1、第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路内容提要内容提要1、了解集成化元器件及其特点2、掌握集成差动放大电路的构成、放大差模抑制共模的工作原理及分析方法3、掌握电流源电路的特点及典型的电流源电路4、理解功率输出级电路与小信号放大电路的区别及集成运算电路的一般结构形式 5、集成运算放大器在线性和非线性应用方面常用电路的组成、工作原理和电路功能4.14.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点将整个电路的各个元件做在同一个半导体将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上的电路称为集成电路。基片上的电路称为集成电路。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、
2、重量轻、功耗小。体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集集成电路的分类：模拟集成电路、数字集 成电路；中、大、超大规模集成电路等成电路；中、大、超大规模集成电路等集成电路的特点：1、不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载2、元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路3、只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外4、不能制造电感，如需电感，也只能外接。5、集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下4.2 4.2 集成运放的基本组成部分集成运放的基本组成部分输入级中间级输出级偏置电路偏置
3、电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点，采用电流源电路输入级：通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗中间级：通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数输出级：通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力4.2.1 4.2.1 偏置电路偏置电路一、镜像电流源1CCBEREFVUIR2112R E FCII2当满足条件由于输出IC2和基准电流IREF相等，它们之间如同镜像的关系，故称为镜像电流源。RUVIIBECCREFC1二、比例电流源VT1VT2UBE1UBE2IC1IC2IB1IB2RIREF+VCCR1R2REFC
4、CIRRIRRI211212两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。三、微电流源微电流源VT1VT2UBE1UBE2IC1IC2IB1IB2RIREF+VCCReVT2能得到微安级的输出电流，同时电阻值又不太大，称为微电流源。21SSII设eCCCTRIIIU221ln得1212122lnlnBEBECCTSSCeUUIIUIIIR例：下图所示为多集电极晶体管构成的多路电流源。已知集电极C0与C1所接集电区的面积相同，C2所接集电区的面积是C0的两倍，ICO/IB=4，e-b间电压约为0.7V。试求解IC1、IC2各为多少？解：解：多集电极晶体管集电极电流正比
5、于集电区的面积。先求出R中电流，再求解IC1、IC2。A3202A160A 1601 V)7.0(A 200C0C2C0C1C0C0C0BCEBEBCCIIIIIIIIIIIURUVIRRR其中4.2.2 4.2.2 差分放大输入级差分放大输入级一、基本形式差分放大电路1、电路组成uoRC1Rb1VT1R1RC2Rb2VT2R2+VCCuId电路结构对称，输出端的零点漂移将互相抵消差模输入电压12Idu12Idu2、电压放大倍数假设每一边单管放大电路的电压放大倍数为Au1，则VT1和VT2 的集电极输出电压的变化量分别为：IduCuAu1121IduCuAu1221IduCCOuAuuu121
6、1uIdOdAuuA故差模电压放大倍数为3、共模抑制比+VCCuouICRCRbVT1RRCRbVT2R共模输入电压IdOduuA差模电压放大倍数:ICOCuuA共模电压放大倍数:CdCMRAAKlg20共模抑制比描述差分放大电路对零漂的抑制能力。共模抑制比愈大，抑制零漂的能力愈强。理想情况下，两管输出端的温漂完全抵消，则共模电压放大倍数 AC=0，共模抑制比KCMR=。共模抑制比:差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比二、长尾式差分放大电路1、电路组成uoRCVT1RRCVT2R+VCCuIdRe-VEE长尾式差分放大电路12Idu12Idu2、静态分析静态基极电流为eBEQEEBQRRUV
7、I)1(2静态集电极电流和电位为BQCQIICCQCCCQRIVU（对地）静态基极电位为RIUBQBQ（对地）3、动态分析uoRCVT1RRCVT2R1Iu2Iu2LR2LR交流通路beLCIIOdrRRRuuuA)2/(21差模电压放大倍数为差模输入电阻为输出电阻为2idbeRR r2OCRR三、恒流源式差分放大电路（动态分析与长尾式相同）静态分析：12312CQCQCQIII121()CQCQCCCQcUUVIR对地1121C QB QB QIII121()BQBQBQUUIR对地为了简化，常不把恒流源式差分放大电路中VT3具体电路画出，采用简化的恒流源符号表示。四、差分放大电路的输入、输
8、出接法差动放大电路具有四种不同的工作状态：双端输入，双端输出；单端输入，双端输出；双端输入，单端输出；单端输入，单端输出。单端输入：单端输入和双端输入并没有本质的区别，可以直接利用双端输入时的公式进行计算单端输出：单端输出的输出信号可以取自VT1或VT2的集电极 （1）单端输出时的差模电压放大倍数Aud1 （2）单端输出时的共模电压放大倍数Auc1 （3）单端输出时的共模抑制比KCMR （4）单端输出时差动放大电路的输出电阻rod1、差分输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEIR+beLCd)2/(rRRRA)(2beidrRRco2RR 2、差分输入、单端输出RcVT
9、1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEIR+)(2beidrRRcoRR 若从VT2 集电极输出，表达式中 没有负号。beLCd)/(21rRRRAdA3、单端输入、双端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+beLCd)2/(rRRRA)(2beidrRRco2RR4、单端输入、单端输出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若从VT2 集电极输出，表达式中 没有负号 dAbeLCd)/(21rRRRA)(2beidrRRcoRR例：电路如下图所示，具有理想的对称性。设各管均相同。（1）说明电路中各晶体管的作用 （2）若输入差模电压为（uI1uI2），则由此产生
10、的差模电流为iD，求解电路电流放大倍数Ai的近似表达式。解：解：（1）图示电路为双端输入、单端输出的差分放大电路。T1和T2、T3和T4分别组成的复合管为放大管，T5和T6组成的镜像电流源为有源负载。（2）由于用T5和T6所构成的镜像电流源作为有源负载，将左半部分放大管的电流变化量转换到右边，故输出电流变化量及电路电流放大倍数分别为 )1(2)1(2IOIOiiAiii 四种接法性能比较：输入输出方式差模信号uid共模信号uic差模电压放大倍数 Aud差模 Rid差模Rod 共模抑制比KCMR双入双出uid=ui uic=0单入双出uid=ui uic=0双入单出uid=ui uic=ui/2
11、单入单出uid=ui uic=ui/2较高较高很高很高很高很高很高很高)(2berr)(2berr CR2CRbeLCrRRR)2/(beLCrRRR)2/(214.2.3 4.2.3 中间级中间级一、有源负载uIVT3VT2VT1RI+VCCuO有源负载单管共射放大电路3CCBEVUIR uIVT3VT4+VCCVT1VT2iC3iC1iC4iC2iO-VEEI有源负载差分放大电路4242cccoiiii二、复合管VT1VT2bceecbVT1VT2bceecb21iCiEiBVT1VT2两个NPN管组成的复合管12111bebeBBErriu2111bebeBBEberriur4.2.4
12、4.2.4 输出级输出级互补对称电路+VCC-VCCR1R2RVD1VD2NPNPNPVT1VT2RLuOuIiC1iC2iB1iB20iLt交越失真4.3 4.3 集成运放的典型电路集成运放的典型电路集成运放的原理图 集成四运放集成四运放LM324 LM324 LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小，可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在反相交流放大器、同相交流放大器、测温电路、比较器等各种电路中。LM324作反相交流放大器 代替晶体管进行交流放大,用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器电压放大倍数 Av=-Rf/Ri。LM324作测温电路 感温探头采用一只硅三极管3
13、DG6。运放A1连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体管BG1压降越小，运放A1同相输入端的电压就越低，输出端的电压也越低。这是一个线性放大过程。在A1输出端接上测量或处理电路，便可对温度进行指示或进行其它自动控制。OP07介绍：OP07运算放大器的输入失调电压低,输入偏置电流小,开环增益高。这些特性使这种运算放大器非常适合用于高增益仪器系统。此外,OP07的失调和增益具有极好时间稳定性和温度稳定性。一、开环差模电压增益Aod 无外加反馈情况下的直流差模增益。一般在105 107之间。理想运放的Aod为。二、共模抑制比KCMR4.44.4 集成运放的集成运放的主要主要技术指标技术指标UUUAO
14、odlg20 开环差模电压增益与开环共模电压增益之比。多数集成运放共模抑制比达80dB以上。ocodCMRAAKlg20三、最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。七、共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。四、输入失调电压 UIO五、输入失调电流 IIO六、输入偏置电流 IIB4.54.5理想运算放大器理想运算放大器4.5.14.5.1理想运放的技术指标理想运放的技术指标开环差模电压增益 Aod=；输出电阻 ro =0；共模抑制比 KCMR =；差模输入电阻 rid=；UIO =0、IIO=0
15、、UIO =IIO=0；输入偏置电流 IIB =0；-3 dB 带宽 fH =，等等。Ouu+uoAodi-i+电压传输特性集成运放的电压和电流OPPUuoui+UOPP-UOPP线性放大区线性放大区非线性区非线性区uoui+UOPP-UOPP线性放大区非线性区非线性区Aod越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。uo=Aod(u+u)1、差模输入电压约等于零 即 u+=u ,称“虚短”2、输入电流约等于零 即 i+=i 0,称“虚断”4.5.3 4.5.3 理想运放工作在非线性区时的特点理想运放工作在非线性区时的特点1、输出电压有两种可能 uuOPPoUu uuOPPoU
16、u当当时时2、输入电流0ii在非线性区，虽然运放两个输入端的电压不相等，即 ，但理想运放 。uuodr1、通用型。性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如CF741等。2、高精度型。失调电压温度系数在1V左右，能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性，如CF75、CF7650等。3、低功耗型。静态功耗2mW，如XF253等。4、高阻型。输入电阻可达1012，如F55系列等。4.6 4.6 各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点4.7 4.7 集成运放使用中的几个具体问题集成运放使用中的几个具体问题4.7.14.7.1集成运放参数的测试集成运放参数的测试
17、集成运放组件的各项指标通常是由专用仪器进行测试的，但也可用简易测试方法进行测试，主要测试的内容包括：输入失调电压U0S、输入失调电流I0S、开环差模放大倍数Aud、共模抑制比CMRR、共模输入电压范围Uicm、输出电压最大动态范围UOPP 等 4.7.24.7.2使用中可能出现的异常现象使用中可能出现的异常现象1、不能调零.调零电位器故障；.应用电路接线有误或有虚焊；.反馈极性接错或负反馈开环；.集成运放内部损坏；.关断电源后重新接通即可恢复是 输入信号过大而造成“堵塞”现象原因:2、漂移现象严重l存在虚焊点l运放产生自激振荡或受强电磁场干扰l集成运放靠近发热元件l输入回路保护二极管受光照射l
18、调零电位器滑动端接触不良l集成运放本身损坏或质量不合格等原因：3、产生自激振荡消振措施：l按规定部位和参数接入校正网络l防止反馈极性接错l避免负反馈过强l合理安排接线，防止杂散电容过大4.7.34.7.3集成运放的保护集成运放的保护1、输入保护反相输入保护uO+AR1RFVD1VD2uI限制集成运放两个输入端间的差模输入电压不超过二极管VD1、VD2的正向导通电压同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuI限制集成运放的共模输入电压不超过V至V的范围 2、电源极性错接保护若电源的极性错接，二极管VD1、VD2不能导通，使电源断开+AVD1VD2电源接错保护3、输出端错接保护+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI利用稳压管保护运放4、输出限流保护+AVT1VT2VEER2R3R4R1VT4R5VT3+VCCC1C2(b)保护管工作特性正常工作时工作点在 A，工作电流过大，工作点经B 移到C或D 点，电流基本不变(a)电 路 图BCDAICUCEO输出限流保护本章小结1、掌握差分放大电路的工作原理以及四种不同输入、输出方式时的性能特点；掌握差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻的概念和估算方法2、正确理解电流源的工作原理3、掌握理想运放的概念，正确理解“虚短”和“虚断”的含义4、了解集成运算放大电路的特点，各个基本组成部分的作用，了解一种典型集成运放电路的工作原理
