路更容易設(shè)置，所以在設(shè)計運算電路時，通常使用反相求和電路，且利用兩級反相求和電路相串聯(lián)的方法來實現(xiàn)加減的運算關(guān)系。根據(jù)這一思路，所設(shè)計的電路如圖3-18所示。圖3-18例3-33.5.3積分和微分運算電路1.積分運算電路（1）電路的組成積分運算電路的組成如圖3-19所示。由圖中可見，將反相比例運算電路中的反饋電阻Rf換成電容C即構(gòu)成積分運算電路。圖3-19積分運算電路（2）輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系2.微分運算電路（1）電路的組成微分運算電路的組成如圖3-20所示。由圖中可見，將反相比例運算電路中的輸入電阻RI換成電容C，即構(gòu)成微分運算電路。圖3-20微分運算電路（2）輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖3-21對數(shù)運算電路因二極管的動態(tài)范圍較小，運算的精度不夠高，實用的對數(shù)運算電路是用三極管替代二極管。用三極管組成的對數(shù)運算電路如圖3-22所示。圖3-22用三極管組成的對數(shù)電路2.指數(shù)（反對數(shù)）運算電路（1）電路的組成指數(shù)（反對數(shù)）運算電路的組成如圖3-23所示。由圖中可見，將反相比例運算電路中的輸入電阻RI換成二極管VD，即構(gòu)成指數(shù)（反對數(shù)）運算電路。圖3-23指數(shù)運算電路（2）輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖3-24用三極管組成的指數(shù)運算電路本章介紹了各種運算電路，組成運算電路的核心器件是集成運算放大器，集成運算放大器有兩個輸入端和一個輸出端。信號從反相輸入端輸入的，輸出信號與輸入信號反相；信號從同相輸入端輸入的，輸出信號與輸入信號同相。本章小結(jié)

滿足理想化條件的集成運放應(yīng)具有無限大的差模輸入電阻、趨于零的輸出電阻、無限大的差模電壓增益和共模抑制比、無限大的頻帶寬度以及趨于零的失調(diào)和漂移。雖然實際集成運放