第14講 集成運(yùn)算電路

多級(jí)放大電路基本放大電路差分放大電路直接耦合互補(bǔ)輸出級(jí)第一級(jí)末級(jí)集成集成運(yùn)算放大電路分立元件放大電路集成電路的發(fā)展歷程4.1集成運(yùn)算放大電路概述

4.1.1集成電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1集成？采用一定的制造工藝，將晶體管、二極管、電阻、電容等許多元件構(gòu)成的完整的電路制作在同一半導(dǎo)體基片上，加以封裝。2大規(guī)模集成電路②硅片的面積只有幾十平方毫米①一個(gè)集成塊內(nèi)包含有一千個(gè)以上元器件運(yùn)算放大器外形圖③相鄰元件具有良好的對(duì)稱性受環(huán)境溫度等影響的變化相同差分放大電路④允許采用復(fù)雜的電路形式以提高各方面性能?！嗉蛇\(yùn)放的體積越來(lái)越小，功能卻越來(lái)越強(qiáng)⑤采用復(fù)合管3集成電路的特點(diǎn)①硅片上不能制作大電容直接耦合方式②硅片上不能制作高阻值電阻用有源元件（晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管）取代電阻。4理想運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞差模輸入電阻Rid→∞開(kāi)環(huán)輸出電阻Ro→0高性能：高輸入電阻，低輸出電阻，高差模放大倍數(shù)，能較好抑制溫漂的差分放大電路。

∴集成運(yùn)算放大電路是一個(gè)高性能的直接耦合放大電路。4.1.2集成運(yùn)算放大電路的組成及各部分的作用輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)upuNuo輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。4.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性－＋＋

uN

up

uo＋－uNupuo1集成運(yùn)放的符號(hào)集成運(yùn)放有同相輸入端和反相輸入端。Up:輸入電壓與輸出電壓同相，為同相輸入端。UN:輸入電壓與輸出電壓反相，為反相輸入端。ui=up-uNUOM-UOM線性區(qū)uo=Aod(uP-uN)飽和區(qū)uo=±UOM由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。

兩個(gè)輸入端加入微小的電壓，輸出電壓都將超出其線性范圍，達(dá)到±UOM，所以必須引入負(fù)反饋才能保證集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。2電壓傳輸特性u(píng)O=f(uP-uN)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，分析依據(jù)：虛開(kāi)路(1)由于運(yùn)算放大器的差模輸入電阻rid,可認(rèn)為兩個(gè)輸入端的輸入電流為零。即：uo=Auo(u+-u-)虛短路(2)由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo而輸出電壓是一個(gè)有限的數(shù)值,即:T0、T1兩只管子特性完全相同UBE0=UBE1IB0=IB1IC0=IC1IR=IC0+2IBIB0=IB1=IBIC0=IC1=IC4.2集成運(yùn)放中的電流源電路4.2.1基本電流源電路（1）鏡像電流源IC0，IC1呈鏡像關(guān)系∴此電路為鏡像電流源。電阻R中的電流IR為基準(zhǔn)電流在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反饋嗎？有，見(jiàn)P189基準(zhǔn)電流②若β較小，只有幾到十幾倍①若β>>2若β=10問(wèn)題2：ＶCC一定，如何改變輸出電流IC1？IC1≈IR∴IR↑，電阻的功耗增大①要增大IC1②要減小IC1增大電阻R不利于集成化問(wèn)題1：晶體管構(gòu)成的電流源是否具有溫度穩(wěn)定性？β較小，可采用改進(jìn)型的電流源+VccRT0T1Re0Re1UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1UBE0≈UBE1IE0Re0≈IE1Re1IB0IB1IE1IE0IB0+IB1Ic1IRIc0右邊電路：IC1≈IE1左邊電路：IR≈IC0≈IE0（2）比例電流源首先求出基準(zhǔn)電流

輸出電流IC與IR成比例，可大于或小于IR，克服了鏡像電流源的缺點(diǎn)。REO、RE1是電流反饋電阻，IC1具有溫度穩(wěn)定性（3）微電流源

集成運(yùn)放輸入級(jí)放大管的集電極靜態(tài)電流很小，又不能用大電阻，可以采用微電流源。將比例電流源中的Re0減小到0.IC1≈IE1+VccRT0T1Re1IB0IB1IE1IB0+IB1Ic1IRIC0利用圖解法或累試法求解超越方程IR≈IC0≈IE0R+VccT0T1T2IB0IB1Ic0Ic1IB2IE2IRT0、T1、T2三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICIE2=2IB=(β+1)IB24.2.2改進(jìn)型電流源電路一、加射極輸出器的電流源若β=10IC≈0.982IR加裝T2且從發(fā)射集引出說(shuō)明即使?很小，IC1趨向于IR二、威爾遜電流源+VccRT1T0T2Ic0IR2IBIE2Ic1IB2IC2BT0、T1、T2三只管子特性完全相同IB0=IB1=IBIC0=IC1=ICT1的c-e串聯(lián)在T2的發(fā)射極，作為與典型工作點(diǎn)穩(wěn)定電路重的Re，因很大，可使IC2高度穩(wěn)定。UBE0≈UBE1≈UBE2≈UBE3因?yàn)閁BE相差不多UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re3IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re34.2.4多路電流源1基于比例電流源的多路電流源可根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。2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(lái)確定集電結(jié)面積。設(shè)三個(gè)集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則注意：基極電流一定時(shí)，集電極電流之比等于他們的集電區(qū)面積之比。T多為橫向PNP型管。3MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流ID正比于溝道的寬長(zhǎng)比。設(shè)寬長(zhǎng)比W/L=S，且T1～T4的寬長(zhǎng)比分別為S0、S1、S2、S3，則基準(zhǔn)電流所有B-E間的電壓均為0.7V。試求：各管的集電極電流電路中T10與T11為縱向管，T12與T13是橫向管，β均為5例題：Ic13Ic10Ic12IR+VccR5T13T12R4-VccT10T11T10與T11微電流源圖4.2.9F007中的電流源電路T12與T13構(gòu)成鏡像電流源解：首先求基準(zhǔn)電流IRT10與T11構(gòu)成微電流源T12與T13構(gòu)成鏡像電流源利用累試法或圖解法求出IC10≈28uA+VCCRcRcui1ui2100Ωuo+_T0T1已知:T0~T4的β均為100，rbb’=200Ω，Rc=7.5k，R1=6.2k,，R2=R3=100Ω，VCC=VEE=6V，電位器RP=100Ω，試求：（1）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)（2）電路的差模AudRiRoIo-VEER1R2R3T3T4IR解：（1）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

具有電流源的差分放大電路，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)從電流源入手。UCQ1=UCQ2=VCC-ICQRC=6-7.5×0.42=2.85VRcRcui2-VEEIo+Vccui1(二）求解電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)+_uo+VccRbRc+_uiRL靜態(tài)電流不變的情況下,如何增大電壓放大倍數(shù)?增大電阻RCIC不變提高電源電壓VCC∴在集成運(yùn)放中，用電流源來(lái)取代電阻RC這樣，在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，又可得到很高的電壓放大倍數(shù)。4.2.4以電流源為有源負(fù)載的放大電路Au=?一、有源負(fù)載共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時(shí)UIQ為多少？RL<<(rce1//rce2)為什么要考慮

h22?1/

h22為c-e間動(dòng)態(tài)電阻rce，為幾百千歐二、有源負(fù)載差分放大電路

差分放大電路，雙端輸出時(shí)具有良好的共模抑制比，而且增益是單端輸出的兩倍，所以雙端輸出的性能優(yōu)于單端輸出。T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRL①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時(shí)IO約為多少？④動(dòng)態(tài)時(shí)ΔiO約為多少？T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL輸入共模信號(hào)共模輸出電壓為零靜態(tài)：T1T2ui1+VccT4T3ui2-VEEIoRLic2ic4ic1ic3iL輸出電流是單管輸出兩電流的兩倍，從而實(shí)現(xiàn)了單端輸出方式而具有雙端輸出的電壓。ui輸入差模信號(hào)§4.3集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介

一、讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實(shí)現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計(jì)算：必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。二、舉例

型號(hào)為F007的通用型集成運(yùn)放

對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號(hào)流通順序，將其分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)電路。

若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)三級(jí)放大電路簡(jiǎn)化電路

分解電路輸入級(jí)的分析

T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。共集-共基形式Q點(diǎn)的穩(wěn)定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9與IC8為鏡像關(guān)系→IC9↑因?yàn)镮C10不變→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出輸入級(jí)的分析T7的作用：抑制共模信號(hào)

T5、T6分別是T3、T4的有源負(fù)載，而T4又是T6的有源負(fù)載。作用？+++++++_放大差模信號(hào)+___特點(diǎn)：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)“地”輸出）。中間級(jí)的分析中間級(jí)是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。

F007的中間級(jí)是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無(wú)窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流入輸出級(jí)。中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)的分析D1和D2起過(guò)流保護(hù)作用，未過(guò)流時(shí)，兩只二極管均截止。

iO增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為T14基極分流，從而保護(hù)了T14。準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，UBE倍增電路消除交越失真。中間級(jí)輸出級(jí)電流采樣電阻特點(diǎn)：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高判斷同相輸入端和反相輸入端F007所具有的高性能Ad較大：放大差模信號(hào)的能力較強(qiáng)Ac較?。阂种乒材Ｐ盘?hào)的能力較強(qiáng)rid較大：從信號(hào)源索取的電流小ro?。簬ж?fù)載能力強(qiáng)Uom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差模電壓大。uIcmax大：接近電源電壓4.4集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值開(kāi)環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid

2MΩ∞共模抑制比KCMR

90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO

小于2mV

0使輸出電壓等于零在輸入端加的補(bǔ)償電壓。UIO的溫漂dUIO/dT(℃)

幾μV/℃

0

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值

輸入失調(diào)電流IIO

20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0

-3dB帶寬fH10Hz∞能正常放大差模信號(hào)時(shí)容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓UIdmax±30V超過(guò)此值輸入級(jí)差分管將損壞。上限截止頻率。對(duì)大信號(hào)的反應(yīng)速度為什么這么低？最大共模輸入電壓UIcmax±13V

轉(zhuǎn)換速率SR

0.5V/μS

∞集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值開(kāi)環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO1mV

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO(│IB1-IB2│)20nA0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾nA/℃0最大共模輸入電壓UIcmax±13V最大差模輸入電壓UIdmax±30V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞4.5集成運(yùn)放的種類按工作原理電壓放大型：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跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性可控增益：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，利用輸入的邏輯信號(hào)控制那個(gè)通道的信號(hào)放大集成運(yùn)放的種類按性能指標(biāo)高阻型：rid，可高于1012Ω。