Transcript 第五章集成运算放大电路

第5章
集成运算
放大电路
教学内容
§5.1
§5.2
§5.3
§5.4
§5.5
§5.6
集成放大电路的特点
集成运放的主要技术指标
集成运放的基本组成部分
集成运放的典型电路
各类集成运放的性能特点
集成运放使用中的几个具体问题
教学要求
一.重点掌握的内容：
1.差动放大电路（包括基本形式、长尾式和
恒流源式）双端输入电路Q点、Ad、Rid、Ro
的计算方法；
2.集成运放的电路组成及各部分的特点；
3.理想集成运放的特点.
二、一般掌握的内容
1.差动放大电路四种不同接法的特点；
2.直接耦合放大电路的零点漂移现象、产生的原因及
抑制方法；
3.差动放大电路单端输入电路的计算方法；
三、一般了解的内容
1.镜像电流源的工作原理和一般应用；
2.差动放大电路的共模抑制比。
§ 5.1 集成放大电路的特点
一、集成电路的分类：
1.按制造工艺：1）单片集成电路 2）混合集成电路
2.按功能：1）数字集成电路
2）模拟集成电路：集成运放、集成功放等
3.按有源器件类型：1）双极型集成电路
2）单极型集成电路
二、集成电路的特点：
集成运放是高放大倍数的直接耦合多级放大电路。
1.参数精度不高，温度影响大，但对称性好。
2.电阻：几十欧～几十千欧（不能过大和过小）。
3.有源器件代替无源器件，常用三极管代替大电阻。
4.要求电容低于几十PF，采用直接耦合方式。
5.三极管：PNP，β<10(横向）；
NPN－PNP匹配较差
§5.2 集成运放的主要技术指标
同相输入端
反相输入端
1.开环差模电压增益Aod ：(open loop voltage gain)
运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量
与输入电压的变化量之比。
U O
Aod  20 lg
U   U 
理想情况下希望Aod为无穷大。
2.输入失调电压UIO ：(input offset voltage)
输出电压为零时，在输入端所加的补偿电压。
3.输入失调电压温漂αUIO：
在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度
的变化量与温度变化量之比值。
UIO
dU IO

dT
4.输入失调电流IIo ：(input offset current)
当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差。
I IO  I B1  I B 2
5.输入失调电流温漂αIIO ：
在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的
变化量与温度变化量之比值。
 IIO
dI IO

dT
6.输入偏置电流IIB ：(input bias current)
当输出电压等于零时，运放两个输入端偏置
电流的平均值。
1
I IB  ( I B1  I B 2 )
2
7.差模输入电阻rid ：(input resistance)
输入差模信号时，运放的输入电阻。
U Id
rid 
I Id
8.共模抑制比KCMR
KCMR=20lg(Aod / Aoc) (dB)
衡量集成运放抑制温漂的能力。
9.最大共模输入电压UIcm：
(maximum common mode input voltage)
在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允
许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱
和，放大器失去共模抑制能力。
10.最大差模输入电压UIdm：
(maximum differential mode input voltage)
运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超
过此电压时,差分管将出现反向击穿。
11.－3dB带宽f H ： (-3dB band width)
Aod在高频段下降3dB所对应的频率f H。
12.单位增益带宽BWG——(unit gain bandwidth)
Aod 下降到1（0dB)时所对应的频率.
13.转换速率SR：
在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信
号时，输出电压的最大变化率。SR越大表明运放的
高频性能越好。
§5.3 集成运放的基本组成部分
偏置电路：
电路：电流源电路
特点：用来设置集成运放各级放大电路的
静态工作点。
输入级： （前置级）
电路：一个高性能的差动放大器
特点：输入电阻高，抑制温度漂移能力强，
静态电流小。
中间级： （主放大器）
电路：共射（共源）放大电路
特点：复合管做放大管，并以恒流源做集
电极负载，以提高电压放大倍数。
输出级:
电路：互补对称输出电路
特点：输出电压范围宽，输出电阻小，
非线性失真小。
§5.3.1 偏置电路
作用：向各级放大电路提供合适的偏置电流，确
定各级静态工作点。
一、镜像电流源:
1)电路组成：对称（三极管的
工艺、结构和参数都一致）
2)基准电流：
I R  I REF
VCC  U BE1

R
3)电路对称：
I C 2  I C1  I REF  2 I B  I REF  2
4)镜像电流：
∵β >>2
IC 2
IC 2

2
 I REF
 I REF (1 
)
2


2
1
∴ IC2≈IREF
1

R值确定后，IREF就确定，IC2也随之确定。
5) 特点：工作三极管集电极电流是电流源电路
的镜像（电流相等）。
适用于较大工作电流的场合（mA级 )
二、比例电流源:
在镜像电流源电路的基础上，
增加两个发射极电阻，使两个发
射极电阻中的电流成一定的比例
关系，即可构成比例电流源。
因两三极管基极对地电位相等，因此有：
U BE1  I E1  Re1  U BE 2  I E 2  Re 2
∵UBE1≈UBE2
忽略基极电流有：
比例电流源
∴IE1Re1≈IE2Re2
I C 2 Re1

I C1 Re 2
IC 2
Re1

I REF
Re 2
三、微电流源:
通过接入Re 电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流
源，适用于微功耗的集成电路中。
引入Re后将使UBE2<UBE1,可得
UBE1-UBE2=IE2Re≈IC2Re
根据二极管方程 I  I (e
C
S
U BE
UT
 1)  I S e
U BE
UT
则 U  U  U (ln I C1  ln I C 2 )  I R
BE1
BE 2
T
C2 e
I S1
设
I S1  I S 2
有
U T ln
I C1
 I C 2 Re
IC 2
IS2
其中UT=26mV
与镜像电流源比较，微电流源的特点：
1. 提高了恒流源对电源变化的稳定性。
2. 提高了恒流源对温度变化的稳定性。
3. 由于Re引入了电流负反馈，微电流源的输出
电阻比VT2本身的输出电阻（rce)要高得多。
四、多电流源:
通过一个电流源
稳定多个三极管
的工作点电流，
即可构成多路电
流源，图中一个
基准电流IREF可
获得多个恒定电
流IC2、IC3…
五、电流源作有源负载:
放大电路在共射（共源）放
大电路中，为了提高电压放大
倍数的数值，行之有效的方法
是增大集电极电阻Rc（或漏极
电阻Rd).
R
A  
r
然而，为了维持晶体管（场效应管）的静态电流不变，在
L
增大Rc(Rd）的同时必须提高电源电压。当电源电压增大到
u
一定程度时，电路的设计就变得不合理了。
be
集成运放中，常用电流源电路取代Rc(Rd)，这样，在电源
电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信
号又可得到很大的等效的Rc(Rd）。
例5.3.1
§5.3.2 差分放大输入级
直接耦合放大电路的零点漂移现象：
零点漂移：直接耦合放大电路的输入端短路（ui=0）时，
输出电压却不为零，这种现象称零点漂移（或温度漂
移）。
原因：主要是三极管的温度漂移。
克服零点漂移的主要方法是采用差分放大电路。
1、基本形式差分放大电路
（1） 电路组成：由对称的两个基本放大电路组成，
对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数
对应相等。
即：1=2=
UBE1=UBE2= UBE
rbe1= rbe2= rbe
ICBO1=ICBO2= ICBO
RC1=RC2= RC
Rb1=Rb2= Rb
R1=R2
（2）差模信号和共模信号
差模信号uId
共模信号uIC
在差分放大电路
是指在两个
的两个输入端加上任
输入端加上幅度
意大小、任意极性的
相等，极性相同
的信号。
输入电压u
I1和uI2，则
差模输入电压
共模输入电压
是指在两个
输入端加上幅度
相等，极性相反
的信号。
共模信号和差模信号示意图
uId  uI 1  uI 2
1
u Ic  (u I 1  u I 2 )
2
两个输入端电压：
u Id
u I 1  u Ic 
2
u Id
u I 2  u Ic 
2
输出端电压：
uo  Aud uId  AucuIc
uod
Aud 
u Id
uoc
Auc 
u Ic
(3)差分放大电路的工作原理
对共模信号有抑制作用：电源电压波动、外界干扰、
温度变化引起的电路内部电流及电位的变化，均可认为
是共模信号。
输入信号为零时:
iC1=iC2 uO1=uO2
uo=uo1－uo2=0
温度变化引起：
△共模电压放大倍数:
iC1=△iC2
△uo1=△uo2
uo
Auc 
0
uuIco1) －(uo2+ △uo2)=0
uo=(uo1+ △
对差模信号有放大作用：
差模信号（有用
的信号）输入时，由
于输入端信号大小相
等，方向相反，因此，
若△iC1↑,则△iC2↓。
uO=(uO1+△uO1) －(uO2－△uO2)=2△uO1
求差模电压放大倍数：
uO  uC1  uC 2
1
1
ui  u Id  u Id  u Id
2
2
两边电路参数对称
Au1=Au2
则有：
1
1
uC1  Au1  u Id  Au1  u Id
2
2
uo  uC1  uC 2  Au1uId
1
1
uC 2  Au 2  ( u Id )   Au 2 u Id
2
2
uo Au1u Id
Aud 

 Au1
ui
u Id
(4)共模抑制比KCMR
K CMR
Aud

Auc
(Common Mode Rejection Ratio）
或
基本差分放大电路： K CMR
K CMR
Aud
 20 lg
Auc
Aud
Au1



Auc
0
共模抑制比越大说明电路对零漂的抑制能力越强。
(5)该电路存在的缺点:
不易保持电路的对称性，单管仍存在零点漂移，
两个三极管输出端的温漂不可能完全抵消。为了减小
每管的零漂，采用长尾式电路。
2、长尾式差分放大电路
(1)电路组成：
添加Re，似尾巴，称长
尾式差分放大电路。添
加负电源VEE，去掉Rb。
双端输入，
双端输出
Re和-VEE的作用：
静态时：
IRe=IE1+IE2=2IE
∴URe=IReRe=2IERe
=IE(2Re )
差模信号输入时:两管获得大小相等，极性相反的信号，
相当于单管电流流过2R
所产生的电压。负反馈
e
↓
ReI越大，负反馈越显著，抑制作用越强，
C1
即△IE1=－△IE2，因此，Re上无交流信号。
作用增强。
I C1 ↓,工作电流变小，电路不能正常
I E1 
U BE1  I B1 

但U
↑会使U
BE
T c E 对差模信号Re可视为短路。
I E  I Re  U E 
I C 2  I E 2 
U BE 2  I B 2 
工作，因此应加－V
。－V
和R
提供基极偏置电
e
EE
EE
IC2↓
流,不再需要Rb。
Re对零点漂移有很强的抑制作用。
（2）静态分析:
由于电路完全对称，因此两管
的静态工作点相同。
0  I BQ1  R1  U BEQ1  2 I EQ1 Re  VEE
I BQ1 
VEE  U BEQ1
R1  2(1   ) Re
I CQ1   I BQ1
UCQ1=VCC－ICQ1RC1
UBQ1=－IBQ1R1
UEQ1=UBQ1－UBEQ1
UCEQ1=UCQ1－UEQ1=VCC－ICQ1RC1+IBQ1R1+UBEQ1
∴Re、VEE确定后，工作点就确定了。
（3）动态分析:
分析一边的单管电路即可，
注意公共元件的处理。
RL中点为交流地电位，每边
负载RL/2，Re对差模信号短
路。
1)差模电压放大倍数:
RL
Rc //
U od1
2
Aud1 
 
U id1
R  rbe1
RL
Rc //
U od 2
2
Aud 2 
 
U id 2
R  rbe2
U od1  U od 2 2U od1
Aud 

 Aud1  Aud 2 单管放大倍数
U id1  U id 2 2U id1
2）差模输入电阻：Rid=2(R+rbe)
3）差模输出电阻：Ro=2Rc
单管的2倍
单管的2倍
例5.3.2 为了在两侧参数不完全对称的情况下，能使
静态时的Uo为0，常接入调零电位器Rw.
解：1）求静态工作点
RW
0  I BQ  R  U BEQ  I EQ (
 2 Re )  VEE
2
I BQ 
VEE  U BEQ
R  (1   )( 2 Re  RW / 2)
I CQ  I BQ
UCQ=VCC-ICQRC
UBQ=－IBQR
2）求动态参数：
26(mV )
rbe  rbb  (1   )
I E (mA )
Aud  Aud1   
RL
Rc //
2
RW
R  rbe  (1   )
2
RW
Rid  2 Rid1  2[ R  rbe  (1   )
]
2
Rod=2Rc
3、恒流源式差分放大电路
Re越大，抑制零点漂移的效果越好。但Re过大，会
导致：
若VEE一定，则IE↓→IB↓,非线性失真大
若IE一定，VEE要大大增大。
并且在集成电路中制作大电阻较困难。因此，
用恒流源代替Re，既能起到大电阻的作用，又不需
很高的负电源电压。
简化电路
恒流源式差分放大电路
静态分析： U Rb1  Rb1 (VCC  VEE )
Rb1  Rb 2
1
I CQ1  I CQ 2  I CQ 3
2
I CQ1
I BQ1  I BQ2 
1
I CQ 3  I EQ3 
U Rb1  U BEQ3
UCQ1=UCQ2=VCC－ICQ1Rc1
U BQ1  U BQ 2   I BQ1 R
Re
恒流源式差分放大电路
简化电路
动态分析：
恒流源相当于一个阻值很大的长尾电阻，交流
通路中短路，动态参数同长尾式电路。
例5.3.3 解：
①求静态工作点：
I CQ 3  I EQ3 
I CQ1  I CQ 2
U Z  U BEQ3
Re
1
 I CQ 3
2
UCQ1=UCQ2=VCC－ICQ1Rc1
I BQ1  I BQ2 
I CQ1
1
U BQ1  U BQ 2   I BQ1 R
②求Ad：
26(mV )
rbe  rbb  (1   )
I E (mA )
Aud  Aud1   
Rc
RW
R  rbe  (1   )
2
4、差分放大电路的输入、输出接法
一、双端输入，双端输出
二、双端输入，单端输出
三、单端输入，双端输出
四、单端输入，单端输出
差分放大电路四种接法的性能比较见表5－1
结论：
1）差模电压放大倍数:双端输出时，Aud与单管放大电路的电
压放大倍数相同；单端输出时，Aud约为双端输出时的一半。
2）输入电阻：不论是单端输入还是双端输入，差模输入电
Rid  2Rs  rbe 
阻Rid是基本放大电路的两倍。
3）输出电阻：单端输出时Ro=Rc;双端输出时Ro=2Rc。
4）单端输出时的共模抑制比不如双端输出时高。
5）单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电
压与输入电压反相或同相。
§5.3.3 中间级
中间级的主要任务：提供足够大的电压放大倍数。
集成运放的中间级经常利用三极管作为有源负
载，并且常常采用复合管的结构形式。
1.有源负载：
利用有源负载代替负载电阻Rc，可获得较高的电
压放大倍数。
2.复合管：
中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流
放大倍数β，而且能够大大提高本级的输入电阻。
有源负载
复合管
VT3、VT4组成镜像电流源，作为偏置电路。
采用有源负载的差分放大电路：
输入差模信号时，iC1
增大，iC2则减小，即
△ iC1= -△ iC2。VT3、
VT4构成镜像电流源，
当β足够大时， △
iC4= △ iC1，因此△
iC2= -△ iC4。
io  iC 4  iC 2  2iC 4
电路虽然采用单端接法，却可以得到双端输出电流的变化量。
§5.3.4 输出级
输出级的主要任务：提供足够的输出功率以满足负载
的需要，还应具有较低的输出电阻以增强带负载能力。
1.互补对称输出级
2.过载保护电路
IE1
URe1
过载保护电路
VT3导通，分得一部分IB1
§ 5.4 集成运放的典型电路
§5.4.1 双极型集成运放LM741
VT8~VT13及电阻R4、
R5等元件构成偏置电路
镜像电流源
镜像电流源
微电流源
VT1、VT2共集组态，双
端输入，具有较高的差模
输入电阻
VT3、VT4共基组态，
具有电压放大作用。
与VT1、VT2构成共集
－共基差分放大电路。
VT5、VT6充当
有源负载
VT7与R2组成射极输出器，给VT5、VT6提
供偏流，同时将VT3集电极电压的变化传
递到VT6基极,使得在单端输出条件下仍能
得到相当于双端输出的电压放大倍数，并
使得VT3、VT4 的集电极负载趋于平衡。
输入级电路
输入级简化电路
防自激振荡
VT16、VT17组成复
合管，作中间级，
VT13作有源负载
过流保护
VT14与
VT20构
成互补
对称电
路。
VT15和电阻R7、R8为功
率管提供静态基流，使电
路工作在甲乙类状态，以
减小交越失真。
同相输入端
(positive)
反相输入端
(negative)
国标符号与
国际流行符号
§5.4.2 CMOS集成四运放C14573
§ 5.5 理想运算放大器
§5.5.1 理想运放（指标理想化 P279）
uo
理想特性
+UOPP
实际特性
u+－u－
O
－UOPP
集成运放的传输特性
非线性区
线性区
§5.5.2 理想运放工作在线性区时的特点
理想运放工作在线性区时,输出电压与
两个输入电压间存在线性放大关系.
uo=Aod(u+－u- )
虚短: u+=u-
特点:
（∵ Aod ＝∞）
(理想运放的差模输入电压等于零)
虚断: i+ = i- = 0
(∵ rid＝∞）
(理想运放的输入电流等于零）
§5.5.3 理想运放工作在非线性区时的特点
特点：
1. uo=
+UOPP
(u+>u- )
－UOPP (u+<u- )
2. 虚断： i+ = i- = 0
(理想运放的输入电流等于零）
集成运放的Aod值通常很高，所以线性
放大的范围很小。
如：F007的 UOPP=±14V
Aod≈2×105
U OPP
 14
u  u 



70

V
5
Aod
2 10
为了保证集成运放工作在线性区，
必须引入深度负反馈
第5章
结
束