集成运放的基本组成部分 (2)

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第11章集成运算放大器及其应用

上式表明，差动放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。多用一个放大管后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂的抑制。这正是差动放大电路的优点。
差动放大电路对共模输入信号的放大倍数叫做共模电压放大倍数，用Auc表示，可以推出，当输入共模信号时，Auc为
Au c u o u C1 u C 2 0 0 ui c ui1 ui1
由于集成运放的电压放大倍数Ao d和输入电阻Ri d 都非常大（理想情况下，两者约等于∞），于是可以推得 u u
i i 0
注意：“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要特点。这两个特点常常作为今后分析运放应用电路的出发点，因此必须牢固掌握。
（2）集成运放工作在非线性区的特性如果运放的工作信号超出了线性放大范围，则输出电压与输入电压不再满足式（11-1），即uo不再随差模输入电压（u+ - u -）线性增长，uo将达到饱和。此时集成运放的输出电压uo只有两种取值：或等于运放的正向最大输出电压+UOM，或等于其负向最大输出电压-UOM，具体为当u + ＞u - 时，uo = +UOM 当u + ＜u - 时，uo = -UOM 另外，因为集成运放的输入电阻Ri d很大，故在非线性区仍满足输入电流等于零，即式（11-3）对非线性工作区仍然成立。
有时，为了简化起见，常常不把恒流源式差动放大电路中恒流管T3的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如图11-7所示。
二、输出级——功率放大电路集成运放的输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大，一般采用互补对称的功率放大电路。 1. 功率放大电路的特点（1）因为信号的幅度放大在前置电路中已经完成，所以功率放大电路对电压放大倍数并无要求。由于射极输出器的输出电流较大，能使负载获得较大输出功率，并且它的输出电阻小，带负载能力强，因此通常采用射极输出器作为基本的功率放大电路。不过单个的射极输出器对信号正负半周的跟随能力不同，在实用的功率放大电路中大多采用双管的互补对称电路形式。

集成运放的基本组成部分

集成运放的基本组成部分偏置电路偏置电路的作用是向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。

各个放大级对偏置电流的要求各不相同。

对于输入级，通常要求提供一个比较小（一般为微安级）的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流及其温漂等等。

在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：镜像电流源也称为电流镜（Current Mirror），在集成运放中应用十分广泛，它的电路如下图所示。

电源VCC通过电阻R和VT1，产生一个基准电流IREF，由图可得然后在VT2的集电极得到相应的IC2，作为提供给某个放大级的偏置电流。

由于UBE1＝UBE2，而VT1和VT2是做在同一硅片上两个相邻的三极管，它们的工艺、结构和参数都比较一致，因此可以认为由于输出恒流IC2和基准电流IREF相等，它们之间如同是镜像的关系，所以这种恒流源电路称为镜像电流源。

镜像电流源的优点是结构简单，而且具有一定的温度补偿作用。

二、比例电流源在镜像电流源的基础上，在VT1、VT2的发射极分别入两个电阻R1和R2，即可组成比例电流源，如下图所示。

由于VT1、VT2是做在同一硅片上的两个相邻的三极管，因此可以认为UBE1≈IE2R2，则IE1R1≈IE2R2如果两管的基极电流可以忽略，由上式可得可见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。

以上两种电流源的共同缺点是，当直流电源VCC变化时，输出电流IC2几乎按同样的规律活动，因此不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。

此外，若输入级要求微安级的偏置电流，则所有电阻将达兆欧级，在集成电路中无法实现。

差分放大输入级集成运放的输入对于它的许多指标诸如电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。

为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。

第二章集成运算放大器、电压比较器、乘法器

输出与两个输入信号的差值成正比。
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分析方法2：利用叠加原理
减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相
比例运算电路的叠加。
RF
uo

RF R1
ui1
uo
(1
RF R1
)u
+ ui1
–
+ ui2 –
R1 R2
u+
– +
R3

+
+ uo –
(1RF) R3 R1 R2R3
uo –
RF
同相加法运算电路的特点：
1. 输入电阻高；
2. 共模电压高；
ui1
3.
当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；
ui2
R1 Ri1

– +
+
+ uo –
u o (1R R F 1)R (i1 R i2 R i2u i1R i1 R i1 R i2 Ru i2i2)
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Auf
uo ui
1RF R1
ri

ui ii

ro 0
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结论：
① Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加在同相输入端。
② Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本身参数无关。
③ Auf ≥ 1 ，不能小于 1 。 ④ u– = u+ ≠ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。 ⑤ 电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，
第二章集成运算放大器、电压比较器、乘法器

集成电路

1．2 集成运放的基本构成和表示符号1．2．1集成运放的基本构成集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器，是一种模拟集成电子器件。

集成运放内部电路包括四个基本组成环节，分别是：输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路。

对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路。

例如：温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过热保护电路、限流电路、稳压电路等。

图1—2—l所示为集成运放内部电路方框图。

由于三极管容易制造，且它在硅片上占的面积小，所以集成运放内部电路大量采用三极管代替其他元件，如用三极管代替二极管，用有源负载代替电阻负载等。

由于三极管是在相同的工艺条件下同时制造的，同一硅片上的对管特性比较相近，易获得良好的对称特性，且在同一温度场，易获得良好的温度补偿，具有很好的温度稳定性。

在集成电路中，各元件易于集成的顺序是：三极管、二极管、小的电阻、小的电容等，对于大的电阻或大的电容、电感等难以集成，可采用外接的方法。

在集成电路中，不能直接集成电感元件，如在集成电路内部需要电感时，可用其他元件(如：三极管、电阻、电容等)模拟出电感元件1，输入级为了提高集成运放的输入电阻、减小失调电压和偏置电流、提高差模和共模输入电压范围等性能，集成运放的输入级的差动输入放大电路，常采用超揖管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。

为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。

输入级的保护电路也是不可缺少的。

2，中间级集成运放的中间级常采用电平位移电路，将电平移动到地电平，其电路多采用恒流源、横向PNP管、稳压管、正向二极管链、电阻降压电路等。

从双端变单端的变换，常采用并联电压负反馈、有源负载、电流负反馈、PNP管等方法。

为了提高共模抑制能力、提高差模增益和提供稳定的内部工作电流，实际电路中广泛采用各种恒流源电路，如稳压管恒流源、镜像恒流源、多集电极恒流源、场效应管恒流源等。

实验五集成运算放大器的基本运算电路(2)

实验五集成运算放大器的基本运算电路一、实验目的1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

2、正确理解运算电路中各组件参数之间的关系和“虚短”、“虚断”、“虚地”的概念。

二、设计要求1、设计反相比例运算电路，要求|A uf |=10，R i ≥10K Ω，确定外接电阻组件的值。

2、设计同相比例运算电路，要求|A uf |=11，确定外接电阻组件值。

3、设计加法运算电路，满足U 0=-（10U i1+5U i2）的运算关系。

4、设计差动放大电路（减法器），要求差模增益为10，R i >40K Ω。

5、应用Multisim8进行仿真，然后在实验设备上实现。

三、实验原理1、理想运算放大器特性集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。

当外部接入不同的元器件组成负反馈电路时，可以实现比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。

理想运放，是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

开环电压增益 A ud =∞ 输入阻抗 r i =∞ 输出阻抗 r o =0 带宽f BW =∞失调与漂移均为零等。

理想运放在线性应用时的两个重要特性： (1)输出电压U O 与输入电压之间满足关系式U O ＝A ud （U +－U －）由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。

即U +≈U －，称为“虚短”。

(2)由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。

这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

2、基本运算电路 (1)反相比例运算电路电路如图2.5.1所示。

对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1//R F 。

图2.5.1反相比例运算电路图2.5.2反相加法运算电路(2) 反相加法电路i 1F O U R R U -=电路如图2.5.2所示，输出电压与输入电压之间的关系为)U R RU R R (U i22F i11F O +-=R 3＝R 1//R 2//R F (3)同相比例运算电路图2.5.3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为i 1FO )U R R (1U +=R 2＝R 1//R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图2.5.3(b)所示的电压跟随器。

电工单元九集成运放

实际特性
饱和区
（l）开环电压放大倍数为无穷大，A0→∞ （2）运算放大器差模输入电阻，rid→∞ （3）输出电阻为零，r0几乎为零
（1）线性区的特点
理想运放工作在线性区时有两个重要的特点：“虚短”
和“虚断”。即 u+≈u－ i+= i－≈0 “虚短”表示集成运放的同相输入端与反相输入端的电压近似相等，如同将该两点虚假短路一样。若运放其中一个输入端接“地”，则有u+≈u－=0，这时称“虚地”。 “虚断”表示没有电流流入运放（因为理想运放的差模
集成运放开环时输出级的输出电阻，称为开环输出电阻。r0愈小，集成运放带负载的能力就愈强。由于集成运放采用互补对称式射极输出电路，其r0较低，一般为几十到几百欧。
（4）最大输出电压UOM
在标称电源电压和额定负载电阻的情况下，能使集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为集成运放的最大输出电压。一般为电源电压的70%左右
对于单级运放电路，反馈元件（例如Rf)接到同相输入端是正反馈，接到反相输入端是负反馈。
反馈的其他分类
1.直流反馈和交流反馈——反馈的信号直流反馈：反馈信号是直流分量的称为直流反馈，直流反馈用于稳定静态工作点。交流反馈：反馈信号是交流分量的称为交流反馈。有时反馈信号中既含有直流分量又含有交流分量。
一、开环、闭环、反馈ห้องสมุดไป่ตู้概念
1、定义
集成运放有两个输入端，一个输出端。当输出端和输入端之间不外接电路，即两者之间在外部是断开的，这称为开环状态当用一定形式的网络（如R、C等）在外部将它们连接起来，这称为闭环状态，又称为反馈状态。
反馈在电和非电领域都得到了广泛的应用。通常自动控制和自动调节系统都是基于反馈原理构成的；在放大电路中适当引入反馈、可以改善放大电路的性能

讲义第5章集成运算放大电路

第5章集成运算放大电路（上一章介绍的用三极管、场效应管等组成的放大电路称为分立元件电子电路。

）集成电路：如果在一块微小的半导体基片上，将用晶体管（或场效应管）组成的实现特定功能的电子电路制造出来，这样的电子电路称为集成电路。

（集成电路是一个不可分割的整体，具有其自身的参数及技术指标。

模拟集成电路种类较多，本章主要介绍集成运算放大电路。

）本章要求：（1）了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。

（2）理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。

（3）理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。

（4）理解电压比较器的工作原理和应用。

5.1集成运算放大器简介5.1.1集成运算放大器芯片集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。

是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。

集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。

集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。

早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。

现在，运放的应用已远远超过运算的范围。

它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。

1、集成电路的概念（1）集成电路：禾U用半导体的制造工艺，把晶体管、电阻、电容及电路连线等做在一个半导体基片上，形成不可分割的固体块。

集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。

（2）集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路，小、中、大、超大规模集成电路。

①模拟集成电路：以电压或电流为变量，对模拟量进行放大、转换、调制的集成电路。

（可分为线性集成电路和非线性集成电路。

）②线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成线性关系的电路，如集成运算放大器。

③非线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成非线性关系的电路，如集成稳压器。

（3）线性集成电路的特点①电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。

②输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。

(整理)通用型集成运放一般由几部分电路组成

习题3.1 通用型集成运放一般由几部分电路组成，每一部分常采用哪种基本电路？通常对每一部分性能的要求分别是什么？解：通用型集成运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四个部分组成。

通常，输入级为差分放大电路，中间级为共射放大电路，输出级为互补电路，偏置电路为电流源电路。

对输入级的要求：输入电阻大，温漂小，放大倍数尽可能大。

对中间级的要求：放大倍数大，一切措施几乎都是为了增大放大倍数。

对输出级的要求：带负载能力强，最大不失真输出电压尽可能大。

对偏置电路的要求：提供的静态电流稳定。

3.2 已知一个集成运放的开环差模增益A o d 为100dB ，最大输出电压峰-峰值U o p p ＝±14V ，分别计算差模输入电压u I （即u P －u N ）为10μV 、100μV 、1mV 、1V 和－10μV 、－100μV 、－1mV 、－1V 时的输出电压u O 。

解：根据集成运放的开环差模增益，可求出开环差模放大倍数5od od 10dB 100lg 20==A A当集成运放工作在线性区时，输出电压u O ＝A o d u I ；当A o d u I 超过±14V 时，u O 不是＋14V ，就是－14V 。

故u I （即u P －u N ）为10μV 、100μV 、1mV 、1V 和－10μV 、－100μV 、－1mV 、－1V 时，u O 分别为1V 、10V 、14V 、14V 、－1V 、－10V 、－14V 、－14V 。

3.3 已知几个集成运放的参数如表P3.3所示，试分别说明它们各属于哪种类型的运放。

表P3.3解：A 1为通用型运放，A 2为高精度型运放，A 3为高阻型运放，A 4为高速型运放。

3.4 多路电流源电路如图P4.4所示，已知所有晶体管的特性均相同，U B E 均为0.7V 。

试求I C 1、I C 2各为多少。

图P 3.4解：因为T 1、T 2、T 3的特性均相同，且U B E 均相同，所以它们的基极、集电极电流均相等，设集电极电流为I C 。

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（2）差模输入电压和共模输入电压
差模输入 + 电压
uid
-
Rb1
R1
+1 -2
uid
+1 -2
uid
Rc1 + uO -
Rc2
VT1
VT2
R2
差模输入电压 uId
两个输入电压大小相等、极性相反。
+VCC Rb2
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+VCC
共模输入电压
Rb
Rc
+ uO -
Rc
Rb
R
R
0.73
1
1
2
mA
0.365 mA
④ 可认为 IC11 ≈ IREF 。
VT12
+VCC
VT13
IC10
R5
IREF
IC13
VT10
R4
VT11
-VEE
R4
UT I C10
ln
I C11 I C10
26 103
28
106
0.73 103 ln 28 106
3103 3 k
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-UBE
UB
2IE
- IBQ R
-VEE
Re
IBQR + UBEQ + 2 IEQRe = VEE
IC IS
+VCC R
IREF 2IB
Ic1
IB1
VT1 +
-UBE1
IC2
IB2
+ VT2
UBE-2 Re
IE2
UBE1 – UBE2
≈ UT ( ln
IC1 IS1
IC2
– ln IS2
)
≈ IC2 Re
l UT
n
IC1 IC2
≈ IC2 Re
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[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β> >2，横向PNP三极管的β= 2 ，电阻R5 =39kΩ 。
Re -VEE
补偿Re 上的直流压降，
提供静态基极电流
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(2) 静态分析
βIBQ
仿真
VCC
+
uid
-
- ICQ Rc R IB
IC
Rc
UC
+ uO -
IC +VCC
Rc
UC IB
VEE - UBEQ R + 2(1+ β)
+1 -2
uid
+1 -2
uid
R
+
VT1
UBE
-
Re
VT2
+
Ad Ac
( 分贝
)
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。
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2. 长尾式差分放大电路 (1) 电路组成
R#43;1 -2
uid
+1 -2
uid
R
引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比
Rc
+ uO -
Rc
VT1 VT2
+VCC
uIc
1 2 (uI1
uI2 )
[例5.3.2] uI1 = 5 mV, uI2 = 1 mV
则: uId = 4 mV
uIc = 3 mV
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（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比
差模电压放大倍数 Ad
ΔuC1 = - ΔuC2 =
1 2
Au1ΔuId
ΔuO = ΔuC1 – ΔuC2
温度变化时， uC1
+
和uC2 变化一致， u
O 保持不变。
uid
-
Rb1
R1
+1 -2
uid
+1 -2
uid
Rc1 + uO -
Rc2
VT1
VT2
+VCC Rb2
R2
当温度升高时ICVC （两管变化量相等）
uo= (uC1 + uC1 ) － (uC2 + uC2 ) = 0
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。
= 2 ΔuC1
Ad =
ΔuO ΔuId
= Au1
=
2·
1 2
Au1ΔuId
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，
单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。
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共模放大倍数共模抑制比
Ac
=
Δuo Δuic
共模抑制比
KCMR
Ad Ac
差模放大倍数
KCMR (dB) 20lg
VCC - UBE1 R
R
1
IC2
I REF 1
2
2IB
IC2
IC1
IB1
IB2
IREF - 2IB
当β >>2 时
VT1 +
UBE1
+
VT2
UBE2
IC2 ≈ IREF
=
VCC
- UBE1 R
-
-
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2. 比例电流源
UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2
IE1R1 ≈ IE2R2
①估算基准电流IREF ；
②分析电路中各三极管组成何种电流
源；
③估算VT13的集电极电流IC13 ；
IC10
④若要求IC10 =28μA，试估算电阻R4 VT10
的阻值。
R4
VT12
+VCC
VT13
R5 IREF
IC13
VT11
-VEE
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解： ①由图可得
VT12
+VCC
VT13
I REF
二、差分放大输入级
1. 基本形式差分放大电路
+VCC
（1）电路组成
Rb1
Rc1 + uO -
Rc2
Rb2
两个输入、两
R1
个输出
两管静态工作点相同
+
uid
-
+1 -2
uid
+1 -2
uid
VT1
VT2
R2
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。
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静态时，ui1 = ui2 = 0 uO= uC1 － uC2 = 0
VT1 VT2
+
uIc-
共模输入电压 uIc
两个输入电压大小相等、极性也相同。
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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:
uId uI1 uI2
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
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集成运放的基本组成部分
克服零点漂移
提供电压放大倍数
输入级
中间级
提供负载所需功率及效
率
输出级
偏置电路集成运放的基本组成
向各放大级提供合适的偏置电流
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一、偏置电路
1. 镜像电流源
+VCC IREF
VCC
VEE R5
2U BE
15 15 2 0.7 mA 39
0.73mA
Ic10
R5 IREF
Ic13
VT10
R4
VT11
-VEE
② VT12与VT13组成镜像电流源，
VT10 、 VT11与R4组成微电流源。
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③不能简单认为Ic13 ≈ IREF 。
1 IC13 IREF 1 2
IC2 ≈
R1 R2
IC1
+VCC IREF
R
R1 R2
IREF
2IB
Ic1
IB1
VT1 +
IE1
-UBE1
IC2
IB2
+ VT2
UBE2
-
IE2
R1
UBE1 ≈ UBE2
R2
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3. 微电流源
UBE1 – UBE2 = IE2Re
U BE
IC IS (e UT 1)
≈ IC2Re
UBE ≈ UT ln