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1、2019/6/4,模电课件,第四章 集成运算放大电路,4.1集成运算放大电路概述 一、集成运放的电路结构特点,集成运算放大电路：高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。,2019/6/4,模电课件,二、集成运放的电路组成,1、输入级：运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用CC-CB复合管，以便拓展通频带。 2、中间级：电压放大，要求：放大倍数要尽可能大，通常采用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压放大倍数。,2019/6/4,模电课件,二、集成运放的电路组成,3、输出级：双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是
2、提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。两只输出管轮流导通。为消除交越失真，通常会给输出管提供适当的偏置电流。 4、偏置电路：运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。,2019/6/4,模电课件,三、集成运放的电压传输特性,集成运放的电压传输特性是开环时，uo与uPuN之间关系。,集成运放有两个输入端，一个输出端。当uP为正时，uo为正，称uP为“同相输入端”，当uN为正时，uo为负，称uN为“反相输入端”。,即：,式中Aod为差模开环放大倍数，一般很大，可达几十万倍。 为净输入电压，即差模输
3、入电压,2019/6/4,模电课件,所以线性区很窄。,uo的最大值Uom=10V。,电压传输特性,2019/6/4,模电课件,4.2集成运放中的电流源电路,集成运放中的电流源由晶体管或场效应管组成，其作用： 1、为各级放大器提供合适的静态工作点； 2、代替大电阻，以提高放大电路的放大能力。,2019/6/4,模电课件,一、基本电流源电路,1、镜像电流源,当 与 特性参数完全一致时，由 可推得,Io,IO和IR呈镜像关系，此电路称为镜像电流源。,晶体管 是基准管，它的 ， 工作在放大状态。,2019/6/4,模电课件,恒流输出管 的交流通路如图(b)所示，将晶体管用微变等效 模型替代后的电路模型
4、如图(c)，显然，恒流源的内阻,2019/6/4,模电课件,2 、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图所示。,以基准管的集电极面积为基准， 可得到一组与集电极面积成正 比的多个恒流源 。,（1）多路电流源电路,2019/6/4,模电课件,（2）加射极输出器的电流源,T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1，所以IB0 =IB1=IB 。,增加 管可以进一步减少恒流输出 与基准电流 之间的差值。,IR怎么算？,2019/6/4,模电课件,二.威尔逊恒流源电路，试计算恒流输出值。,IR,整理后可得,Io更加稳定,IR怎么算？,2019/6/4,模电课件,三、微电流源,晶体管
5、是基准管，它的 ， 工作在放大状态。,T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为：,T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为：,由基极回路方程得：,2019/6/4,模电课件,将式（1）,式（2）代入式（3），同时考虑IC0IE0 IC1IE1,若不采用微电源源电路，采用基本恒流源电路，虽然只需要一个 电阻R，但此时电阻阻值要求为： 此阻值远大于微电源电路中电阻R与Re之和，意味着需要占用 更多的芯片面积。,例，当电源电压等于+15V， ， 若要产生 的恒流源，试确定电阻R1的值。 将参数代入式（4）可得,2019/6/4,模电课件,例题：,求图示电路各管的集电极电流。它们的均为5，它们b-e间
6、的电压值约为0.7V。,解：先求基准电流，R5上的电流为基准电流。,T10与T11构成微电流源：,T12与T13构成镜像电流源：,2019/6/4,模电课件,构成这类放大电路的主要元器件有三极管（场效应管）、电阻、 电解电容（耦合或旁路用）等。,图1,2019/6/4,模电课件,图2是uA741运算放大电路的原理图，其中的电阻、电容和晶体管全部由单晶硅材料制作。,图2,2019/6/4,模电课件,2静态偏置电路设计 分立元件放大电路中的电阻常用材料是金属膜，成本远低于三极管。因此，分立元件放大电路中的偏置电路尽量采用电阻分压器形式。而集成运放由于制作工艺的特点，制作一个大电阻所需的硅芯片面积要
7、远高于制作晶体管的面积。因此，在集成放大电路中会尽量少用电阻，一般不采用电阻分压方式提供静态偏置。 分立元件放大电路中常用的大容量（大于1 ）电容通常是铝质电解电容，小容量电容有瓷片电容等，成本一般都较低。设计时可应用大电容实现低频交流旁路(图1中的Ce)或直流隔直作用(图1中的C1，C2)。而集成运放中，利用PN结电容效应很难制作出容量稍大的电容。 由于制造工艺的限制，分立元件放大电路中不同三极管特性参数的离散性很大，例如，即使同一批次三极管的放大倍数 可能在200400之间，设计时必须充分考虑。集成放大电路的特点是在同一基片上可以制作参数一致性好的晶体管。 因此，集成运放电路中大量采用晶体
8、管设计恒流源偏置电路。集电极负载也不采用电阻，而是采用恒流源作为负载。,2019/6/4,模电课件,3级间耦合设计 放大电路的主要性能指标有：电压放大倍数，电流放大倍数，输入电阻，输出电阻和通频带等。不同组态的单级放大电路的的指标特性如表1。 单级放大电路由于不能同时满足上述四个指标，因而必须采用多级级联放大。级间耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等。 由于电解电容成本不高，在分立放大电路中级间常采用阻容耦合，这样可减少各级之间静态工作点的相互影响。 在集成运放电路中通常只能制作小容量（几十pF）电容，不能制作大容量电解电容，级间通常采用直接耦合。,2019/6/4,模电课件,四、以电
9、流源为有源负载的放大电路,1、有源负载共射放大电路,在集成运放的共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大倍数，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，既获得合适的静态电流，又可以得到很大的等效的Rc（或 Rd ）。,这是一个共发射极放大电路。以前在Vcc和T1之间接Rc。现在由电流源代替。,T2、T3和R组成镜像电流源。只要确定R，IR就确定。Ic2就确定。因此可以提供合适的静态偏置。,2019/6/4,模电课件,这个集电极负载叫做有源负载（有电源才能工作），电流源动态电阻等于uCE2/ic2 ,为无穷大。,对于共射极放大电路,Rc用有源负载代替，提高了 放大倍数。,
10、2019/6/4,模电课件,2019/6/4,模电课件,运算放大器的读图过程如下： （1） 运放电路结构分解 根据运放结构特点，将运放分解成输入级、中间级和输出级、基准电流源等四个基本部分。 （2） 基准电流分析 运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准参考电流IR 。 （3） 静态偏置分析 在基准电流基础上，通过镜像直流电流或微镜像直流电流源，产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源，这些直流恒流源提供放大用晶体管的静态偏置。 将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各级直流偏置。 （4） 交流分析 运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加功能
11、电路，如交越失真补偿电路等， 这些电路通常并不影响放大电路指标计算。对辅助电路进行简化，可以方便交流分析。,2019/6/4,模电课件,得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，就可以 计算放大电路的动态指标。,（1） 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路，主要由T1、T3（共集-共基组合） 和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集共射电路； 输出级由T14、T18 、 T19组成互补输出电路。,（2） 基准电流分析 T12、R5、T11组成运放的基准电流源,流过R5的基准电流为,2019/6/4,模电课件,（3） 静态偏置分析 T10与T11构成微镜像电
12、流源，一方面给T3、T4的基极提供偏置，另一方面由T8、T9构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的集电极提供恒流偏置，同时作为T1、T2的恒流负载。 T13与T12构成镜像电流源。T13一方面给T17提供偏置电流，同时作为T17的有源负载。 将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图3所示。,图3,2019/6/4,模电课件,（4） 交流分析 差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度镜像电流源作为差分电路的有源负载。,输出级中的R7,R8,T15组成倍增电路（交流短路）， 给互补输出管T14，T18,T19提供静态偏置，以消除交越越失真。,同相，反相,电压放大级：复合
13、管T16，T17，有源负载IC13 。,2019/6/4,模电课件,4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路,1、输入失调电压Uio 输入电压为0时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。 Uio越小，电路对称性越好。,2、输入失调电流Iio 输入电压为0时，差分输入级差分对管基极电流之差。 用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3、输入偏置电流IIB 运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,4、输入失调电压温漂dUio/dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量dUio与温度变化量dT之比。,5、输入失调电流温漂dIio/dT 在规定工
14、作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量dUio与温度变化量dT之比。,2019/6/4,模电课件,6、最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差分管将反向击穿。,8、开环差模增益Aod 运放在无反馈条件下，输出电压变化量与输入电压变化量之比。,9、差模输入电阻rid 输入差模信号时，运放的输入电阻。,10、共模抑制比KCMR,7、最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值，输入差分对管饱和。,或,极限参数,2019/6/4,模电课件,11、3dB带宽fH 运放的Aod不是不变的，运放Aod在高频段
15、下降3dB(即下降到约0.707倍)所对应的频率。,12、单位增益带宽fC f增大，运放Aod下降,当Aod下降到1所对应的f。,2019/6/4,模电课件,4.6 集成运放的使用,使用集成运算放大器应该注意的几个问题 1） 调零 由于集成运算放大器的内部电路参数不可能完全对称， 因此使电路不能达到零入零出, 通常的做法是外接调零电阻。脚和脚是差动输入级的外接调零电阻管脚，脚为负电源端。在输入信号为零,调节Rp可使输出电压为零。,2019/6/4,模电课件,2） 保护 当集成运算放大器输入端的差模或共模输入电压信号过大时，会使输入级晶体管的PN结击穿或饱和。 所以可在集成运放的两个输入端之间接入反向并联的二极管， 如图所示。,2019/6/4,模电课件,为防止将集成运算放大器的正负电源极性接反，可利用图示的电路来保护。如果电源极性接错， 二极管将处于截止状态将电源电压隔断， 从而起到保护集成运放的作用。,运放原理复杂，但使用简单。,如果+Vcc处接成负电源，VD1就截止。,