第四章集成運算放大電路

1、 第四章 集成運算放大電路（器）41集成運算放大電路概述一、集成電路的定義和分類1定義將一個具有一定功能的電路的所有元件或絕大部分元件，以及元件之間的連線，集中制作在同一塊半導體基片上所形成的電路，叫集成電路。電路中所用的電感、大容量電容和高阻值電阻元件為外接元件。集成電路芯片用絕緣材料封裝后，靠引腳對外連接（電源、地、以及外接元件）。2分類（1）按所處理信號的性質(zhì)角度分類 模擬集成電路 數(shù)字集成電路（2）模擬集成電路的分類 集成運算放大器 集成電壓比較器 集成功率放大器 集成中頻放大器 集成高頻放大器 集成穩(wěn)壓電源······二、集

2、成運算放大器的電路實質(zhì)和基本功能1電路實質(zhì) 電路實質(zhì)是一個高增益的多級直接耦合放大電路。每一級多為差分放大電路。由于是直接耦合放大電路，故既可以放大直流信號也可以放大交流信號。幅頻特性如圖所示。fL=0，fH一般在MHz數(shù)量級圖411 集成運放幅頻特性由于增益很高，則在線性應(yīng)用中需要外接深度負反饋網(wǎng)絡(luò)。負反饋網(wǎng)絡(luò)的不同使電路可以實現(xiàn)各種功能。2集成運算放大器的基本功能（1）信號運算比例、 加、減、乘、除、指數(shù)、對數(shù)、積分、微分等。（2）信號放大 反相放大（反相比例）、同相放大（同相比例）、差分放大。（3）信號產(chǎn)生 正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、矩形波發(fā)生器、三角波發(fā)生器等。（4）信號比較 （模擬）

3、電壓比較器（5）信號變換 將正弦波變換為三角波、梯形波；將方波變換為三角波、鋸齒波等。三、集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點 自學書P171P172四、集成運放的電路組成1 內(nèi)部電路組成框圖uoui偏置電路輸出級中間級輸入級 圖412 內(nèi)部電路框圖2.各部分的作用（1）輸入級 輸入級又稱前置級。采用雙端輸入，接收輸入信號。 特點：輸入電阻高，差模電壓放大倍數(shù)大，抑制共模信號的能力強。（2）中間級 一般是兩級以上的差分放大電路。 特點：起整體電路的主要放大作用，電壓放大倍數(shù)可達千倍以上。為了提高電壓放大倍數(shù)，電路常用復(fù)合管作放大管，或放大電路為有源負載放大電路。（3）輸出級 單端輸出。輸出級就是功率放大級。

4、功放電路將在第九章介紹。輸出級的常見電路可參見書P159P161。 特點：輸出電阻?。措娐穾ж撦d的能力強），動態(tài)范圍寬（屬大信號放大）。多采用互補對稱（輸出）電路。（4）偏置電路 偏置電路為內(nèi)部各級放大電路提供靜態(tài)偏置，即提供偏置電流。 特點：由于各級放大電路的靜態(tài)電流較小，若采用第二章介紹的偏置電路，則偏置電阻的阻值較大，一般超過100k以上，而如此高阻值的電阻在集成電路內(nèi)部制作起來很困難，故偏置電路（除輸出級以外）采用特殊電路電流源電路。 42集成運放中的電流源電路集成運放內(nèi)部的偏置電路或有源負載放大電路中的有源負載多為電流源電路。一、基本電流源電路1鏡像電流源圖421（1）原理電路IC

5、1作為輸出，對外電路提供穩(wěn)定電流源，用來作為外電路的偏置電流。（2）原理分析IC1與IR的關(guān)系基準電流IR：IR=由于T0、T1制作在同一硅片上且相鄰，則兩管參數(shù)一致。又由于在電路中兩管發(fā)射結(jié)電壓相等。則IB0=IB1=IB;IC0=IC1=IC (0=1=)對A點來說，有：IC0=IR2IB=IR2所以IC0=IR×即IC1=IC0=當2時，IC1IR=即輸出電流IC1與基準電流IR近似相等，它們之間如同鏡像關(guān)系。由式可見，在VCC一定時，通過改變R可使輸出電流IC1的大小改變。 電路的溫度補償作用TIC0(IC1)IRURUBEIBIC1 所以IC1基本不變。 缺點若要求IC1很

6、小時，則R的阻值必然很大，這在集成電路中很難制作。所以，上述電路作為輸出較大mA級的電流源。如果需要輸出電流為較小mA級，則電路采用下面介紹的比例電流源。2比例電流源圖422（1）原理電路可作為輸出較小mA級電流源電路。(2) 原理分析 基準電流IRIR （認為IRIC0IE0） 輸出電流IC1與IR的關(guān)系UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1取UBE0UBE1,則IE0Re0IE1Re1那么IE1IE0 （將IE代入）有IC1IC0而IC0=IR-(IB0+IB1) IR所以IC1IR由式可見，在IR、Re0一定時，通過改變Re1就可實現(xiàn)對IC1的改變。3微電流源偏置電流在mA數(shù)量級

7、的差分電路，可以用上述兩種電流源提供偏置電流。而集成運放內(nèi)部有些級的偏置電流（如輸入級）往往在A數(shù)量級。如果仍采用上述兩種電流源來提供偏置電流，則基準電流部分電路中電阻R的阻值將很大，可能達到M數(shù)量級。而阻值很大的電阻在集成電路內(nèi)部很難制作。為此，偏置電流在A數(shù)量級的差分電路，由微電流源來提供偏置電流。（1）原理電路作為A數(shù)量級輸出的電流源。 圖423 微電流源原理電路（2）原理分析 基準電流IRIR= 輸出電流IC1與IR的關(guān)系IC1IE1= *1由于（UBE0-UBE1）只有幾十毫伏，因此只要幾千歐的Re就可使IC1為A數(shù)量級。IC1與IR關(guān)系的推導：由二極管特性方程，對三極管發(fā)射極來說有

8、：IE=IS(eUBE/UT1)。在UBE>>UT時近似為IEeUBE/UT。那么兩管發(fā)射極電流分別為IE0eUBE0/UT ，IE1eUBE1/UT ， 則=e(UBE0UBE1)/UT 兩端取對數(shù)，整理得：UBE0UBE1UTln代入*1式，得IC1ln注意到IE0IC0=IRIB0IB1IR所以，IC1ln此式是超越方程，可通過圖解法求解IC1。但在設(shè)計中一般先確定IR和IC1數(shù)值，利用上式求出Re。二、改進型電流源1多路電流源（1）多路鏡像電流源 圖424 多路鏡像電流源IC1=IC2=IC3=IC0=IR而IR=（2）多路比例電流源 IE0Re0=IE1Re1=IE2Re

9、2=IE3Re3(設(shè)UBE0=UBE1=UBE2=UBE3)而IE0IC0=IR4IBIR可見在IR和Re0一定時，通過改變Re1、Re2、Re3就可改變各自電流源的輸出電流IC1、IC2、IC3（IC1IE1,IC2IE2, IC3IE3）。2.加射極輸出器的電流源（又叫精密電流源）（1）原理電路目的：使IC1、IC0與IR近似程度提高，公式推導可由學生自學，直接給結(jié)論。 圖425 加射極輸出器的電流源（2）IC1與IR的關(guān)系加入T2的目的是減小基極電流IB0、IB1對基準電流IR的分流，從而使IC1=IC0IR(較前述鏡像電流源的近似程度更高)。T0、T1、T2為集成電路中鄰近的管子，它們

10、的特性完全相同，則012。又由于UBE0=UBE1，則IB1=IB0。那么有IC1=IC0=IRIB2=IR=IR整理得：IC1=IR當1，如10時，IC10.982IR實際中有時加入電阻Re2，用來增大T2的工作電流，從而提高T2的。則在IB0=IB1，即2IB1IE2值確定時，IB2值更小，則IC0=IC1與IR的近似程度更高。3威爾遜電流源（1）原理電路目的：使IC2與IR近似程度更高，公式推導可由學生自學，直接給結(jié)論。IC2為電流源輸出電流 圖426 威爾遜電流源（2）IC2與IR關(guān)系 T1的ce間電阻作為T2的發(fā)射極電阻，由于rce1很大，則T2的IC2IE2很穩(wěn)定。定量討論：T0、

11、T1、T2在集成電路內(nèi)部位置很近，故特性相同，則012，IB0=IB1=IB,IC0=IC1=IC。A點電流方程：IE2=IC2IB=IC整理得：IC=IE2=IC2=IC2B點電流方程：IR=IB2IC= IC2= IC2則IC2=(1)IRIR當10時，IC20.984IR4.多集電極構(gòu)成的多路電流源（1） 原理電路 圖427 多集電極電流源（2）輸出電流源IC1、IC2與基準電流IR得關(guān)系 IC0與IR的關(guān)系IR由節(jié)點電流方程，有：IRIBIC0給出IB與IC0的關(guān)系，則求出IC0與IR的關(guān)系：IB，則IRIC0，則IC0IR 輸出電流與IR的關(guān)系多集電極管屬于橫向管，在基極電流一定時集

12、電極電流之比等于它們集電區(qū)面積之比，即：, ，即IC1IC0，IC2IC0給出集電區(qū)面積之比，在同一IR下，由于集電區(qū)面積不同則IC1、IC2、IC3不同，分別提供不同偏置電流的差分放大電路。5MOS管多路電流源三、以電流源為有源負載的放大電路所謂有源負載就是用處在放大（導通）狀態(tài)的晶體管或場效應(yīng)管作為放大電路的集電極負載電阻RC。由于晶體管或場效應(yīng)管為有源元件，故這種放大電路叫做有源負載放大電路。有源負載放大電路，可以在VCC不太高的情況下，使放大電路的放大倍數(shù)大大提高（因Au與RC成正比）。1有源負載共射放大電路（1）原理電路 圖428 有源負載共射放大電路T2、T3、R組成鏡像電流源，即

13、IC2為IR的鏡像。T2作為T1的集電極負載電阻有源負載。故T1稱為有源負載放大電路。（2）工作原理 靜態(tài)工作點的計算在不接RL或RL阻值很大時，ICQ1=ICQ2。而ICQ2=，IR=則ICQ1=ICQ2=·應(yīng)注意：.T1的靜態(tài)基極電流IBQ1由ui中的直流分量提供，其值為。 .這種電路UCEQ1無需計算。 電壓放大倍數(shù)考慮rce1、rce2的微變等效電路為： 圖429 微變等效電路 u=可見，其值遠大于普通的共射放大電路的Au值。但當RL(rce1/rce2)時 u=其值大于普通共射放大電路的Au值（普通放大電路Au式分子為（RC/RL）。2有源負載差分放大電路 圖4210 有源

14、負載差分放大電路（2）工作原理分析 靜態(tài)分析IEQ1=IEQ2=，ICQ1=ICQ2 而ICQ1又作為T3、T4鏡像電流源的基準電流IR。由前述知識，當32時，ICQ3=ICQ4IR=ICQ1。則ioICQ4ICQ2ICQ1ICQ2=0。即靜態(tài)時RL上無電流通過，則uo=0。 動態(tài)分析.動態(tài)輸出（注意：電路是單端輸出）： 輸入差模信號ui，根據(jù)差分放大電路工作特點，則ic1=ic2。而ic3ic1。由于鏡像則有ic4=ic3ic1，那么io=ic4ic2ic1ic2=ic1(ic1)=2ic1可見，輸出電流是普通單端輸出時的2倍，因而電壓放大倍數(shù)接近雙端輸出時的情況。.互導放大倍數(shù) iu=.電

15、壓放大倍數(shù) u= =iu(rce4/rce2/RL)= (rce4/rce2/RL)數(shù)值大于普通單端輸出差分放大電路的ub）。當RL>>（rce4/rce2）時 u43 集成運放電路簡介 自學44集成運放的性能指標及低頻等效電路一、集成運放的主要性能指標 自學書P189P191二、理想集成運放的低頻等效電路及其主要性能指標1符號 圖441 集成運放的電路符號2 低頻等效電路圖442 低頻等效電路3主要性能指標（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod= (實際在105及其以上)(2) 共模抑制比 KCMR=（3）差模輸入電阻 rid= （實際在M數(shù)量級） (4) 輸出電阻 ro=0 （實際為幾十） (5)3dB帶寬 （fL=0,fH=） （實際在kHz，或MHz）三、理想運放工作在線性區(qū)、非線性區(qū)的重要特點1工作在線性區(qū)的兩個重要特點 因uo=Aod(u+u-)，而Aod=，則（1）u+>u-時，uo=+Uopp(+UOM) （近似為VCC或V） u+>u-時，uo=-Uopp(-UOM) (近似為VEE或V)(2) 因rid=，則i+=