1、第四章集成运算放大电路 4 1集成运算放大电路概述 4 2集成运放中的电流源电路 4 3集成运放电路简介 4 5集成运放的种类及选择 4 4集成运放的性能指标及低频等效电路 4 6集成运放的使用 1 理解通用型集成运放的四个组成部分及其作用 2 掌握基本电流源电路的组成和工作原理 3 了解集成运放的主要技术指标及其物理意义 4 能根据需要合理选用集成运放电路 本章重点和考点 集成电路是一种将 管 和 路 紧密结合的器件 它以半导体单晶硅为芯片 采用专门的制造工艺 把晶体管 场效应管 二极管 电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起 使之具有特定的功能 集成放大电路最初多用于各
2、种模拟信号的运算 如比例 求和 求差 积分 微分 上 故被称为运算放大电路 简称集成运放 4 1集成运算放大电路概述 4 1集成运算放大电路概述 集成电路简称IC IntegratedCircuit 集成电路按其功能分 数字集成电路 模拟集成电路 模拟集成电路类型 集成运算放大器 集成功率放大器 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器 集成乘法器 集成稳压器 集成数 模或模 数转换器等 集成电路的外形 a 双列直插式 b 圆壳式 c 扁平式 4 1 1集成运放的电路结构特点 一 相邻元件具有良好的对称性 故适用于构成差分放大电路和恒流源电路 二 集成电路中电阻 其阻值范围一般在几十欧到几十
3、千欧之间 如需高阻值电阻时 要在电路上另想办法 三 在芯片上制作三极管比较方便 常常用晶体管 或场效应管 代替电阻 特别是大电阻 四 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难 电路通常采用直接耦合方式 五 集成电路中的晶体管和场效应管因制作工艺不同 性能上差别较大 常采用复合管的形式以得到各方面性能俱佳的效果 一 输入级 高性能差分放大电路 大大减少温漂 二 中间级 采用有源负载的共射 或共源 放大电路 有较高的电压放大倍数 三 输出级 互补输出电路 带负载能力强 非线性失真小 四 偏置电路 电流源电路 为各级提供合适的静态工作点 4 1 2集成运放电路的组成及其各部分的作用 实质上是一个具有高
4、放大倍数的多级直接耦合放大电路 4 1 3集成运放的电压传输特性 图4 1 2集成运放的符号和电压传输特性 uO f uP uN 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反相输入端uN 电压传输特性 集成运放是一个双端输入 单端输出 具有高差模放大倍数 高输入电阻 低输出电阻 能较好地抑制温度漂移的差分放大电路 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 集成运放的工作区域 线性区域 Aod为差模开环放大倍数 非线性区域 输出电压只有两种可能的情况 UOM或 UOM UOM为输出电压的饱和电压 4 2集成运放中的电流源电路 集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外 还构成电
5、流源电路 为各级提供合适的静态电流 或作为有源负载取代高阻值的电阻 从而增大放大电路的电压放大倍数 一 镜像电流源 电流镜CurrentMirror 基准电流 由于UBE0 UBE1 且T0与T1参数基本相同 则 IB0 IB1 IB IC0 IC1 IC 所以 当满足 2时 则 4 2 1基本电流源电路 根据晶体管发射结电压与发射极电流的近似关系 可得 由于T0与T1的特性完全相同 所以 二 比例电流源 由图可得 UBE0 IE0R0 UBE1 IE1R1 整理可得 在一定取值范围内 若对数项可忽略 则 可见 只要改变R0和R1的阻值 就可以改变IC1和IREF的比例关系 式中基准电流 当
6、2时 所以 三 微电流源 在镜像电流源的基础上接入电阻Re 引入Re使UBE1 UBE0 且IC1 IC0 即在Re值不大的情况下 得到一个比较小的输出电流IC1 利用比例电流源的基本关系 在已知Re的情况下 可以通过图解法或累试法解出IC1 图4 2 3微电流源 基准电流 得 4 2 2改进型电流源电路 问题 基本电流源电路在 很小时 IREF和IC1相差很大 为了减小基极电流的影响 提高输出电流与基准电流的传输精度 稳定输出电流 可对基本电流源电路进行改进 一 加射极输出器的电流源 图4 2 4加射极输出器的电流源 由于增加了T2 使IC1更加接近IREF 如何证明 IC1 IC0 IRE
7、F IB2 IREF IE2 1 如 10IC1 0 982IREF 增加电阻Re2目的是使IE2增大 从而提高T2的 二 威尔逊电流源 T1管的c e串联在T2管的发射极 其作用与典型的静态工作点稳定电路中的Re相同 A点的电流方程 当 10时 IC2 0 984IR 可见 在 很小时 也可认为IC2 IRIC2受基极电流影响很小 故 B点的电流方程 IC3 IE3 IREFRe Re3 4 2 3多路电流源 电路图 公式推导 IE IC IREF IB0 当 较大时IC IREF 由于各管的 和UBE均相同 IERe IREFRe IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 IC2 IE2
8、IREFRe Re2 IC1 IE1 IREFRe Re1 所以 图4 2 6基于比例电流源的多路电流源 当基极电流一定时 集电极电流之比等于它们的集电区面积之比 MOS管多路电流源 图4 2 8MOS管多路电流源 设沟道宽长比W L S 漏极电流之比正比于沟道的宽长比 图4 2 7多集电极管构成的多路电流源 多集电极管构成的多路电流源 例4 2 1图4 2 9所示电路是型号为F007的通用型集成运放的电流源部分 其中T10与T11为纵向NPN管 T12与T13是横向PNP管 它们的 均为5 b e间电压值均约为0 7V 试求出各管的集电极电流 解 0 73mA IC10 28 A 0 52m
9、A 图4 2 9F007中的电流源电路 4 2 4以电流源为有源负载的放大电路 在集成运放中 常用电流源电路取代Rc或Rd 这样在电源电压不变的情况下 既可获得合适的静态电流 对于交流信号 又可获得很大的等效Rc或Rd的 晶体管和场效应管是有源元件 又可作为负载 故称为有源负载 一 有源负载共射放大电路 2 静态分析 基准电流 空载时T1管的静态集电极电流 1 电路图 一 有源负载共射放大电路 3 动态分析 若RL rce1 rce2 则 二 有源负载差分放大电路 1 电路图 2 静态分析 二 有源负载差分放大电路 3 动态分析 iO iC4 iC2 2 iC4 图4 2 11有源负载差分放大电路 当差模信号 uI输入时 由此可见 输出电流约为单端输出时的两倍 当电路带负载电阻RL时 若RL与 rce2 rce4 可以相比 若RL rce2 rce4 图4 2 11有源负载差分放大电路 二 有源负载差分放大电路 利用镜像电流源可以使单端输出差分放大电路的差模放大倍数提高到接近双端输出的情况
