1、第十三讲 集成运算放大电路第十三讲 集成运算放大电路一、概述二、集成运放中的电流源电路三、集成运放电路分析四、集成运放的主要性能指标五、集成运放的种类一、一、概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。用差分放大电路和电流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。作的大电阻。（4 4）采用复合
2、管。）采用复合管。 1. 集成运放的特点集成运放的特点 集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。2. 集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。一个双端输入、单端输出的差分放大电路。集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，
3、多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。的放大能力。功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。为各为各级放大电路设置级放大电路设置合适的静态工作合适的静态工作点。采用电流源点。采用电流源电路。电路。3. 集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN) 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放
4、工作在线性区时的最大输入电压最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN) Aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输出不是集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。二、集成运放中的电流源电路二、集成运放中的电流源电路1. 镜像电流源镜像电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。B0B1BE0BE1IIUU，CCB10B0CR2IIIIIIRC 2II ，则若在电流源电路
5、中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有电路中有负反馈吗？负反馈吗？基准电流基准电流RUVI)(BECCRRC2IICC0C1III2. 微电流源微电流源 要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。eBE1BE0E1)(RUUITBE1BE0TBEe eSE1E0SEU)UU(UUIIIII，eE1E10ETBE10BElnRIIIUUURUVIIIIIBE0CCR C0 E01C 1E设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IE0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程
6、Re3. 多路电流源多路电流源（1 1）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。 UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3（2 2）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根据所需静态电流，来确定集电结面积。根据所需静态电流，来确定集电结面积。设三个集电区的面积分别为设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则，则02C0C201C0C1S
7、SIISSII，（3 3）MOS管多路电流源管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。 MOS管的漏极管的漏极电流正比于沟道电流正比于沟道的宽长比。的宽长比。 设宽长比设宽长比W/L=S，且，且T1T4的宽长比分别为的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则，则03D0D302D0D201D0D1SSIISSIISSII，基准电流基准电流4. 有源负载有源负载1）用于共射放大电路）用于共射放大电路哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？静态时静态时UIQ为多少？为多少？为什么要考虑为什么要考虑 h22?be1b
8、Lce2ce11)( rRRrrAu（2）用于差分放大电路）用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。0 C2C4Oiii静态：静态：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，动态：动态：三、集成运放电路分析1. 读图方法读图方法了解要分析的电路的应用场合、用途和技术了解要分析的
9、电路的应用场合、用途和技术指标。指标。将整个电路图分为各自具有一定功能的基本将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。电路。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。电路相互连接关系以及连接后电路实现的功电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。能和性能。必要时可估算或利用计算机计算电路的主要必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。2. 举例：举例：型号为型号为F007的通用型集成运放的通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首
10、先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放大电路三级放大电路简化电路简化电路分解电路分解电路输入级的分析输入级
11、的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9因为因为IC10不变不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出输入级的分析输入级的分析T7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3
12、、T4的有源的有源负载，而负载，而T4又是又是T6的有源负载。的有源负载。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电输入端耐压高，并完成电平转换（即对平转换（即对“地地”输输出）。出）。中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。 F007的中间级是以复合的中间级是以复合管为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋
13、于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级输出级的分析输出级的分析D1和和D2起过流保护作用，未过起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。流时，两只二极管均截止。79O14BE1DRURiUU iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，导通，为为T14基极分流，从而保护基极分流，从而保护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高判断同相输入端
14、和反相输入端判断同相输入端和反相输入端F007所具有的高性能所具有的高性能 Ad较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强 Ac较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强 rid较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小 ro小：带负载能力强小：带负载能力强 Uom大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压 输入端耐压高：使输入端不至于击穿的输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。差模电压大。 uIcmax大：接近电源电压大：接近电源电压四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻
15、差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB )(lg20lg20NPOoduuuAPNPid)(iuurcodCMRlg20AAK四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 UIO的温漂的温漂dUIO/dT() 几几V/ 0UIO的温漂的温漂dUIO/dT() 几几V/ 0输入失调电流输入失调电流 IIO 20nA 0IIO的温漂的温漂dIIO/dT() 几几nA/ 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。B2B1IOIII四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcm
16、ax 13V-3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V超过此值输入级差分管将损坏。超过此值输入级差分管将损坏。上限截止频率。上限截止频率。maxOddtuSR 对大信号的反应速度对大信号的反应速度为什么这么低？为什么这么低？四四、集成运放的主要性能指标、集成运放的主要性能指标 开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压输入失
17、调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几V/ 0 输入失调电流输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几nA/ 0 最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13V 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V -3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 五、集成运放的种类按工作原理按工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型
18、：输入量为电压，输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信 号控制那个通道的信号放大号控制那个通道的信号放大五、集成运放的种类按性能指标按性能指标rid，可高于，可高于1012。 用于测量放大器、信号发生器。用于测量放大器、信号发生器。 fH和和SR高，高， fH可达可达1.7GHz，SR可达可达 103V/S。 用于用于A/D、D/A转换电
19、路、视频放大器。转换电路、视频放大器。低失调、低温漂、低噪声、高增益，低失调、低温漂、低噪声、高增益， Aod高于高于105dB。 用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。工作电源电压低、静态功耗小，在工作电源电压低、静态功耗小，在100200W。 用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。通常情况下用通用型运放，特通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。殊情况下才用专用型运放。讨论一根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。根据下列要求，将应优先考虑使用的集成运放填入空内。已知现有集成运放的类型是
20、：已知现有集成运放的类型是： 通用型通用型 高阻型高阻型 高速型高速型 低功耗型低功耗型 高压型高压型 大功率型大功率型 高精度型高精度型1. 作低频放大器，应选用作低频放大器，应选用 。2. 作宽频带放大器，应选用作宽频带放大器，应选用 。3. 作幅值为作幅值为1V以下微弱信号的量测放大器，应选用以下微弱信号的量测放大器，应选用 。4. 作内阻为作内阻为10M信号源的放大器，应选用信号源的放大器，应选用 。5. 负载需负载需5A电流驱动的放大器，应选用电流驱动的放大器，应选用 。6. 要求输出电压幅值为要求输出电压幅值为80的放大器，应选用的放大器，应选用 。7. 宇航仪器中所用的放大器，应选用宇航仪器中所用的放大器，应选用 。清华大学 华成英 讨论二1. 输入级采用什么措施增大放大倍数？输入级采用什么措施增大放大倍数？2. 中间级采用什么措施增大电压放大倍数？中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3. 如何消除交越失真？如何消除交越失真？4. uI1、 uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？有源负载有源负载有源负载有源负载复合管共射放大电路复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻增大输入级的负载电阻_+_+反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端增大第二级的增大第二级的负载电阻负载电阻超超管管
