1、第5章 集成运算放大器5.1 集成运算放大器的特点及基本组成集成电路（Intergrated Circuit 简称IC)实质：是一个高增益的多级直接耦合（差动放大）放大电路。与分立元件电路比较具有：体积小、重量轻、耗电省、成本低、可靠性高等优点。,5.1.1 集成运算放大器的基本特点在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路（Integrated Circuits，简称IC）。它的体积小，而性能却很好。自1959年世界上出现第一块集成电路至今，只不过四十年时间，但它已深入到一切产业的每种产品中。在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备
2、中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。,集成电路的种类很多，分类方法有以下几种： 1按集成度的高低，如上所述，集成电路可分为小规模、中规模、大规模和超大规模四类。 2按导电类型的不同，集成电路可分为双极型（即BJT型）集成电路和单极型（即MOS型）集成电路。 3按功能的不同，集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路又可分为线性集成电路和非线性集成电路。 线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号和输入信号成线性关系，例如集成运算放大器（简称集成运放或运放）。由于集成运放具有通用性和
3、灵活性强、成本低、品种多等特点，因此已成为线性集成电路中应用最为广泛的一种集成电路。该电路为本章讨论的重点。,特点:1.在集成工艺下，元器件参数精度不高，但对称性好，适宜做差动放大电路。2.集成电路不适于制造大于几十皮法以上的电容和电感，故电路间采用直接耦合。3.在集成电路中，制造三极管（NPN）比制造大电阻和二极管方便。所以常用三极管代替大电阻、二极管。4.集成电路中的PNP三极管一般做成横向的。所以 很低 10 ， 这时 +1。,集成电路的封装形式,圆壳式 双列直插式 扁平式单列直插式 菱形式,5.1.2 集成运算放大器的基本组成集成运放是一种高放大倍数的直接耦合放大器。由于最初这种器件主
4、要用于模拟计算机中实现数值运算，所以称为运算放大器。尽管目前集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍保留了运放的名称。集成运放的发展经历了第一代至第四代，其性能越来越好。目前集成运放仍在不断发展，其方向是更低的漂移、噪声和功耗，更高的速度、放大倍数和输入电压，以及更大的输出功率等。,集成运放基本组成集成运放的内部组成框图如图所示，它主要由输入级、中间级和输出级组成的。输入级主要由差动放大器构成，以减小运放的零漂，它的两个输入端分别与输出成同相或反相关系，即分别为同相输入端和反相输入端。中间级由一级或两级有源负载放大器构成，以提高运放的输出功率和带负载能力。,输入级：是提高运算放大器质量
5、的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。电路形式：采用具有恒流的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。要求：Au高，同时向输出级提供较大的推动电流。电路形式：带有恒流源负载的共射电路，Au高达几千倍以上。,输出级：与负载相接。 要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。 电路形式：一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负载提高电压增益，输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电
6、流。 电路形式：各种恒流源组成。,5.2 电流源电路 5.2.1镜像电流源（又称电流源）（电路图见书193页） T0、T1完全对称 UBE0=UBE1（均记作UBE） 故IB0=IB1=IB，IC0=IC1，则IREF：参考电流或基准电流， IC1：输出电流，当1时，有IC1 IREF 由于T0的基极和集电极相连，故：,由上式可以看出，当VCC、R确 定值时，IREF 就确定了，因此IC1也 随之而定。电路如同一面镜子， IREF 在“镜子”里所成的“象”为IC1， 故称为镜象电流源。 这种偏置电路的优点是结构简单，而且有一定的温度补偿作用。（如F007中：T8，T9和T12，T13）,5.2
7、.2比例式电流源电路如果要求电流源输出电流与参 考电流保持一定的比例关系，则可 采用比例式电流源电路，它可由三 极管或场效应管组成。 三极管比例式电流源电路如图所示。,可以看出，当较大时， IE0IC0IREF，IE1IC1。因此当Re1与Re0相差不太大时，可以认为UBE1UBE0，则有 IE1Re1IE0Re0IREFRe0,可见，只要改变Re0与Re1比例，就可得到与IREF不同比例的IC1，这也是得名比例式电流源电路的原因。由于Re1的存在，比例式电流源电路的输出电阻远大于rce1。 比例式电流源电路也可用场效应管来组成，其电路结构梢有不同。,5.2.3微电流源电路 镜象电流源电路只适
8、用于输出电流IC1较大（毫安级）的场合，若要求输出电流小（例如微安级），则R的值很大难于集成。例如，要求IC1=10A，若VCC=15V, 则R1.5M。解决的办法是采用如图所示的微电流源电路。,在图中，当较大时，IC1IE1， IC0IE0，IC0IREF即IE0IREF 。当R不 是很大时，T0管正常导通，IC0或IE0较大 （毫安级），UBE0为正常的导通压降 （约0.7V左右）。由于Re1的接入，则 UBE1 = UBE0IE1Re1UBE0IC1Re1， 从而使UBE1减小，因此当Re1较大时， T1管只能处于微导通状态，即IC1 IC0， 其值很小，一般为A级。,5.3 差动放大电
9、路 如前所述，由于集成电路制造工艺的限制，集成运放内部必须采用直接耦合放大电路。而对于直接耦合放大电路，必须采取措施来抑制零漂。例如，采用高稳定度的稳压电源来抑制电源电压波动引起的零漂；采用恒温系统来消除温度变化的影响等。但是，更主要的是从电路形式的改进来抑制由于半导体管受温度影响而变化引起的零漂，例如，采用负反馈的方法来稳定静态工作点，或采用温度补偿的来稳定静态工作点等，但最常用的是用三极管进行补偿这就是构成差动放大器的指导思想。,5.3.1 差动放大电路的静态分析 一种实用差动放大器如图所示，电路中接入VEE的目的是为了保证输入端在未接信号时基本为零输入（IB、Rb均很小），同时又给三极管
10、发射结提供了正偏。图中，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb。,由图可以看出，长尾差动放大器与基本差动放大器的关键不同之处在于两管的发射极串联了一个公共电阻Re（因此也称为电阻长尾式差动放大器），而正是Re的接入使得电路的性能发生了明显的变化。,在差模信号作用下，T1和T2管的发射极电流 iE1、iE2一个增大，另一个减小，而且它们增减的数量相等，因此流过Re的电流iE =iE1+iE2保持不变，即Re两端的电压也保持不变。这样，对于差模信号而言，Re可视为短路，于是得到图所示的差模交流通路。可见，它与基本差动电路的交流通路基本相同，即Re的接入并没有减小差模放大倍数。,当加入共模信号时
11、，T1和T2管的发射极电流 iE1、iE2同时增大或减小，而且变化量也相同，即iE1和iE2的交流分量（或变化量）ie1和ie2相等：ie1= ie2。于是流过Re的交流电流ie单管发射极交流电流ie1（或ie2）的两倍，即ie =ie1+ie2=2ie1，而Re上的交流压降ue= ieRe=2ie1Re 。对于每个管子来说，可以认为是ie1（或ie2）流过阻值为2Re的电阻造成的，于是可得到图所示的共模交流通路。,可见，这个电路在Re较大时对共模信号具有强烈的电流负反馈作用（反馈电阻为2Re），使得单端输出时共模放大倍数很低，则每管集电极对地的共模输出电压就很小。因此，射极耦合差动放大器能有
12、效地抑制零漂，静态工作点得到稳定。显然，Re越大，这个电路抑制零漂的能力越强。 总之，射极耦合差动放大器由于发射极公共电阻Re对共模信号的强烈负反馈作用和对差模信号没有任何反馈作用，使得共模放大倍数很低，而差模放大倍数仍比较高，因此比简单差动放大器的性能优越得多。例如，共模抑制比KCMR提高，单端输出时漂移电压也很小等,静态分析 由于两管电路参数对称，则静态发射极电流IE1=IE2，流过Re的电流IE =2IE1。类似于共模交流通路，对于每个管子来说，可以认为是IE1（或IE2）流过阻值为2Re的电阻，于是得到图所示的直流通路。,图5.2.4 直流通路,由图可以看出，负电源从地、发射极、2Re
13、到它的负极形成直流电流，则若VEEUBE ，上式可进一步近似为式 则表明，差动放大器中Re有稳定电流的作用，且在Re一定的条件下，负电源决定了静态工作点电流，因此对负电源的稳定性提出了比正电源更高的要求。又 UE1=UE2=UBE 于是可从上式得到 UCE1=UCE2=UC1UE1=VCCIC1Rc+UBE,5.3.2 差动放大电路差模信号的动态分析 差模输入时，uid=2uid1=ui1ui2。由于输出方式有两种，而且输出端一般接有负载RL ，因此，下面将分别予以讨论。,（1）双端输出 静态时UC1=UC2，即接上RL不影响放大器的静态工作点。 而当差模信号输入时，RL的中点相当于接地，故可
14、画出接有RL时双端输出的差模交流通路，如图所示。,双端输出时的差模交流通路,由图可见，每管的交流负载RL = Rc / (RL/2)，故差模放大倍数式中，Au1为差模输入时单管电路的电压放大倍数。差模输入电阻Rid为从图的两个输入端看进去的等效电阻，实际上它就是通常所说的输入电阻Ri ，不难看出 Rid=2rbe 输出电阻 Ro=2Rc,（2）单端输出 设射极耦合差动放大器是从T1集电极与地之间输出信号的，则RL接在T1集电极与地之间，此时电路的静态电流不变，但静态电压有所变化，其差模交流通路如图所示。,单端输出时的差模交流通路,由图可以得到差模放大倍数式中，交流负载RL = Rc / RL
15、。差模输入电阻 Rid=2rbe 即Rid与双端输出时相同。输出电阻 Ro=Rc 注意： T1管输出，Aud10， T2管输出，Aud20，即,4共模输入时的动态分析 （1）双端输出由于双端输出、共模输入时电路对称，总有uc1=uc2 ，故接在两管集电极之间的负载RL没有电流流过，可视为开路。 （2）单端输出,5.3.4 带恒流源的差动放大电路,差动放大器的四种接法前已指出，由于差动放大器有两个输出端和两个输入端，所以输出方式有双端输出（对称输出）和单端输出（不对称输出）两种，而输入方式也有双端输入（对称输入）和单端输入（不对称输入）两种。因此，差动放大器共有四种连接方式：双端输入双端输出、双
16、端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。在集成运算放大器电路中，单端输入通常用于输入级，单端输出通常用于输出级，而双端输入和双端输出则用于中间放大级。,1双端输入双端输出电路这种电路适用于输入信号和负载都不需要接地的场合。由于是双端输出，所以抑制共模信号的能力强，零漂小。 2双端输入单端输出电路这种电路适用于输入信号不能接地而负载要接地的场合。由于是单端输出，故抑制共模信号的能力比双端输出时差，且电压增益减小一半。应该指出，由于静态电流IC1或IC2与Rc无关，所以单端输出时，另一端的集电极电阻Rc经常不用，直接把它的集电极接电源+VCC 。这个结论同样适用于单端输入单端输出电路。
17、,3单端输入双端输出电路它是共射.共基组态。当Re很大时，可近似认为Re开路，则ui近似均分在两管的输入回路上，即ueui/2。这样两边电路的输入信号分别为ui/2和ui/2，因此，单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。这种电路适用于输入信号需要接地而负载不接地的场合。由于是双端输出，所以抑制共模信号的能力强，零漂小。 4单端输入单端输出电路它与单端输入双端输出电路的输入端情况相似，也是共射.共基组态。这种电路适用于输入信号和负载均需接地的场合。由于是单端输出，故抑制共模信号的能力比双端输出时差，且电压增益减小一半。,因此，差动放大器的静态工作点电流由T3管构成的恒流源电路提供，而差动
18、放大器所需的公共发射极电阻Re就是恒流源电路的输出交流电阻ro3。由于恒流源电路属电流串联负反馈电路，所以ro3很大，一般可达几M以上。具有恒流源的差动放大器，其共模抑制比可达60dB以上，它在集成运放中被广泛采用。,5.4 集成运算放大器中的中间级和输出级电路5.4.1 复合管电路复合管的等效类型（NPN或PNP）由输入管VT1确定，构成复合管的原则是内部的电流方向必须一致。图5.15所示中4种接法的复合管的电流放大系数 12 有源负载放大电路的特点是负载阻抗很高，增益很大，但所需的电源电压却并不高，因此在集成放大电路中得到广泛应用。 有源负载放大电路常用于集成运放的前级和中间放大级。,有源
19、负载放大电路 图所示为一种由三极管组成的有源负载放大电路的实际电路，图（b）为该电路的简化画法。,该电路采用直接耦合，T1为放大管，PNP型的T2、T3管构成镜象电流源电路，它作为T1的有源负载。电流源的输出电流IC2IREF就是T1的静态电流IC1，其输出电阻ro=rce2就是放大电路的交流负载电阻。采用有源负载后，放大电路可以允许电源电压在较宽范围内变动，这是因为这时电流源的输出电流近似不变、放大电路的性能也不受影响的缘故。不难理解，有源负载放大电路的负载（或下级输入电阻）应足够大，否则电路的电压放大倍数也不会提高。有源负载放大电路也可由场效应管组成，其结构同上述电路类似，这里不再加以讨论
20、。,2、复合管-提高值则复合管=*rbe=rbe1+(1+1)rbe2复合管各种不同的接法（见书8页）结论:()两个相同类型的三极管组成复合管时,复合管的类型上与原来相同,复合管的 =*；复合管的rbe=rbe1+(1+1)rbe2()两个不同类型的三极管组成复合管时,复合管的类型决定于前面一个三极管,复合管的 ;=*；复合管的rbe= rbe1,5.4.2 集成运算放大器的输出电路集成运放的输出级直接与负载相连接，为了提高它的带负载能力，要求输出电阻较低。此外，输出级的交流电压和电流的幅度都比较大，故还要求它有较大的输出功率。显然，在放大器的三种组态中，具有低输出电阻的共集（或共漏）放大器最
21、适合作为输出极的电路。但是，一般的射极输出器因为功耗大、效率低、输出电压范围不够大，还不能直接作为输出级回路，而必须加以改进。,1、互补对称输出器 如图所示为互补对称输出级电路，其中T1和T2分别是特性相同的NPN和PNP型管（称为互补管）。由下面分析可知，由于两管可以互相补偿，且两管的电路完全对称，故称为互补对称（或互补推挽）电路。 由图可以看出，因为两管的导电类型不同，且它们的发射极和基极分别相接，则两管均得不到偏置而截止，静态电流基本为零。由于两管特性对称，且一般VCC=VEE，所以输出端的静态电压为零，而输入端的静态电压也为零。,当正弦电压输入时，在其正半周期间，NPN型的T1因发射结
22、正偏而导通，PNP的T2因发射结反偏仍截止，于是T1和负载RL构成射极输出器，输出正半周的正弦电压；而在其负半周期间，情况恰好相反，此时T1截止，T2导通，T2和负载RL构成射极输出器，输出负半周的正弦电压。于是，在负载RL上就合成一个完整的正弦波形。可见，电路实际上是一个双向射极跟随电路。电路的不足之处是，由于T1和T2存在导通电压Uon，当uiUon时，它们均不导通，于是输出波形产生失真，称为交越失真。为此， 可采用图所示的电路，选用二极D1、D2的压降在T1、T2的基极之间建立起一定的电压，使两管处于临界导通状态，以克服交越失真。同时，D1、D2 对交流信号近似短路，使加到两管基极的正、
23、负半周输入信号幅度相等。,电路的不足之处是，由于T1和T2存在导通电压Uon，当uiUon时，它们均不导通，于是输出波形产生失真，称为交越失真。 为此， 可采用右图所示的电路，选用二极D1、D2的压降在T1、T2的基极之间建立起一定的电压，使两管处于临界导通状态，以克服交越失真。同时，D1、D2 对交流信号近似短路，使加到两管基极的正、负半周输入信号幅度相等。在集成电路中，要制作与NPN管特性相同的PNP管十分困难，因此常用复合管取代PNP管，构成准互补对称电路,2、复合管组成的功率输出级(222页)(负载电流较大时采用)3、输出级的过载保护电路(页)两种:二极管过载保护和三极管过载保护。,5
24、.5 通用集成运算放大器5.5.1 通用型集成运算放大器F007 1F007内部电路 2集成运放封装形式、符号及引脚功能,5.5.2集成运放的主要技术指标 集成运放性能的好坏，可用其参数来衡量。为了正确、合理地选择和使用运放，必须明确其参数的意义。下面介绍运放的几种主要参数。 1、开环差模电压增益Aod(开环电压放大倍数)指运放在无外加反馈情况下的直流差模增益。指运放在无外加反馈情况下的直流差模电压放大倍数。它是决定运算精度的主要因素。Aod越高构成的运算电路越稳定,运算精度就越高。理想运放,Aod等于无穷大。一般运放Aod为100分贝左右,高档可达140分贝。,2、差模输入电阻它是衡量差分对
25、管向差模输入信号所取电流大小的标志。Rid= UId/ IId M级Rid愈大，则集成运放对信号源索取的电流愈小。理想运放 Rid=无穷大通用F007的Rid=2兆欧输入级采用场效应管的运放Rid可达106兆欧。,3、共模抑制比KCMR(CMRR)衡量输入级各参数对称程度的标志。KCMR=20lgAod/AocKCMR愈大，表示集成运放对共模信号的抑制能力愈强。 理想 KCMR=无穷大大多数运放 KCMR =80分贝 优质运放可达160分贝,4、输入失调电压UIO及失调电压温漂dUIO/dT（1）输入失调电压UIO定义:为使U0=0,在输入端所需加的补偿电压。UIO一般在几个毫伏级(110mV
26、)低温漂运放UIO=0.5mV表征输入级差分管UBE失配的程度，反映温漂的大小。 （2）失调电压温漂dUIO/dT定义：是指UIO随温度变化的情况。一般(1020)uV/ C;高精度低温漂型运放可达1uV/ CUIO可以通过调零电位器进行补偿，但不能使dUIO/dT为零。,5、输入偏置电流当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。IIB=(IIB1+IIB2)/2理想IIB=0，一般IIB为10纳安至1微安(输入级为双极型三极管)IIB小于1纳安(输入级采用场效应管) 6、输入失调电流IIO及失调电流温漂dIIO/dT,（1）输入失调电流IIO ：当集成运放的输出电压等于零时,两个输入端
27、的偏置电流之差。IIO=IIB1-IIB2一般在纳安数量级 ，描述差分对管输入电流的不对称情况，反映了差动输入级两个晶体管的失调程度。 （2）dIIO/dT是指IIO随温度变化的平均变化率。理想 IIO=0， dIIO/dT=0,7、输出电阻R0运放工作在开环时，在输出端对地之间看进去的等效电阻。R0的大小反映了运算放大器的带负载能力。 8、最大差模输入电压UIdm是指运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压。 9、最大共模输入电压UIcm是指运放在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。,10、-3分贝带宽fH和单位增益带宽fC当Au0下降了3分贝时的频率称为运放的-3分贝带宽,或称截止频率
28、fH。当Au0下降至0分贝的信号为频率称为单位增益带宽fC。 11、转换速率SR是指在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。,12单位增益带宽fc和开环带宽fH fc指开环差模电压增益Aod下降到0dB（即Aod =1）时的信号频率，它与三极管的特征频率fT相类似。fH则是指Aod下降3dB时的信号频率。fH一般不高,约几十赫至几百千赫,低的只有几赫。 除上述指标外，还有静态功耗PC最大输出电压UOmax等。,5.5.3理想运算放大器集成运放作为通用的器件，它的应用十分广泛，包括模拟信号的运算、放大、滤波、产生以及进行各种线性和非线性的处理。除了比较器等少数应用电路
29、为正反馈或开环工作外，绝大多数应用电路中运放都工作在负反馈的闭环状态。,理想运算放大器就是将集成运放的各项主要技术指标理想化。 一、理想运算放大器技术指标： ：1、开环差模电压增益Aod等于无穷大。 2、 2、 差模输入电阻等于无穷大。3、输出电阻R0等于零。4、共模抑制比KCMR(CMRR) 等于无穷大。5、输入失调电压UIO及失调电压温漂dUIO/dT等于零；输入失调电流IIO及失调电流温漂dIIO/dT等于零。6、输入偏置电流等于零。7、-3分贝带宽fH等于无穷大。实际运放都可以近似为理想运放。,1.理想运放工作在线性区的特点。u0=A0d（u+-u-）u- ：反相输入u+：同相输入u0
30、：输出A0d：开环增益若输入电压幅度比较大，工作范将超出线性放大区而到非线性区。,工作在线性区时有两个重要特点： (1) 理想运放的差模输入电压等于零。u+-u-= u0/ A0d=0u+=u- 运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，两点如同短路一样，但并未真正短路，称“虚短”。实际运放A0d不等于无穷大，运放同相输入端与反相输入端两点的电压不可能完全相等。但是当A0d足够大时，差模输入电压u+-u-的值很小，与电路中其它电压相比，可忽略不计。如在线性区内，当u0=10V时，若A0d=105，则u+-u-=0.1mV，若A0d=107，则u+-u-=1uV。 可见A0d愈大，u+与u-的差
31、值愈小。,(2)理想运放的输入电流等于零。Rid等于无穷大，i+=i-=0运放同相输入端与反相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开一样。这种现象称为“虚断”。“虚短”与“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论。如当Rid=2M时， i+=（u+-u-）/ Rid=0.05nA,2.理想运放工作在非线性区的特点 超出线性放大区时，u0=A0d（u+-u-） A0d等于无穷大，如运放在开环工作状态（未接入深度负反馈）甚至接入正反馈时，输入很小的电压变化量，输出达+U0PP 或 -U0PP（正、反向饱和电压）+U0PP 或 -U0PP接近正、负电源。 所以理想运放工作在非线性区时有两个重要特点： (1)输出电压只有两种可能：或等于+U0PP 或等于 -U0PP 当u+u-时，u0=+U0PP 当u+u-时，u0=-U0PP u+=u- “虚短”不存在 (2)理想运放的输入电流等于零。 u+=u- 但Rid等于无穷大， i+=i-=0,
