第05章 集成運算放大電路教材

1第五章集成運算放大器2集成電路:

將整個電路的各個元件做在同一個半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。§5.1集成放大電路的特點電子技術(shù)的發(fā)展：第一代：1904年出現(xiàn)的電真空器件；第二代：1948年出現(xiàn)的半導(dǎo)體器件；第三代：1959年出現(xiàn)的集成電路；第四代：1974年出現(xiàn)的大規(guī)模集成電路。3集成電路的分類：按功能分：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；按構(gòu)成有源器件的類型分：雙極型、單極型；按集成度分：小、中、大、超大規(guī)模集成電路；

…………集成電路的外型：雙列直插式、圓殼式、扁平式4集成電路的特點：1．電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2．對稱性較好，適用于構(gòu)成差分電路；3．電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十歐到幾十千歐，精度低。高阻值電阻用一般三極管有源元器件代替或外接。4．幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成，大電容及電感難以用集成電路工藝制作，一般要外接，放大級之間通常采用直接耦合方式。5．二極管用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。5§5.2集成運放的主要技術(shù)指標(biāo)集成運算放大器符號－＋＋

反相輸入端

u－同相輸入端u+

輸出端

uo國內(nèi)符號：國際符號：＋－u－u+uoA一、開環(huán)差模電壓增益（開環(huán)增益）Aod無外加反饋回路的直流差模增益。一般在105

107之間。理想運放的Aod為

。Aod一般用對數(shù)表示，定義為二、輸入失調(diào)電壓UIo為使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。一般運放的UIo在1～10mV7三、輸入失調(diào)電壓溫漂

UIo表示失調(diào)電壓UIo在規(guī)定工作范圍內(nèi)的溫度系數(shù)，是衡量運放溫漂的重要指標(biāo)。一般運放

UIO為每度10～20V，高質(zhì)量的低于0.5V。四、輸入失調(diào)電流IIo輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即IIo=|IB1–IB2|一般運放IIo為幾十至一百nA高質(zhì)量的低于1nA8五、輸入失調(diào)電流溫漂

IIo表示失調(diào)電流IIo的溫度系數(shù)。一般為每度幾nA，高質(zhì)量只有每度幾十pA。六、輸入偏置電流IIB輸出電壓等于0時，兩個輸入端偏置電流的平均值9七、差模輸入電阻ridri>1M

，有的可達100M

以上。八、共模抑制比KCMR一般在80dB以上甚至可達160dB。九、最大共模輸入電壓UIcm10十、最大差模輸入電壓UIdm十一、-3dB帶寬fHAod下降3dB時的頻率，一般只有幾Hz到幾kHz，不適用于放大高頻信號。十二、輸出電阻roro

=幾

－幾十

。十三、單位增益帶寬BWG還有其他一些參數(shù)，此處不再一一介紹。11

ri

大：幾十k

幾百k

運放的特點：KCMR很大ro

小：幾十

幾百

Ad

很大：104

107理想運放：ri

KCMR

ro

0Ad

＋－u－u+uoA12§5.3集成運放的基本組成部分基本組成部分輸入級中間級輸出級偏置電路對輸入級的要求：盡量減小零點漂移，盡量提高

KCMR，輸入阻抗ri盡可能大。對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。對輸出級的要求：帶負載能力強

，即輸出阻抗ro小。13-VEE+VCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS原理框圖：輸入級中間級輸出級與uo反相與uo同相14集成運放的結(jié)構(gòu)：（1）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級一般采用差動放大器。（2）輸入級常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。（3）輸出級采用互補對稱式射極跟隨器，以進行功率放大，提高帶負載的能力。155.3.1偏置電路一、鏡像電流源（電流鏡）VT1VT216鏡像電流源的優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單；有一定的溫度補償作用VT1VT217二、比例電流源VT1VT218三、微電流源VT1VT2為幾十毫伏數(shù)量級，當(dāng)Re為幾千歐時，即可得到微安數(shù)量級的輸出電流。19VT1VT2由二極管方程：得設(shè)則UT為溫度的電壓當(dāng)量，常溫（300K）下約為26mV。20微電流源的特點1．當(dāng)VCC變化時，由于Re的負反饋作用，提高了恒流源對電源變化的穩(wěn)定性；2．溫度穩(wěn)定性高3．輸出電阻高21例：如圖為集成運放F007偏置電路的一部分，設(shè)VCC=VEE=15V，所有三極管的UBE=0.7V，其中NPN三極管的

>>2。橫向PNP三極管的

=2，電阻R5=39k。(1)估算基準(zhǔn)電流IREF

；(2)分析電路中各三極管組成何種電流源；(3)估算VT13的集電極電流IC13；(4)若要求IC10=28A，試估算電阻R4的阻值。+VCC-VEEVT10VT11VT12VT13IC13IREFIC10R4R522VCC=VEE=15VUBE=0.7V

10，11

>>2

12，13

=2R5=39k解：(1)基準(zhǔn)電流：(2)VT12和VT13組成鏡像電流源，VT11和VT10組成微電流源鏡像電流源微電流源(3)∵

12，13

不滿足

>>2+VCC-VEEVT10VT11VT12VT13IC13IREFIC10R4R523VCC=VEE=15VUBE=0.7V

10，11

>>2

12，13

=2R5=39k(4)∵

10，11

>>2，故可近似認為+VCC-VEEVT10VT11VT12VT13IC13IREFIC10R4R5245.3.2差分放大輸入級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+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2假設(shè)電路完全對稱當(dāng)uId=0，時UCQ1=UCQ2UO=0252.電壓放大倍數(shù)

VT1

和VT2

基極輸入電壓大小相等，極性相反，——稱為差模輸入電壓(uId)。在差模信號作用下：差模電壓放大倍數(shù)為263.共模抑制比差分放大電路輸入電壓差模輸入電壓uId共模輸入電壓uIc(uIc大小相等，極性相同)+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR共模電壓放大倍數(shù)：Ac愈小愈好，而Ad愈大愈好共模輸入電壓27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，KCMR=∞。

28+VCCRCR1T2RB

uoRCR1T1RB

ui2ui1uo=uC1-uC2

uC1uC2二、雙電源長尾式差分放大電路1．結(jié)構(gòu)-VEERE特點：加入射極電阻RE加入負電源-VEE

，采用正負雙電源供電292.雙電源長尾式差放中雙電源和射極電阻RE的作用雙電源的作用：（1）使信號變化幅度加大。（2）IB1、IB2由負電源-VEE提供，可以取消R1和RB四個電阻，且使基極的直流靜態(tài)電位=0uoui2+VCCRCT1RCT2-VEEREui130射極電阻RE的作用：（1）直流負反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點+VCCRCT1RCT2-VEEREuoT℃

IC1

IC2

IE=IE1+IE2

UE=IERE+(-VEE)

UBE1

、UBE2

IB1

、IB2

IC1

IC2

31射極電阻RE的作用：（2）RE對共模信號有抑制作用（原理同上，即由于RE的負反饋作用，使IE基本不變）（3）RE對差模信號相當(dāng)于短路ui1=-ui2,設(shè)ui1

,ui2

ib1

,ib2

ie1

,ie2

ie1=-ie2

iE不變

結(jié)論：IE具有恒流特性用恒流源代替RE

，可使電路進一步改善。ui2+VCCRCT1RCT2-VEEREui1uo32放大倍數(shù)(1)共模信號輸入ui1=ui2(2)差模信號輸入ui1=-ui2ui1uo+VCCRCT1RCui2T2-VEEREuo=uC1-uC2差模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)33放大倍數(shù)(3)如果ui1

ui2分解uId差模分量:2ui1-

ui2=共模分量:uIc2ui1

+

ui2=ui1

=uIc+

uIdui2=uIc-

uId

疊加結(jié)論：當(dāng)兩輸入端有任意輸入時，相當(dāng)于共模輸入和差模輸入共存。ui1uo+VCCRCT1RCui2T2-VEEREuo=uC1-uC2uIc-

uIduIc

+

uId34放大倍數(shù)只考慮共模輸入時：uoc=AcuIc只考慮差模輸入時：uod=Ad(2uId)總輸出ui1uo+VCCRCT1RCui2T2-VEEREuo=uC1-uC2uIc-

uIduIc

+

uId35放大倍數(shù)ui1uo+VCCRCT1RCui2T2-VEEREuo=uC1-uC2總輸出：uo=Ad

(ui1-

ui2)雙端輸入反相輸入端u-單端輸入：當(dāng)ui2=0時，uo=Ad

ui1同相輸入端u+36例：如圖為接有調(diào)零電位器的雙電源長尾式差放電路,已知VCC=VEE=12V，

=50，RE=30k，R=10k，RW=500，設(shè)RW的活動端調(diào)在中間位置，負載電阻RL=20k。估算靜態(tài)工作點Q、Ad、

Rid及Ro

。當(dāng)兩側(cè)參數(shù)不完全對稱時，通過調(diào)整RW可使靜態(tài)Uo為0ui1+uo-+VCCRCT1RCui2T2-VEERERLRWRR37VCC=VEE=12V

=50RE=30k

R=10k

RW=500RL=20k

解：由三極管的基極回路可知則ui1+uo-+VCCRCT1RCui2T2-VEERERLRWRR38共模負反饋電阻RE對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響，相當(dāng)于短路，放大電路的交流通路為

=50R=10k

RW=500RL=20k

IE=0.2mAui1+uo-RCT1RCui2T20.5RWRR0.5RW0.5RL0.5RL39

=50R=10k

RW=500IE=0.2mArbe=6.93k

從兩管輸入端向里看，差模輸入電阻為兩管集電極之間的輸出電阻為ui1+uo-RCT1RCui2T20.5RWRR0.5RW0.5RL0.5RL40uoui2+VCCRCT1RCT2-VEEREui1復(fù)習(xí)：雙電源長尾式差放RE越大，共模負反饋作用越強，抑制零漂效果越好，但RE越大，所需的負電源VEE值也越大。用三極管代替RE——恒流源式差放電路41三、恒流源式差放電路電路結(jié)構(gòu):R2T3R1RE-VEEIC3+VCCui2uoERCT1RCT2ui1電路特點：IC3具有恒流特性恒流源42抑制溫漂的原理T℃

IC1

IC2

IC1+IC2=IC3=IE3

UBE3

=UB3-UE3UE3

=IE3R3-VEE認為穩(wěn)定IC3

結(jié)論：IC3保持恒流，對共模信號抑制，對差模信號相當(dāng)于短路。R2T3R1R3-VEEIC3+VCCui2uoERCT1RCT2ui1IE343例：如圖電路中，VCC=VEE=12V，三極管的

均為50，RC=100k，RE=33k，R=10k，RW=200，穩(wěn)壓管的UZ=6V，R1=3k，估算靜態(tài)工作點Q和差模電壓放大倍數(shù)Ad。VDZVT3R1RE-VEE+VCCui2+uo-RCVT1RCVT2ui1RRRW44VCC=VEE=12V

=50RC=100kRE=33kR=10kRW=200R1=3kUZ=6V解：設(shè)VDZVT3R1RE-VEE+VCCui2+uo-RCVT1RCVT2ui1RRRW45

=50RC=100kRE=33kR=10kRW=200R1=3kVDZVT3R1RE-VEE+VCCui2+uo-RCVT1RCVT2ui1RRRWIBQ1=1.6AIE1=0.08mA46恒流源相當(dāng)于阻值很大的電阻。恒流源不影響差模放大倍數(shù)。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比。理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無窮大的電阻，所以共模抑制比無窮大。恒流源的作用（在電路中，為簡化起見，常用恒流源符號來表示恒流三極管）47四、差分放大電路的輸入、輸出接法1.雙端輸入、雙端輸出-VEE+VCCRCVT1RCVT2RRIuI+-+

uo-48uI+-2.雙端輸入、單端輸出-VEE+VCCRCVT1RCVT2RRI+-uo若從VT2的集電極輸出，則：493.單端輸入、雙端輸出uI+-+

uo--VEE+VCCRCVT1RCVT2RRI為“雙端輸入、雙端輸出”的特例：504.單端輸入、單端輸出-VEE+VCCRCVT1RCVT2RRIuI+-+-uo若從VT2的集電極輸出，則：為“雙端輸入、單端輸出”的特例：51結(jié)論：1.

雙端輸出時，Ad基本上與單管放大電路的Au相同，單端輸出時，Ad約為雙端輸出時的一半；2.

雙端輸出時，Ro=2RC，單端輸出時，Ro=RC；3.

雙端輸出時，理想情況下KCMR=

，單端輸出時，KCMR盡管也很高，但不如雙端輸出時高；4.

單端輸出時，可以選擇從不同的三極管輸出，從而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相；5.

單端輸入時，由于共模負反饋，兩個三極管仍基本上工作于差分狀態(tài)；6.

單、雙端輸入時，Rid

均為2(R+rbe

)。525.3.3中間級要求：1.有較高的電壓放大倍數(shù)；

2.有較高的輸入電阻；

3.向輸出級提供較大的推動電流；4.能實現(xiàn)單端雙端的轉(zhuǎn)換。53IVT1RVT2VT3VCCuoui+-+-一、有源負載放大管有源負載鏡像電流源54采用有源負載的差分放大電路VT2VT4VT3+VCCuI+-VT1-VEE放大三極管鏡像電流源VT1、VT2的有源負載I靜態(tài)時差模輸入時，若輸入端上正下負，則iC1

iC2

iC3iC4iC1iC2io且可認為當(dāng)時，可認為因為VT3、VT4組成鏡像電流源，則輸出電流55二、復(fù)合管中間級采用復(fù)合管的優(yōu)點：

iCiBiE

1

2cbeiB1iE1=iB2iC2iC1(1)電流放大倍數(shù)大；(2)提高中間級的輸入電阻；(3)前級采用集成運放時，提高集成運放總的電壓增益。56(1)兩個相同類型的三極管組成:(2)由兩個不同類型的組成:ecbecbecbecb復(fù)合原則：保證前級三極管的輸出電流與后級三極管的輸入電流的實際方向一致。外加電壓的極性應(yīng)保證三極管的發(fā)射結(jié)為正偏，集電結(jié)反偏。57采用復(fù)合管和有源負載的共射放大電路VT2VT3VT4+VCCuI+

-VT1uO+

-RIREF585.3.4輸出級對輸出級的要求：(1)提供足夠的輸出功率；(2)具有較低的輸出電阻；(3)有較高的輸入電阻。(4)有過載保護措施。一、互補對稱電路OTLOCL前面第4章已學(xué)二、由復(fù)合管組成的功率輸出級uIRb1RRb2RL-VCC+VCCuOVD1VD2VT1VT2VT4VT359大功率管VT3與VT4類型不同，很難做到特性互補對稱，可使VT3和VT4采用同一類型甚至同一型號的三極管。uIRB1RRB2RL-VCC+VCCuOVD1VD2VT1VT2VT3RC2RE1NPNPNPVT4調(diào)整功率管的靜態(tài)工作點60三、過載保護電路作用：當(dāng)負載電流超過規(guī)定值時，保護輸出級的功率管免被燒毀。常用的過載保護電路：二極管保護電路、三極管保護電路-VCCuIRB1RB2RL+VCCuOVD1VD2VT1VT2RE1RE2VD3VD4二極管保護電路61三極管保護電路-VCCuIRB1RB2RL+VCCuOVD1VD2VT1VT2VT3VT4允許功率管通過的最大電流62§5.4集成運放的典型電路5.4.1雙極型集成運放LM741（自學(xué)）5.4.2CMOS集成四運放C14573（自學(xué)）63差放電路的幾種接法R2T3R1R3-VEE+VCCui2ERC1T1RC1T2ui1T4T1T2RC2RC2RE2差分輸入雙端