1、第三节 集成运放的基本组成部分,偏置电路,差分放大输入级,中间级,输出级,下页,总目录,向各放大级提供合适的偏置电流,克服零点漂移,提供负载所需功率及效率,提供电压放大倍数,集成运放的基本组成部分,下页,上页,首页,前面电路中，静态工作点一般是利用外界电阻元件来建立的。但在集成电路中制造一个三端器件比制造一个电阻所占用的面积小，也经济，因而采用晶体管或结型场效应管制成电流源，以使集成电路获得稳定的直流偏置。,一、偏置电路,1. 镜像电流源,IC2 IREF,IREF - 2IB,当 2 时,下页,上页,首页,即基极电流IB可以忽略,优点：结构简单，温度补偿。 T IC1 、 IC2 IRFE
2、UR UBE IC1 、 IC2 ,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,镜像电流源适用于较大工作电流，毫安级。若是工作电流小（微安级），则要求R的值很大，这在集成电路中难以实现。,UBE1 UBE2,2. 比例电流源,UBE1 + IE1R1,= UBE2 + IE2R2,IE1R1 IE2R2,下页,上页,首页,与镜像电流源共同缺点： VCC变化时 IC2同规律变化。 且若是工作电流小（微安级），则要求R的值将达兆欧级。,3. 微电流源,UBE1 UBE2 = IE2Re, IC2Re,UBE1 UBE2, IC2 Re,下页,上页,首页,由ICI和IC2可求出Re,rorce2（1 ）,Re
3、由于引入了电流负反馈： UCC、VEE变IREF、UBE变Re2大， UBE2 UBE1 VT2工作在输入特性的弯曲部分 IC2的变化远小于IREF 电源电压波动对工作电流的影响不大。 且提高了对温度的稳定性。 以及提高了输出电阻。,所以用不大的Re2即可获得很小的IC2。,4. 组合电流源,T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF,T1和T2、T4和T5构成镜像电流源,T1和T3，T4和T6构成了微电流源,例5.3.1 图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC =VEE =15V ，所有三极管的UBE =0.7V ，其中NPN三极管的2，横向PNP三极管的= 2 ，电阻R5 =
4、39k 。,下页,上页,估算基准电流IREF ； 分析电路中各三极管组成何种电流源； 估算VT13的集电极电流IC13 ； 若要求IC10 =28A，试估算电阻R4的阻值。,首页,下页,上页,+VCC,解：,由图可得, VT12与VT13组成镜像电流源，VT10 、 VT11与R4组成微电流源。,首页,下页,上页,不能简单认为Ic13 IREF 。, 可认为 IC11 IREF 。,首页,接入一个3K电阻，可以得到一个比基准电流小20-30倍的微电流。,0.概述,（1）. 直接耦合放大电路,可以放大直流信号,（2）.直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：,主要原因：,温漂指标：,# 为什么一般的集
5、成运算放大器都要采用直接耦合方式？,温度变化引起，也称温漂。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。,二、差分放大输入级,电源电压波动也是原因之一,例如：,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移了1V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移了 10 mV。,假设,第一级是关键,（3）. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用负反馈稳定工作点,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,（4）.用三端器件组成的差分式放大电路,
6、差分式放大电路就其功能来说，是放大两个输入信号之差。是集成运放的主要组成单元。,当差分放大电路的两个输入端接入的输入信号分别为vi1和vi2时，在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压为,（5）. 差分式放大电路中的一般概念,两信号的差值称为差模信号(大小相等，相位相反); 两信号的算术平均值称为共模信号(大小相等，相位相同)。,1.差分放大电路的基本形式,电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,两个输入、两个输出,两管静态工作点相同,（1）电路组成,下页,上页,首页,抑制零点漂移,温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，,差分式放
7、大电路对共模信号有很强的抑制作用。,其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,vc1和vc2的漂移电压相互抵消:,uO= uC1 uC2 = 0,温度变化时， uC1 和uC2 变化一致， uO 保持不变。,uO= uC1 uC2 = 0,uo= (uC1 + uC1 ) (uC2 + uC2 ) = 0,静态时，ui1 = ui2 = 0,当温度升高时ICVC （两管变化量相等）,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,下页,上页,首页,（2）差模输入电压和共模输入电压,差模输入电压 uId 两个输入电压大小相等、极性相反。,下页,上页,差模输入电压,首页,下页,上页,共模输入
8、电压 uIc 两个输入电压大小相等、极性也相同。,共模输入电压,首页,下页,上页,实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2 ，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。,其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:,例5.3.2 uI1 = 5 mV, uI2 = 1 mV,则: uId = 4 mV uIc = 3 mV,首页,共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分,差模电压放大倍数 Ad,牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制， 但不理想，因电路不可能完全对称， 单端输出时失
9、去对零点漂移的抑制能力。,下页,上页,（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比,首页,共模放大倍数,共模抑制比,下页,上页,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差放分辨 差模信号的能力越强，而抑制 共模信号的能力越强。,共模抑制比,首页,Ac 0,加上共模输入信号时，,uO = uC1 uC20,2. 长尾式差分放大电路 (减少每个管子输出端的温漂）,引入共模负反馈 降低单管零点漂移 提高了共模抑制比,补偿Re 上的直流压降，提供静态基极电流,故不需基极电阻Rb。,下页,上页,(1) 电路组成,首页,(2) 静态分析,IBQR + UBEQ + 2 IEQRe = VEE
10、,VCC - ICQ Rc,IBQ,- IBQ R,UC,UC,UB,下页,上页,首页,仿真,uo = UC1 - UC2 = 0,由此看出，温度升高时，引起两集电极电流增加，使得流过Re上的电流增加，发射极电位上升，从而限制了集电极电流的增加。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。,另一方面, 实现： 0输入 0输出,动态:,仅输入差模信号，,大小相等，相位相反。,大小相等，,信号被放大。,相位相反。,（3） 动态分析,（3） 动态分析,= Au1,Ro = 2 Rc,uc2,uc1,下页,上页,uo =2uc1,uI =u
11、I1 - uI2 =2uI1,首页,差模信号时，Re上电流不变，UE相当于固定电位，可视为动态短路,差模信号时，RL上一端电位升高，一端降低，可认为中点电位不变，交流接地。,例5.3.3在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保静态时输出为零，如右图所示。,静态分析：,IBQ=,VEE -UBEQ,R + (1+ )（ 2Re +0.5 Rw ),UCQ = VCC - ICQ Rc,ICQ IBQ,UBQ = - IBQ R,IBQR + UBEQ + IEQ （ 2 Re +0.5 Rw ) = VEE,下页,上页,首页,动态分析：,Ad =,uo,uI,= Au1,Ad = -,R+
12、rbe +,Ro = 2 Rc,uI1=,（R+rbe）,ib+ 0.5Rw ie,uc1=,（1+ ）,下页,上页,首页,3.恒流源式差分放大电路 用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re ， 既可有效抑制零漂，又便于集成。,（1） 电路组成,下页,上页,首页,(2) 静态分析 通常可从确定恒流三极管的电流开始。,UBQ1 = UBQ2,= - IBQ1 R,UCQ1 = UCQ2,= VCC - ICQ1Rc,下页,上页,首页,仿真,（3）动态分析同长尾式,例5.3.4 估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad 。,下页,上页,首页,UB1 = - IB1R,UC1,UC2,解：静态工
13、作点,下页,上页,UC1 =VCC - ICQRC,首页,仿真,解：差模电压放大倍数,下页,上页,恒流源式差放 的交流通路与 长尾式电路的 交流通路相同 二者的差模电 压放大倍数、 差模输入电阻 和输出电阻均 相同,首页,差模信号时，恒流源上电流不变，UE相当于固定电位，可视为动态短路,2. 差动放大电路可以有两个输出端。双端输出从C1 和C2输出。单端输出从C1或C2 对地输出。,几个基本概念,1. 差动放大电路一般有两个输入端：双端输入从两输入端同时加信号。单端输入仅从一个输入端对地加信号。,4.差分放大电路的输入、输出接法,（1） 双端输入、双端输出,下页,上页,首页,与单管放大电路增益
14、相同,（2） 双端输入、单端输出,用于将双端信号转化为单端信号，以便与后面放大电路共地。,下页,上页,首页,若从T2的集电极输出,（3）单端输入、双端输出,将单端信号转化为双端输出。,下页,上页,首页,等效于双端输入,指标计算与双端输入相同。,（4） 单端输入、单端输出,抑制零漂能力较强, 可使输入、输出电压反相或同相。,下页,上页,首页,仿真,1.以上都是差模输入情况，共模输入时, 双端输出,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,说明：, 单端输出,抑制零漂能力增强,故一般不计算Ac,认为约等于0.,2.共模抑制比,双端输出，理想情况,单端输出,抑制零漂能力,就越强,
15、3.频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,ro越大 , KCMR就越大,结论： 1. 双端输出时,Ad Au1,Ro = 2 Rc,理想情况下KCMR= ,2. 单端输出时,Ro = Rc,KCMR不如双端输出时高， 可选择从不同的三极管输出，使uI与uO反相或同相。,单端输入时 两个三极管仍基本工作在差分状态。,下页,上页,首页,（RL 均为10k）,先求Q点：,比例电流源,例题1,已知： =60、VBE=0.6V、rce= 100k。,设调零电位器RP的动端在中间位置。,(1) 双端输出的Ad、KCMR ；,(2) 单端vo2输出的Ad2、KCMR2 ；,(3) Rid
16、；,求：,解：,(1) 双端输出的Ad、KCMR ；,(2) 单端vo2输出的Ad2、KCMR2 ；,(4)当输出接一12k负载时的电压增益.,解：,求:,例题2：,(1)静态,(2)电压增益,(3),(4),三、中间级,1. 有源负载,要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现双端与单端信号间的转换。,放大管,用三极管代替负载电阻Rc，组成有源负载，获得较高的电压放大倍数,下页,上页,首页,2. 复合管,集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。,根据基准电流
17、IREF ， 即可确定放大管的 工作电流。,下页,上页,首页,下页,上页,iC2 - iC4,iC1iC3,iC1 = - iC2,iO = iC4 - iC2= 2iC4,放大管 足够大,电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。,有源负载,有源负载差分放大电路,首页,静态时，两管静态电流为1/2I。,iC3iC4,四、输出级,集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要， 同时还应具有较低的输出电阻，以增强带负载能力。 有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。 一般不要求输出级提供很高的电压放大倍数。 应设法尽可能减小输出波形的失真。 应有
18、过载保护，以防止在输出端意外短路或负载电流过大时烧毁功率三极管。,下页,上页,首页,1. 互补对称电路,下页,上页,集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。 为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的OCL或OTL互补对称电路。 当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路，以免要求前级放大级提供的推动电流太大。,首页,2. 过载保护电路,VD3 、VD4 和 Re1 、 Re2 组成过载保护电路。 工作电流正常时， VD3 、VD4 截止。 若VT1正向电流增大， Re1压降增大VD3导通，将VT1的基流分流。 若VT2 反向电流增大， VD4导通，将VT2的基流分流。,下页,上页,首页,VT3 、VT4 和 Re1 、 Re2组成过载保护电路。 其工作原理与二极管过载保护电路类似。,下页,上页,首页,上页,首页,课堂练习,
