電路與電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第5章1 集成運算放大器及其應(yīng)用

第5章集成運算放大器

1了解電流源電路的工作原理及特點。理解解差動放大電路的組成。理解抑制零點漂移的工作原理。掌握差動放大器的主要技術(shù)指標(biāo)的計算方法。理解集成運算放大器的基本組成及主要參數(shù)的意義。理解集成運放的電壓傳輸特性，掌握集成運放的分析與計算方法。

第5章集成運算放大器

集成電路是采用半導(dǎo)體集成工藝，把眾多晶體管、電阻、電容及連線制作在一塊硅片上，做成具有特定功能的獨立電子線路。具有性能好、可靠性高、體積小、耗電少、成本低等優(yōu)點。集成運算放大器簡稱運放。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。目前，集成運放作為一種通用模擬集成器件被廣泛用于各種電子系統(tǒng)及設(shè)備中。

集成運放的結(jié)構(gòu)組成特色：2

5.1集成運放的概述345.2電流源電路電流源（CurrentSource）電路是廣泛應(yīng)用于集成電路中的一種單元電路。在集成電路中，電流源除了作為偏置電路提供恒定的靜態(tài)偏置電流外，還可利用其交流輸出電阻大的特點，作有源電阻使用，以提高單級放大電路的電壓放大倍數(shù)。電流源的類型較多，如書中表5.1所示，其廣泛應(yīng)用在集成運算放大器中。1.鏡像電流源T2T1IrIoR+UCCRo=rce25Ir=IC1+2IB=(β+2)IBIB=Ir/(β+2)IO=βIB=βIr/(β+2)2.鏡像電流源電路用作有源負(fù)載T2T3+UCCui

RT1

iruO

電流源電路用作有源負(fù)載

由于電流源電路具有直流電阻小而交流（動態(tài)）電阻大的特點，所以，在模擬集成電路中廣泛地把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。左圖所示電路中，由T2、T3管組成的鏡像電流源作為T1管（共發(fā)射極放大電路）的集電極有源負(fù)載。

因為電流源電路的交流電阻很大，所以它可使單級共發(fā)射極放大電路的電壓達103，甚至更高。電流源電路也常用作射極負(fù)載。6

5.3.1直接耦合放大電路中的主要問題

直接耦合放大電路可以放大直流信號。如果一個電路的輸入信號為零時，而輸出信號卻不為零，我們將這種現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。

零漂是直接耦合放大電路中存在的主要問題。在多級放大電路中，第一級電路的零漂決定整個放大電路的零漂指標(biāo)。

75.3差動放大電路5.3.2差動放大電路的組成及工作原理

要求電路參數(shù)對稱，發(fā)射極共用電阻RE。電路具有兩個輸入端，也可單端輸入；具有兩個輸出端，也可單端輸出。這樣，差動放大器具有四種輸入、輸出方式。81.靜態(tài)工作情況靜態(tài)時，ui1=ui2=0，由于電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)的對稱性，兩邊的集電極電流相等，集電極電位也相等，即：IC1=IC2，UC1=UC2故輸出電壓：UO=UC1－UC2=0當(dāng)溫度升高時，兩管的集電極電流增大，集電極電位下降，且兩邊的變化量相等，即：

雖然每只管子都產(chǎn)生了零點漂移，但是在雙端輸出時，兩管集電極電位的變化相互抵消，所以輸出電壓仍為零，即可見，零點漂移完全被抑制了，對稱差動放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移（不管是什么原因引起的）都具有抑制作用，這是它的突出優(yōu)點。9

105.3.3差動放大電路的分析計算RE+UO－RC－UEERCT2+UCCT1ICQ1ICQ2IEQ

差放直流通路RBRBIBQ2IBQ1IEQ1IEQ21.雙端輸入、雙端輸出差放直流電路分析ICQ1=ICQ2，IBQ1=IBQ2，IEQ1=IEQ2，UCQ1=UCQ2因此，靜態(tài)時差動放大電路的輸出電壓為零，即：

UO=UCQ1－UCQ2=0。ui=0，則UEE=IBQRB+UBEQ+IEQRE，忽略IBQ、UBEQ得：

11注意：對于單獨的T1和T2兩級，RE分別等效為2RE。2.動態(tài)電路分析

（1）雙入、雙出差放

動態(tài)差模輸入分析圖5-6雙端輸入、雙端輸出差動放大電路的差模輸入電路+ui1=uid/2－+uid－RBRBRE+uod－RC－UEERCT2+UCCT1+ui2=－uid/2－RL12畫出差模交流通路由于在ui作用下，Δie1增加，Δie2減少，iE不變，故RE無窮大，相當(dāng)于開路。+ui1=uid/2－+uid－RBRB+uod－RCRCT2T1+ui2=－uid/2－RL/2RL/2RBRB－uid/2++uid/2－+

uod

－RCRCT2T1RL/2RL/2+Uid－+uod1－－uod2+

13①差模電壓增益雙端輸入雙端輸出差動放大電路的差模電壓增益為：

上式表明，雙端輸入雙端輸出差動放大電路的差模電壓增益等于其差模交流通路中單邊放大電路的電壓增益，即：

其中：14注：uod1與uod2反相

雙端輸入單端輸出差放電路以負(fù)載電阻RL接在T1管的集電極到地之間為例，如圖5-8（a）所示，則其差模交流通路如圖5-8（b）所示。15

16

②差模輸入電阻無論是雙端輸出還是單端輸出，雙端輸入差動放大電路的差模輸入電阻是相同的，都等于單邊放大電路輸入電阻之和，即Rid=2(RB+rbe)

③差模輸出電阻雙端輸出時，差動放大電路的差模輸出電阻為Rod≈2RC

單端輸出時，差動放大電路的差模輸出電阻為Rod1=Rod2≈RC

（2）共模輸入電路分析17①共模電壓增益

雙入、雙出差放共模輸出電壓為uoc=uc1－uc2=0故得差動放大電路雙端輸出時的共模電壓增益為：雙入、單端輸出時的共模電壓增益為：18②共模輸入電阻無論是雙端輸出還是單端輸出，從輸入端看進去的共模輸入電阻均為③共模輸出電阻雙端輸出時，差動放大電路的共模輸出電阻為：Roc≈2RC

單端輸出時，差動放大電路的共模輸出電阻為：Roc1=Roc2≈RC

（3）共模抑制比KCMR

雙端輸出時，共模抑制比為：單端輸出時，共模抑制比為：

19四種差分放大電路性能一覽表:20

5.3.4恒流源差動放大電路

在典型差動放大電路中，RE愈大，抑制共模信號的能力愈強，但是若RE過大，RE上的直流壓降增大，相應(yīng)地要求負(fù)電源UEE的電壓很高；而且，在集成電路中制造大電阻十分困難。為了達到既能增強負(fù)反饋（RE起共模負(fù)反饋的作用），又不必使用大電阻，也不致要求UEE電壓過高的目的，采用恒流源電路替代RE在電路中的作用，見圖（a）。圖（b）為其簡化畫法。（a）T3RB+ui1－+uo－RCRCT2+UCCT1+ui2－RB－UEER3R2R1RB+ui1－+uo－RCRCT2+UCCT1+ui2－RB－UEEI0ro（b）21

22

恒流源作為差分放大電路的負(fù)載T3、T4恒流源電路作為T2負(fù)載電阻，提高電壓放大倍數(shù)。235.4集成運算放大器實例5.4.1實際應(yīng)用電路內(nèi)部電路組成892VT3VT4VT1VT2+VT12+VCC+15VVT7R11kΩ3VT13VT16VT17R927ΩR45kΩR539kΩ－VEE－15VR7100ΩR6R31kΩIREF

－VT5VT615VT8VT9VT11VT1050kΩVT22VT23R850kΩVT18VT19ABVT24R1022ΩVT21VT20VT14VT15746輸入級輸出級中間級偏置電路50kΩRPCC30pF2425（1）偏置電路

集成運放采用電流源偏置技術(shù)，電流源電路包含在各級電路中，它不僅為各級電路提供穩(wěn)定的恒流偏置，而且也作為放大級的有源負(fù)載。其中T10、T11、T12管和R4、R5組成的微電流源，作為整個集成運放的主偏置級；T8、T9為一對橫向PNP型管，它們組成鏡像電流源，為輸入級T1、T2管提供偏置電流；T12、T13管組成雙輸出的鏡像電流源，其中T13管為雙集電極的橫向PNP型管，可以看作是兩個三極管。一路輸出為T13B的集電極，主要作為中間放大級的有源負(fù)載；另一路輸出為T13A的集電極，供給輸出級的偏置電流，使T14、T20工作在甲乙類放大狀態(tài)，同時也作為T23A的有源負(fù)載。

(2）差動輸入級輸入級是由T1～T7管組成的差動放大電路組成，其中，T1、T3和T2、T4組成共集-共基組合差動放大電路，T5、T6、T7組成的改進型鏡像電流源作為其有源負(fù)載。輸入級為雙端輸入、單端輸出，其中，T1管的基極為同相輸入端，T2管的基極為反相輸入端；引自T4、T6公共集電極的單端輸出是中間放大級的輸入信號。26（3）中間增益級

中間增益級由T16、T17管組成。其中，T16管構(gòu)成射極輸出器，因此，中間級的輸入電阻很高，這樣，就可大大降低中間級對輸入級的負(fù)載效應(yīng)，從而保證了輸入級的高電壓增益。從這個意義上講，T16管是用作輸入級和中間級的隔離級。中間級的增益主要是由T17管組成的共發(fā)射極電路提供，T13B和T12組成的鏡像電流源為其集電極有源負(fù)載，本級的電壓增益可達55dB。此外，為了消除運放在深度負(fù)反饋時的自激振蕩，在中間級采用了頻率補償技術(shù)，Cφ為密勒補償電容。

（4）互補功率輸出級和保護電路

輸出級采用了互補推挽功率放大電路，由T14、T20管組成。T18、T19和R10組成的電路用于提供T14、T20管的靜態(tài)偏置電壓，使其工作在甲乙類狀態(tài)，以克服交越失真。27285.4.2集成運算放大器的主要參數(shù)1.與運算精度有關(guān)的參數(shù)（1）交流參數(shù)①開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod指在規(guī)定負(fù)載的情況下，運放開環(huán)（不加反饋）時的差模電壓放大倍數(shù)。

②共模抑制比KCMRKCMR指運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比，通常用分貝表示，即：③差模輸入電阻RidRid指當(dāng)運放加差模信號時，從運放兩個輸入端看進去的等效電阻。（2）直流參數(shù)①輸入偏置電流IIB輸入偏置電流IIB是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值：29②輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂△UIO/△T

由于差動輸入級的不完全對稱，在輸入為零時，為使輸出也為零而在輸入端所加的補償電壓，稱為失調(diào)電壓UIO。UIO值越大，說明電路的對稱程度越差。失調(diào)電壓UIO隨溫度而變化，其比值△UIO/△T稱為失調(diào)電壓溫漂。③輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂△IIO/△T輸入失調(diào)電流IIO是指集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的差，即IIO=∣IB1-IB2∣。輸入失調(diào)電流IIO隨溫度而變化，其比值△IIO/△T稱為失調(diào)電流溫漂。2.與工作速率和工作頻率有關(guān)的主要參數(shù)①開環(huán)帶寬BWAod下降3dB時對應(yīng)的輸入信號頻率為BW。②轉(zhuǎn)換速率SR轉(zhuǎn)換速率SR反映運放對高速變化信號的響應(yīng)速度，定義為：303.與器件安全工作有關(guān)的參數(shù)

①最大差模輸入電壓Uidmax指的是保證集成運放正常工作，反相和同相輸入端之間所能承受的最大電壓值，它對應(yīng)于差放對管中三極管發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓。②最大共模輸入電壓Uicmax指的是保證集成運放正常工作，反相和同相輸入端同時加入電壓的最大電壓值，它對應(yīng)于差放對管中三極管飽和或截止時所對應(yīng)的輸入電壓值。5.4.3理想運算放大器的概念及其特點1.集成運放理想化的條件（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod→∞；（2）差模輸入電阻Rid→∞；（3）差模輸出電阻Rod→0；（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）輸入偏置電流IIB→0；（6）輸入失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO及它們的溫漂均為零。312、

理想運放的特點

理想運放工作在飽和區(qū)時，當(dāng)u+>u-時，uO=+UOM(忽略管飽和壓降后，約為UCC)當(dāng)u+<u-時，uO=-UOM

(忽略管飽和壓降后，約為-UEE)理想特性圖5-15集成運放的電壓傳輸特性u+－u－+UOMOuo－UOM線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)實際特性①虛假短路（虛短）當(dāng)運放工作在線性區(qū)時，其輸出電壓與兩個輸入端的電壓之間存在線性關(guān)系，即：

uo=Aod(u+－u-)