第13講 集成運算放大電路

第十三講

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2/5/20231HANDANCOLLEGE一、概述（1）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。（2）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。（3）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。（4）采用復合管。

1.

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耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。2/5/20232HANDANCOLLEGE2.

集成運放電路的組成兩個輸入端一個輸出端

若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。2/5/20233HANDANCOLLEGE集成運放電路四個組成部分的作用輸入級：前置級，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：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。2/5/20234HANDANCOLLEGE3.集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)

由于Aod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(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū)

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。2/5/20235HANDANCOLLEGE二、集成運放中的電流源電路1.

鏡像電流源T0和T1特性完全相同。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。電路中有負反饋嗎？基準電流2/5/20236HANDANCOLLEGE2.

微電流源

要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。設計過程很簡單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re2/5/20237HANDANCOLLEGE3.

多路電流源

（1）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。

UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因為UBE相差不多，故IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re32/5/20238HANDANCOLLEGE（2）多集電極管構成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結面積。設三個集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則2/5/20239HANDANCOLLEGE（3）MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長比。設寬長比W/L=S，且T1～T4的寬長比分別為S0、S1、S2、S3，則基準電流2/5/202310HANDANCOLLEGE4.

有源負載

（1）用于共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時UIQ為多少？為什么要考慮

h22?2/5/202311HANDANCOLLEGE（2）用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時iO約為多少？④動態(tài)時ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動態(tài)：2/5/202312HANDANCOLLEGE三、集成運放電路分析

1.

讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應用場合、用途和技術指標。（2）化整為零：將整個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：電路相互連接關系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。2/5/202313HANDANCOLLEGE2.

舉例：型號為F007的通用型集成運放對于集成運放電路，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。2/5/202314HANDANCOLLEGE

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。找出偏置電路2/5/202315HANDANCOLLEGE雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準互補輸出級三級放大電路簡化電路

分解電路2/5/202316HANDANCOLLEGE輸入級的分析

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點的穩(wěn)定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9與IC8為鏡像關系→IC9↑因為IC10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2/5/202317HANDANCOLLEGE輸入級的分析T7的作用：抑制共模信號

T5、T6分別是T3、T4的有源負載，而T4又是T6的有源負載。作用？+++++++_放大差模信號+___特點：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，并完成電平轉換（即對“地”輸出）。2/5/202318HANDANCOLLEGE中間級的分析中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。

F007的中間級是以復合管為放大管、采用有源負載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級輸出級2/5/202319HANDANCOLLEGE輸出級的分析D1和D2起過流保護作用，未過流時，兩只二極管均截止。

iO增大到一定程度，D1導通，為T14基極分流，從而保護了T14。準互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。中間級輸出級電流采樣電阻特點：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高2/5/202320HANDANCOLLEGE判斷同相輸入端和反相輸入端2/5/202321HANDANCOLLEGEF007所具有的高性能Ad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rid較大：從信號源索取的電流小ro?。簬ж撦d能力強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2/5/202322HANDANCOLLEGE四、集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)

F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞2/5/202323HANDANCOLLEGE四、集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)F007典型值理想值

UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃

0輸入失調電流IIO

20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。2/5/202324HANDANCOLLEGE四、集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)F007典型值理想值最大共模輸入電壓UIcmax±13V-3dB帶寬fH10Hz∞轉換速率SR

0.5V/μS

∞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UIdmax±30V超過此值輸入級差分管將損壞。上限截止頻率。對大信號的反應速度為什么這么低？2/5/202325HANDANCOLLEGE四、集成運放的主要性能指標

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

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調電流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∞轉換速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞2/5/202326HANDANCOLLEGE五、集成運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控制那個通道的信號放大2/5/202327HANDANCOLLEGE五、集成運放的種類按性能指標高阻型：rid，可高于1012Ω。

用于測量放大器、信號發(fā)生器。高速型：

fH和SR高，fH可達1.7GHz，SR可達103V/μS。

用于A/D、D/A轉換電路、視頻放大器。高精度型：低失調、低溫漂、低噪聲、高增益，

Aod高于105dB。

用于微弱信號的測量與運算、高精度設備。低功耗型：工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在100～200μW。用于空間技術、軍事