第四章集成運算放大電路

1、第四章 集成運算放大電路一、概述二、集成運放中的電流源電路三、集成運放電路分析四、集成運放的主要性能指標五、集成運放的種類電子信息工程學院電子信息工程學院一、一、概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。用差分放大電路和電流源電路。（2 2）用復雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路復雜）用復雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路復雜并不增加制作工序。并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。作的大電阻。（4 4）采用

2、復合管。）采用復合管。 1. 集成運放的特點集成運放的特點 集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。電子信息工程學院電子信息工程學院2. 集成運放電路的組成集成運放電路的組成兩個兩個輸入端輸入端一個一個輸出端輸出端 若將集成運放看成為一個若將集成運放看成為一個“黑盒子黑盒子”，則可等效為，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。電子信息工程學院電子信息工程學院集成運放電路四個組成部分的作用集

3、成運放電路四個組成部分的作用前置級，多采用差分放大電路。要求前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，輸入端耐壓高。小，輸入端耐壓高。主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。的放大能力。功率級，多采用準互補輸出級。要求功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最小，最大不失真輸出電壓盡可能大。大不失真輸出電壓盡可能大。為各為各級放大電路設置級放大電路設置合適的靜態(tài)工作合適的靜態(tài)工作點。采用電流源點。采用電流源電路。電路。電子信息工程學院電子信息工程學院3. 集成運放的符號和電壓傳輸特性集成運放的符號和電壓傳輸特性 uO=

4、f(uP-uN) 由于由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線非線性區(qū)性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時，的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是集成運放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。，即集成運放工作在非線性區(qū)。電子信息工程學院電子信息工程學院二、集成運放中的電流源電路二、集成運放中的電流源電路1. 鏡像電流源鏡像電流源（Cur

5、rent Mirror）T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，則若在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。在電流源電路中充分利用集成運放中晶體管性能的一致性。電路中有負電路中有負反饋嗎？反饋嗎？基準電流基準電流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III電源電源VCC通過電阻通過電阻R和和T1管產(chǎn)生一個基準電流管產(chǎn)生一個基準電流IREF，電子信息工程學院電子信息工程學院受受 的影響大；的影響大； 與與 的鏡像精度決定于晶體管的鏡像精度決定于晶體管1CICCVRI缺點：缺點：1CIR 做不到很小

6、，因為集成電路中難以制作高阻值電阻做不到很小，因為集成電路中難以制作高阻值電阻 ；1CI 做不到很大，因為集成電路中做不到很大，因為集成電路中R R功耗增大；功耗增大；鏡像電流源具有一定鏡像電流源具有一定的溫度補償作用。的溫度補償作用。增強型增強型MOSMOS管構(gòu)成的鏡像電流源管構(gòu)成的鏡像電流源電子信息工程學院電子信息工程學院2. 2. 比例電流源比例電流源特性相同，01,T T000111BEEeBEEeUIRUI RlnEBETSIUUI0011lnEBEBETEIUUUI當 時，20011,CERCEIIIII01111lneTRCReeCRUIIIRRI00CCBEReVUIRR其中，

7、011eCReRIIR比例電流源具有較高的溫度穩(wěn)定性。比例電流源具有較高的溫度穩(wěn)定性。 電子信息工程學院電子信息工程學院 3. 微電流源微電流源 要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBE)(E1E0SEe eUUUUUIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E設計過程很簡單，首先確定設計過程很簡單，首先確定IE0和和IE1，然后選定，然后選定R和和Re。超越超越方程方程Re電子信息工程學院電子信息工程學院當三極管的電流放大系數(shù)當三極管的電流放

8、大系數(shù)較小時，基極電流就不能忽略，前面三個電流等較小時，基極電流就不能忽略，前面三個電流等式不成立，因此為了減小因式不成立，因此為了減小因小而造成的誤差。小而造成的誤差。 4. 4. 改進型的鏡像電流源改進型的鏡像電流源一、加射極輸出器的電流源（利用一、加射極輸出器的電流源（利用 管電流放大作用，管電流放大作用，減小電流減小電流 和和 對電流對電流 的分流。）的分流。）0BI1BIRI2TT0，T1，T2特性相同。特性相同。1=2=0=, IB1=IB0=IB，UBE1=UBE0，因此輸出電流因此輸出電流 ：電子信息工程學院電子信息工程學院20121112211ECCRBRCBRRIIIIII

9、IIII整理后得 121(1)RCRIII 若若=10，代入上式可得，代入上式可得IC10.982IR，說明當，說明當很小，很小， IC1IR。輸出。輸出電流電流IC1也與基準電流也與基準電流IR保持良好的鏡像關(guān)系，保持良好的鏡像關(guān)系，電子信息工程學院電子信息工程學院 5. 5. 威爾遜電流源威爾遜電流源T T1 1、T T2 2、T T0 0管特性完全相同。（管特性完全相同。（ 管的管的c-ec-e串聯(lián)在串聯(lián)在 管的發(fā)射極，管的發(fā)射極，作用與典型工作點穩(wěn)定電路中作用與典型工作點穩(wěn)定電路中 相同。因為相同。因為c-ec-e間等效電阻非常大，間等效電阻非常大，所以可使所以可使 高度穩(wěn)定。高度穩(wěn)定

10、。這種電流源的輸出電流基本上等于參考這種電流源的輸出電流基本上等于參考電流，對電流，對值不是很敏感。值不是很敏感。1T2TeR2CI222CECBCIIIIIA：B：22212CRBCCIIIII222(1)22CRRIII222222CI電子信息工程學院電子信息工程學院 6. 多路電流源多路電流源（1 1）基于比例電流源的多路電流源）基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為因為UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE

11、1Re1 IE2Re2 IE3Re3電子信息工程學院電子信息工程學院（2 2）多集電極管構(gòu)成的多路電流源）多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。設三個集電區(qū)的面積分別為設三個集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則，則02C0C201C0C1SSIISSII，電子信息工程學院電子信息工程學院（3 3）MOS管多路電流源管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。 MOS管的漏極管的漏極電流正比于溝道電流正比于溝道的寬長比。的寬長比。 設寬長比設寬長比W/L=S，且，且T1T4的寬長比分別為的寬長比分別

12、為S0、S1、S2、S3，則，則03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基準電流基準電流電子信息工程學院電子信息工程學院 【例例】圖所示電路為串級電流源，已知圖所示電路為串級電流源，已知UBE=0.6V， 試求輸出電流試求輸出電流Io。 解解:mARUUUIUUURIBEBECCREFCCBEBEREF38. 1106 . 02154141mAIIREFo38. 1圖3-22V4IREF UCC(15V)V3RV2Io IC2V110 k電子信息工程學院電子信息工程學院電流源主要應用：做直流偏置電路、做有源負載。電流源主要應用：做直流偏置電路、做有源負載。（以電流源取代電

13、阻做放大電路的負載，稱為有源負載。（以電流源取代電阻做放大電路的負載，稱為有源負載。利用電流源直流電阻小、交流電阻大的特性，可在不提高利用電流源直流電阻小、交流電阻大的特性，可在不提高電流電壓的條件下獲得較高的電壓增益和較寬的動態(tài)范電流電壓的條件下獲得較高的電壓增益和較寬的動態(tài)范圍。）圍。）電子信息工程學院電子信息工程學院 7. 有源負載有源負載1）用于共射放大電路）用于共射放大電路哪只管子為放大管？哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時靜態(tài)時UIQ為多少？為多少？為什么要考慮為什么要考慮 h22?be1bLce2ce11)( rRRrrAu電子信息工程學

14、院電子信息工程學院（2）用于差分放大電路）用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何設置靜態(tài)電流？如何設置靜態(tài)電流？靜態(tài)時靜態(tài)時iO約為多少？約為多少？動態(tài)時動態(tài)時iO約為約為多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出電路使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。的差模放大倍數(shù)。0 C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動態(tài)：動態(tài)：電子信息工程學院電子信息工程學院 三、集成運放電路分析 1. 讀圖方法讀圖方法了解要分析的電路的應用場合、用途

15、和技術(shù)了解要分析的電路的應用場合、用途和技術(shù)指標。指標。將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。電路。定性分析每一部分電路的基本功能和性能。定性分析每一部分電路的基本功能和性能。電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。能和性能。必要時可估算或利用計算機計算電路的主要必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。電子信息工程學院電子信息工程學院 2. 舉例：舉例：型號為型號為F007的通用型集成運放的通用型集成運放 對于集成運放電路，

16、應首先找出偏置電路，然后根據(jù)信對于集成運放電路，應首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。電子信息工程學院電子信息工程學院 若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。這個電流往往是偏置電路中的基準電流。找出偏置電路電子信息工程學院電子信息工程學院雙端輸入、單端雙端輸入、單端輸出差分放大電輸出差分放大電路路以復合管為放大管、以復合管為放大管、恒流源作負載的共恒流源作負載的共射放大電路射放大電路用用UBE倍增電路消倍增電路消除交越

17、失真的除交越失真的準準互補輸出級互補輸出級三級放大電路三級放大電路簡簡化化電電路路分分解解電電路路電子信息工程學院電子信息工程學院輸入級的分析輸入級的分析 T3、T4為橫向為橫向PNP型管，輸型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。幅值大。共基形式頻帶寬。共集共集-共基形式共基形式Q點的穩(wěn)定：點的穩(wěn)定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9與與IC8為鏡像關(guān)系為鏡像關(guān)系IC9因為因為IC10不變不變IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2從基極輸入、射極輸出從基極輸入、射極輸出T3

18、和和T4從射極輸入、集電極輸出從射極輸入、集電極輸出電子信息工程學院電子信息工程學院輸入級的分析輸入級的分析T7的作用：的作用：抑制共模信號抑制共模信號 T5、T6分別是分別是T3、T4的有源負的有源負載，而載，而T4又是又是T6的有源負載。的有源負載。作用？作用？+_放大差模信號放大差模信號+_特點：特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對“地地”輸出）。輸出）。電子信息工程學院電子信息工程學院中間級的分析中間級的分析 中間級是主放大器，它中間級是主放大器，它所采取的一切

19、措施都是為所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。了增大放大倍數(shù)。 F007的中間級是以復合的中間級是以復合管為放大管、采用有源負管為放大管、采用有源負載的共射放大電路。由于載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。部流入輸出級。中間級中間級輸出級輸出級電子信息工程學院電子信息工程學院輸出級的分析輸出級的分析D1和和D2起過流保護作用，未過起過流保護作用，未過流時，兩只二極管均截止。流時，兩只二極管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1導通，導通，為為T14基極分流，從而保

20、護基極分流，從而保護了了T14。準互補輸出級，準互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。倍增電路消除交越失真。中間級中間級輸出級輸出級電流采樣電阻電流采樣電阻特點：特點：輸出電阻小輸出電阻小最大不失真輸出電壓高最大不失真輸出電壓高電子信息工程學院電子信息工程學院判斷同相輸入端和反相輸入端判斷同相輸入端和反相輸入端電子信息工程學院電子信息工程學院F007所具有的高性能所具有的高性能 Ad較大：放大差模信號的能力較強較大：放大差模信號的能力較強 Ac較?。阂种乒材Ｐ盘柕哪芰^強較?。阂种乒材Ｐ盘柕哪芰^強 rid較大：從信號源索取的電流小較大：從信號源索取的電流小 ro?。簬ж撦d能力強?。簬ж撦d能

21、力強 Uom大：其峰值接近電源電壓大：其峰值接近電源電壓 輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大。差模電壓大。 uIcmax大：接近電源電壓大：接近電源電壓電子信息工程學院電子信息工程學院四、集成運放的主要性能指標四、集成運放的主要性能指標 開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurcodCMRlg20AAK電子信息工程學院電子信息工程學院四、集成運放的主要性能指標四、集成運放的主要性能指標 輸入失調(diào)電壓輸入失

22、調(diào)電壓UIO mV 0UIO的溫漂的溫漂dUIO/dT() 幾幾V/ 0輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 20nA 0IIO的溫漂的溫漂dIIO/dT() 幾幾nA/ 0 使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。B2B1IOIII電子信息工程學院電子信息工程學院四、集成運放的主要性能指標四、集成運放的主要性能指標 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UIcmax 13V-3dB帶寬帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。能正常放大差模信號時容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓最大差模輸入電

23、壓 UIdmax 30V超過此值輸入級差分管將損壞。超過此值輸入級差分管將損壞。上限截止頻率。上限截止頻率。maxOddtuSR 對大信號的反應速度對大信號的反應速度為什么這么低？為什么這么低？電子信息工程學院電子信息工程學院四四、集成運放的主要性能指標、集成運放的主要性能指標 開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 1mV 0 UIO的溫漂的溫漂dUIO/dT() 幾幾V/ 0 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 IIO的溫漂的溫漂d

24、IIO/dT() 幾幾nA/ 0 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UIcmax 13V 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdmax 30V -3dB帶寬帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 電子信息工程學院電子信息工程學院五、集成運放的種類按工作原理按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導型：輸入量為電壓，輸出量均為電流跨導型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性

25、按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信 號控制那個通道的信號放大號控制那個通道的信號放大電子信息工程學院電子信息工程學院五、集成運放的種類按性能指標按性能指標rid，可高于，可高于1012。 用于測量放大器、信號發(fā)生器。用于測量放大器、信號發(fā)生器。 fH和和SR高，高， fH可達可達1.7GHz，SR可達可達 103V/S。 用于用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益，低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益， Aod高于高于105dB。 用于微弱信號的測量與運算、高精