第四章 集成运算放大电路

四、以电流源为有源负载的放大电路
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 ）。 1、有源负载共射放大电路
IC 2
2
IR
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。
Rb rbe
Rc用有源负载代替，提高了 放大倍数。
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。
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。
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。
(3)
将式（1）,式（2）代入式（3），同时考虑IC0IE0 IC1IE1
I E 0 UT UT IR Re ln ln I E1 I E1 IC1 IC1 (4)
基准 输出
例，当电源电压等于+15V，
，
若要产生 IC 1 10A 的恒流源，试确定电阻R1的值。
将参数代入式（4）可得 Re 11.97K
输出电流

当
时，I 0
IR
。
IO和IR呈镜像关系，此电路称为镜像电流源。
恒流输出管T1 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如图(c)，显然，恒流源的内阻
2 、基本镜像恒流源电路的扩展电路有两种，如图所示。 （1）多路电流源电路
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 I O1 , I O 2 , I O 3 。
（3） 静态偏置分析 T10与T11构成微镜像电流源，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。
式中Aod为差模开环放大倍数，一般很大，可达几十万倍。 uid 为净输入电压，即差模输入电压, uid u P u N
设A0d 105
uo的最大值Uom=10V。
则uId 104V 0.1mV
电压传输特性
则uid 在 0.1mV范 围 内 ， 运 放 工 作 在 性 状 态 ， 线 若 超 出 .1mV , 运 放 工 作 在 正 负 饱 和 态 0 状 (非 线 性 状 态 )。
所以线性区很窄。
§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。
一、基本电流源电路
1、镜像电流源 晶体管T0 是基准管，它的 U BEQ 0.7V , UCEQ U BEQ 0.7V ， 工作在放大状态。 当T0 与 T1特性参数完全一致时，由U BE 0 = U BE1可推得 I B0 = I B1 = I B IC 0 = IC1 = I o 由基极输入回路得， VCC U BE I0 IR I0 2I B I0 2 R Io 基准电流 1 I I 所以，0 2 R 1
图3
（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。
电压放大级：复合管T16，T17，有源负载IC13
。
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
§4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
IC 0
VCC U BE 0 IR R
T0管发射极电流与发射极电压之间的关系为：
IE0 U BE 0 UT ln (1) IS T1管发射极电流与发射极电压之间的关系为： I E1 U BE 1 UT ln (2) IS
由基极回路方程得：
U BE 0 U BE 1 I E1 Re
三、集成运放的电压传输特性
集成运放符号
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”。 集成运放的电压传输特性是开环时，uo与uPuN之间 关系。 即：
u0 A0（uP uN） A0d uid d
（2）加射极输出器的电流源 增加 T2 管可以进一步减少恒流输 出 与基准电流 之间的差值。 T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1，所以IB0 =IB1=IB 。
I C1 I C 0 I R I B 2 I R I C1 IR 2 1 （ ） 1 IE2 2I 2 I C1 I R B1 I R 1 1 （ ） 1
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。
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。
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
图2
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 200～400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。
30 0.7 0.7 0.73mA 39 T10与T11构成微电流源：
I C10 I C10
UT I R 26 0.73 ln ln 3 I R4 I C10 C10 28A
T12与T13构成镜像电流源：
I C13 I C12
5 IR 0.73m A 0.52m A 2 5 2

集成运放和分立元件放大电路在电路结构上有何不同考虑 ？ 【解答过程】： 1．组成放大电路的器件或原材料。 图1是典型分立（或离散）元器件构成的放大电路原理图
图1 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。
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
Uo Au Ui
RC // RL
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。