1、第5章 集成运算放大电路,集成电路及其分类,1、小规模集成电路（0100个元件）中规模集成电路（1001000个元件）大规模集成电路（1000个元件以上）超大规模集成电路（十万个元件以上）,5.1 集成放大电路的特点,2、模拟集成电路数字集成电路,3、集成运算放大器集成功放集成高频放大器集成中频放大器集成比较器,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：, ,集成运算放大器( 简称集成运放)是实现高增益放大功能的、应用最普遍的一种集成器件。早期主要用来实现对模拟量进行数学运算的功能，目前，随着器件性
2、能的改进，它已成为通用的增益器件，如同三极管一样，广泛用于电子线路的各个领域,集成运算放大器的组成、框图以及符号,集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合的放大电路，它的类型很多、电路也不一样，但是其结构具有共同的之处。,集成运放的引出脚及表示符号,集成运放的封装形式主要有三类：金属圆帽封装、双列直插封装和贴片SOP封装,5.2 集成运放的主要技术指标,1、开环电压增益 无外加反馈时的差模电压增益理想条件下：AVd= 2、输入失调电压：为了使输出为0，在输入端加的补偿电压。一般为110毫伏，高质量的低于1毫伏。 3、输入失调电压的温漂输入失调电压在规定的范围内的
3、温度系数，一般为每度 1020微伏、高质量的小于每度0.5微伏。,4、输入失调电流输出电压为0时，输入端的偏置电流之差。一般为几十到几百纳安。高质量的低于1纳安。 5、输入失调电流的温度漂移输入失调电流的温度系数，一般为每度几纳安。 6、输入偏置电流输出电压为0时，两个输入端的偏置电流的平均值。 7、差模输入电阻差模输入时，从输入端看的等效电阻。8、共模抑制比 差模电压增益与共模电压增益之比。 CMRR=,运放的主要技术指标,运放的主要技术指标,9、最大的差模输入电压 10、最大的共模输入电压 11、3dB频带宽度 12、单位增益带宽 13、转换速率SR,集成运放的内部电路包括四个基本的环节组
4、成环节：输入级、中间放大（兼电平移动）级、输出级和各级的偏置电路。,5.3 集成运算的基本组成部分,图 5.3.1,1、镜像恒流源电路,IR基准电流 I0提供给其他放大级的偏置电流 T1、T2具有良好的对称性。,(电流源与应用),5.3.1 偏置电路,1、镜像恒流源电路,VBE1=VBE2 IC2=IC1=IR2IB=IR2IC1/,则 I0=IC2=,当1时 I0IR=,特点： IR选定后，I0随之确定镜像恒流源； I0受电源VBE变化的影响较大； 要得到较小的电流，就需要较大的电阻R，故此电路适用于工作电流I0较大的场合（毫安级）；,2、比例电流源电路,由,得,由图知：VBE1+IE1R1
5、= VBE2+IE2R2,即,若两管的足够大，可认为：I0IE2，IE1IC1= IREFIB1IB2IREF,电流源与应用,3、微电流源电路,由,得,由图：VBE1= VBE2+IERe 则：IERe= VBE1VBE2, IS1IS2，IE1IC1 IR，IE2IC2I0,得,（当IR、Re确定时，可求出I0）,上式为超越方程，可用图解法或累式法求解。,集成运算放大器的输入级一般由差分放大器组成。差分放大器就其功能来说，是对差模输入信号输入具有放大作用，而对共模输入信号不具有放大作用的放大器，由于其电路的优越性能，它是集成电路运算放大器的主要组成单元。,5.3.2 差分放大输入级,差分放大
6、电路的基本信号,差模输入信号就是指差分放大器两个输入端的输入信号分别作用于一对大小相等，极性相反的输入信号电压，即,共模输入信号是指差分放大器的两输入端分别输入一个大小相等，极性相同的信号，即,称它们为一对共差模输入信号，并表示为：,实际加到差分放大器两输入端一对的信号电压可分解为一对大小相等、极性相同的共模信号和一对数值相等、极性相反的差模信号之和,在差分放大器的两个输出端，输出一对大小相等，极性相反的输出信号，叫做差模输出信号，即,可以表示为：,输出端输出一对大小相等，极性相同的输出信号叫做共模输出信号，即,可以表示为：,（1）电路组成,特点：结构对称。,1、基本形式差分放大电路,（2）
7、工作原理 当i=0时，i1=i2=0，一方面 o1= o2=0，另一方面VC1=VC2，可见，在电路完全对称的情况下，输入信号为零时，输出信号也为零。 当 id0时， i1=- i2， 则 o1=- o2，同时VC1=VC2，则输出信号 o= o1- o2=2 o1，即输入信号不为零时，输出信号也不为零。,i2,i1,o,RC,Rs,RC,Rs,VCC,o1,o2,差模增益、共模增益、共模抑制比,差模放大倍数 Ad ：差模输入电压放大倍数,越大越好,共模放大倍数 Ac ：共模输入电压放大倍数,越小越好,共模抑制比KCMR：差模放大倍数和共模放大倍数之比,越大越好,（2）静态工作点分析,2.长尾
8、式差分放大电路：（1）电路组成,差模放大倍数：,即这种电路的电压放大倍数与单管放大器的电压放大倍数相同。,总的差模电压放大倍数：,（3）动态分析,差模输入电阻：,差模输入电阻是从差分对放大器两端看进去的电阻，它是两个发射极电路看进去的电阻之和。,差模输出电阻,单端输出时的差模输出电阻为共发射极的输出电阻。 双端输出时的差模输出电阻为两个共发射极的输出电阻之和,共模等效电路,ui2,VCC,两边加相同的电压时，集电极电路同时增大，同时减小，流过REE的交流电流是单管的两倍，相当于发射极接有2 REE。,共模放大倍数,性能分析,共模输入电阻：,共模输出电阻,共模放大倍数,差分放大器的任一端看进去的
9、共模输入电阻,差分放大器的任一端的共模输出电阻为,单端输出时,双端输出时,性能分析,共模抑制比（Common - Mode Rejection Ratio),差动放大器,对理想的差动放大器：KCMR=一般的差动放大器： KCMR=60dB（左右）差分放大电路能有效地放大差模信号，而对共模信号有很强的抑制能力。这是它的主要优点。差模放大倍数越大，共模放大倍数越小，即对共模信号的抑制能力越强，说明放大器的性能越好。,-VEE,对零点漂移的抑制,由于电路完全对称，当温度变化时，两管的零漂总是一样的，这相当于在两管的输入端加了一个共模信号， ic1= ic2，则 oc=Av ic=Av( ic1- i
10、c2)=0差分放大器可以完全抑制共模信号。,差动放大器,性能分析,后面讨论,差动放大器,电路不对称的影响,2、双端输出时的共模抑制比,理想对称时，输入差模信号只有差模信号输出，输入共模信号只有共模信号输出。,实际输入时，无论输入差模还是共模信号，都出现差模信号和共模信号输出。,（4）、失调电压与失调电流的温度漂移,发射极调零电路,集电极调零电路,必须注意：调零电路不可能更随温度得变化而变化，故调零电路可以克服失调，但是不能消除温漂。,当环境的温度变化时，失调电压与失调电流随着温度的变化而变化，且与失调电压与失调电流成正比，要减小温度的漂移，就要减小失调电压与失调电流。,1、结构,为了使左右平衡
11、，可设置调零电位器:,典型电路分析 长尾电路,2、 RE的作用,设 i1 = i2 = 0, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。,温度T,IC,IE = 2IC,VE,VBE,IB,IC,RE 具有强负反馈作用,1、结构,为了使左右平衡，可设置调零电位器:,典型电路分析 长尾电路,差动放大器,2、 RE的作用,两管的集电极电压的变化，也是大小相等，方向相反，当负载接在两管的集电极之间时，负载两端的输出电压是两管集电极的电位差，而不是相互抵消。, RE对差模信号没有反馈作用。,vi1,vi2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = - ic2,iRE = ie1+ ie2 = 0,vRE
12、 = 0,RE对差模信号不起作用,3、Q点的计算,典型电路分析,差动放大器,Q点：IC1IE1IB1=IC1/1VCE1=VCC-IC1(RC1+2RE)-VEE,VEE-VBE1=IE1(WP/2+2RE)+IB1Rs= IE1(WP/2+2RE)+,得：,(1) 差模输入,均压器,4、放大倍数的计算,典型电路分析,差动放大器,(1) 差模输入,4、放大倍数的计算,典型电路分析,差动放大器,在双端输出时：,在单端输出时：,(1) 差模输入,4、放大倍数的计算,典型电路分析,差动放大器,说明： 差分电路的差模电压放大倍数与对应的单管放大器相等。 选择较大的负载电阻和较高的管子，可以获得较大的放
13、大倍数。 WP对差模信号有负反馈作用，故不能太大。 单端输出的Avd是双端输出的Avd的一半。,(2) 共模输入,4、放大倍数的计算,典型电路分析,说明： Avc在单端输出的情况下与对应的单管放大器相等，但很小。 在双端输出时，由于电路的对称性，使Avc=0。 因为零漂信号就是共模信号，故电路对零漂有抑制作用。,在单端输出时：,(1) 差模输入,5、输入电阻和输出电阻,典型电路分析,差动放大器,两输入端之间的电阻,(2) 共模输入,典型电路分析,差动放大器,5、输入电阻和输出电阻,每个输入端对地的电阻,典型电路分析,差动放大器,6、四种接法,（1）双端输入，双端输出；,（2）双端输入，单端输出
14、；,（3）单端输入，双端输出； 虽是单端输入，但由于Re的负反馈作用，其实际效果等效于双端输入。,（4）单端输入，单端输出；,差动放大器的改进,差动放大器,1、采用恒流源的差动放大器,已知Re对共模信号有反馈，对差模信号无反馈，故Re越大越好，但Re太大，必须电源电压很高。,例如：设IRe=1mA，当Re=10k时，Ve=10.7V；当Re=100k时，Ve=100.7V。,对晶体管的e极和c极之间，具有极高的等效阻抗而压降不大。,1、采用恒流源的差动放大电路,采用恒流源的差动放大电路,电路结构:,由于T3的恒流作用，当为共模信号时，T1、T2的e极电位，将随输入信号变化而变化，但两管的电流I
15、C1、IC2却几乎不变，故VC1、VC2几乎不变。 R3是负反馈电阻，提高了恒流源IC3的稳定性和进一步提高恒流源的交流输出电阻。,差分放大电路不同接法的小结,1、双端输出时，放大倍数和单管相同，单端输出时为一半。,2、双端输出时，输出电阻RO=2RC；单端输出时， RO=RC。,3、双端输出时，共模抑制比KCMR=，单端时KCMR仍较高。,4、单端输出时，可从不同三极管输出，使输出电压与输入电 压反相或同相。,5、单端输入时，由于很强的负反馈，两管仍是差分状态。,Rid2(R+rbe),6、单端输入时，从一个三极管到公共端差模输入电阻,差分放大电路的主要性能和特点列于表5-1，便于对照比较,
16、有源负载差分放大器,iR,电路中差分对的电流源既由有源负载设定，又由恒流源设定，要实现两种设定严格一致非常的困难一般采用（2）图,输入差模电压的作用下：,输入共模电压的作用下：,5.3.3 中间级,中间级主要功能：提供足够大的电压增益；有较高的输入电阻；能够提高较大的输出电流；将输入级的双端输出变为单端输出；实现电位移动。 （1）有源负载共射放大电路,用有源元件代替放大器中的RC，可使放大倍数大大提高，而不需增加电源电压。但应尽可能地提高晶体管的输出电阻和下一级的输入电阻。有源负载放大器允许电源电压变动的范围较宽。,（2）复合管,作用：得到很高，提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影
17、响，特别是前级采用有源负载时。,经常用于中间级和输出级。,VT1、VT2组成复合管,VT3有源负载,作为偏置电路,基准电流IREF:,根据基准电流确定放大管的工作电流。,（3）电平移动电路,因为恒流源的交流电阻很大 rR，直流电阻较小，故：21，V2=V1I0R,（3）电平移动电路,PNP管与NPN管搭配的移动电路,T1：NPN管作放大用。 T2：横向PNP管既有一定放大又作电平移动。 对T1：VCVB，对T2：VCVB 只要选得合适，可将T2的VC降到合适。 优点：在移动电平的同时，兼有放大作用。 缺点：横向PNP管截止频率低，使通频带变窄。,5.3.4 输出级,输出级: 要求有较大的额定输
18、出电压和电流；较低的输出电阻；有过载保护。,合理选择Re、VCC、VEE使得静态时 0=0 这种电路的缺点是正、负向跟踪能力不一样 正向输出时，T导通，最大输出电压为：VCCVCES 负向输出时，T截止，电流经RL、Re流向VEE，最大输出电压,1. 互补对称输出级,2.过载保护电路,(a) 二极管保护电路,(b) 三极管保护电路,图5.3.19 过载保护电路,5.4集成运放的典型电路,两种典型集成运放电路：双极型为LM741，CMOS为C14573,5.4.1双极型集成运放LM741,输入级,中间级,输出级,偏置电路,通用型集成运放,F007、5G24（NI,国外其他公司,uA741，F74
19、1，,AD741、PC741,（1）偏置电路,流过电阻R5的基准电流IREF,VT11、VT10和R4为微电流源,IC10比IC11小的多，更稳定,提供VT9的集电极电流IC9,和VT3、VT4的基流I3，4,横向PNP管VT8、VT9组成镜像电流源产生I8决定输入级,VT1、VT2的集电极电流，输入级工作在弱电流状态，电流比较稳定。,VT12、VT13组成另一组镜像电流源，产生IC13，提供中间级放大管VT16、VT17的静态电流。,（2）输入级,有源负载,至中间级,VT1、VT2共集电路，提供高的差模输入电阻，共模输入电压。,VT3、VT4共基电路，电压放大,VT5、VT6构成有源负载,V
20、T4的集电极送出单端输出信号,IC10=IC9+I3、4,IC9,I3、4,（3）中间级,输入信号来自VT4、VT6集电极,输出至互补对称放大电路,VT16、VT17组成复合管,VT13组成有源负载,加入C1=30pF防止自激震荡,（4）输出级,VT14、VT20组成互补对称电路,VT19实现过载保护,为减小交越失真,VT15、R7、R8 组成UBE扩大电路,集成运算放大器的基本单元电路,5、实际电路分析LM741,集成运算放大器,集成运算放大器的基本单元电路,5、实际电路分析LM741,集成运算放大器,主要特点 采用有源负载，使电压放大倍数很高（十万倍）； 放大级数少（采用两级放大），十相位
21、校正十分简便（用一只30PF的电容作校正元件，就能够保证在各种情况下稳定工作）； 输入阻抗高，共模抑制比高，有过载保护，功耗低；,反相放大器,集成运算放大器的输入电阻无穷大，故两个输入端的电流趋于零，我们把这种现象叫做“虚断”，“虚断”是指集成运算放大器的两个输入端的电流趋于零，但是并不是真正的断路； 由于开环电压增益无穷大，输出电压不可能为无穷大，故两个输入端的电压为无穷小，即两个输入端不取电压，可以视为短路，我们把这种现象称为“虚短”、，“虚短”是指两个输入端的电位非常的接近，但是又不是真正的短路。,同相放大器,同相放大器的输出电压与输入电压同相，放大器的放大倍数只与外加的电阻有关，与运算放大器无关。,电流模电路基础,电流模电路的一般概念,跨导线性电路,电流镜和电流传输器,开关电流电路,支撑电路,第五章 结束,
