集成运算放大电路

单端输入 单端输出
1 ( Rc // RL ) 2 R rbe
Ad
KCMR
R RL ( Rc // L ) ( RC // ) 1 ( R // R ) c L 2 2 R rbe 2 R rbe R rbe
很高
较高
很高
较高
Rid Ro
2( R rbe )
集成电路简称 IC (Integrated Circuit)
集成电路按 其功能分
模拟集成 电路类型
集成电路的外形
(a)双列直插式
(b)圆壳式
(c)扁平式
图 4.1.1
集成电路的外形
集成运算放大电路特点： 1. 对称性好，适用于构成差分放大电路。 2. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十 千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。 3. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代 替电阻(特别是大电阻)。 4. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电 路通常采用直接耦合电路方式。 5. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 值差别较大， 通常 PNP 的 ≤ 10 。
温度变化 和电源电压波 动，都将使集 电极电流产生 变化。且变化 趋势是相同的，
其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。
3. 主要指标计算 （1）差模电压增益
<A> 双入、双出 v o1 v o2 vo AVD = v i1 v i2 v id
2( R rbe )
2( R rbe ) 2( R rbe )
2Rc
Rc
2Rc
Rc
差分放大电路四种接法的性能比较
接法 性能
差分输入 双端输出
1. Ad 与单 管放大电路 基本相同。
差分输入 单端输出
1. Ad 约为 双端输出时 的一半。
单端输入 双端输出
1. Ad 与单 管放大电路 基本相同。
uI
VEE R7 R8 R7 U CE15 U B E15 (1 ) 0.7 V 图 4.3.7 F007 输出级 R8 R8 原理电路
调节 R7、R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。 这种电路称为 UBE 扩大电路。
4.4
集成运放的主要技术指标
集成运算放大器的符号
反相输入端
AVD =
rbe
( Rc // RL )
2rbe
（1）差模电压增益
<C> 单端输入
ro re
等效于双端输入
指标计算 与双端输入相 同入
（2）共模电压增益
<A> 双端输出 共模信号的输入使两管 集电极电压有相同的变化。 所以 voc voc1 voc2 0
共模增益
AVC
v oc 0 v ic
所以 I C 2 I REF
1 1 2
I C2
当满足 >> 2 时，则


I C2
VCC U B E1 I REF R
二、比例电流源
由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1 UBE2 ，则
I E1 R1 I E 2 R2
R
+VCC IREF
单端输入 单端输出
1. Ad 约为双端 输出时的一半。
2.比单管放大 电路具有较强的 抑制零漂的能力。 3.适用于输入、 输出均要求接地 的情况。
特
2.在理想情 况下， KCMR∞。
3.适用于差 分输入、双 端输出，输 入信号及负 载的两端均 不接地的情 况。
2. 由于引 入共模负反 馈，仍有较 高的KCMR。 3.适用于将 双端输入转 换为单端输 出。
第四章
集成运算放大电路
4.1 集成放大电路的特点
4.2 集成运放的基本组成部分
4.3 集成运放的典型电路
4.4 集成运放的主要技术指标
4.5 理想运算放大器 4.6 各类集成运放的性能特点 4.7 集成运放使用中的几个具体问题
4.1
集成放大电路的特点
数字集成电路 模拟集成电路 集成运算放大器；集成功率放大器； 集成高频放大器；集成中频放大器； 集成比较器；集成乘法器；集成稳压 器；集成数/模和模/数转换器等。
高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。
三、输入失调电压温漂 UIO
定义：
UIO
dU IO dT
一般运放为 每度 10 ~ 20 V； 高质量运放低于每度 0.5 V 以下；
四、输入失调电流 IIO
定义： 当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流 之差，即
I IO I B 1 I B 2
4. 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑 制比。
3. 中间级
输入来自 VT4 和 VT6 集电极； 输出接在输出级的两个 互补对称放大管的基极。 中间级 VT16 、 VT17 组成复合管， VT13 作为其 有源负载。 8、9两端外接30pF 校正电容防止产生自激振荡。
IC13
R7
30pF
1. VT1、VT2 共集组态，具有 较高的差模输入电阻和共模输入 uI1 电压。 2. 共基组态的 VT3、VT4，与 有源负载 VT5、VT6 组合，可以 得到很高的电压放大倍数。
I8
VT1
+VCC uI2
VT2
VT3
VT4
uO
RC
I3,4
RC
3. VT3、VT4 共基接法能改善频率响应。
VEE 图 4.3.5 简化示意图
4.2
集成运放的基本组成部分
实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大 电路。
输入级 中间级 输出级
偏置电路
图 4.2.1
集成运算的基本组成
4.2.1 偏置电路
向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。
一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror)
基准电流
VCC UBE1 I REF R
+
同相输入端
A
输 出 端
一、开环差模电压增益 Aod
一般用对数表示，定义为
Δ UO Aod 20 lg Δ U- Δ U
图 4.4.1
运算放大器的符号
单位：分贝 理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。
二、输入失调电压 UIO
定义： 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的 补偿电压。 一般运放：UIO 为 1 ~ 10 mV；
+VCC

R8
VT15

VT16 VT17
VEE
图 4.3.6
中间级示意图
4. 输出级
VT14、 VT18 、 VT19 准互补对称电路； R10 VD1、 VD2 、R9、 过载保护电路；
IC13
VT14
+VCC
VD1
R7 R8
VT15
R9
VD2
VT18
uo
R10
VT19
VT15 、R7、R8 为功 率管提供静态基流。
（双入、双出交流通路）
2v o1 Rc 2v i1 rbe
1 接入负载时 以双倍的元器件换 RL ) ( Rc // AVD = 取抑制零漂的能力 2
<B> 双入、单出 接入负载时
vo1 Rc v o1 1 AVD1 = AVD v id 2rbe 2v i1 2
VCC I C RC VE VCC I C RC ( 0.7) IC I B1 I B1

动态 仅输入差模信号， v i1 和 v i2 大小相等，相位相反。 vc1 和 vc2 大小相等， 相位相反。 vo vc1 vc2 0 ，
信号被放大。
2. 抑制零点漂移
2IB
IC2 IB2 + VT2 UBE2 R2
IC2 VT1 R1
IB1
+ UBE1
忽略基极电流，可得
I C2 R1 R1 I C1 I REF R2 R2
图 4.2.3
比例电流源
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
在镜像电流源的基础上 接入电阻 Re。 引入Re使 UBE2 < UBE1， 且 IC2 << IC1 ，即在 Re 值不 大的情况下，得到一个比较 小的输出电流 IC2 。
双出
单出
双出
单出
AVD AVC
K CMR
1 ( Rc // RL ) 2 rbe
0

( Rc // RL )
2rbe Rc // RL 2ro
1 ( Rc // RL ) 2 rbe
0

( Rc // RL )
2rbe Rc // RL 2ro




ro
U BE UT
VT1
VT2 Re 图 4.2.4 微电流源
I C1 I C2 U T (ln ln ) I S1 I S2 I C 2 Re
I S1 I S 2
I C1 U T ln I C2 Re I C2
若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。
4.2.2 基本差分式放大电路 1. 电路组成及工作原理 静态 1 I C1 = I C2 I C I 0 2 VCE1 = VCE2
rbe

ro
rbe
输出方式
双出
单出
双出
Байду номын сангаас
单出
Rid Ric
Ro
2rbe
2rbe
1 [rbe (1 )2ro ] 2
2Rc Rc
1 [rbe (1 )2ro ] 2
2Rc Rc
差分放大电路四种接法的性能比较
接法
性能
差分输入 双端输出
差分输入 单端输出
单端输入 双端输出
R
+VCC IREF 2IB
IC2
IC1 VT1
VT2 Re
图 4.2.4 微电流源
基本关系
U B E1 U B E2 I E 2 Re I C2 Re
R
+VCC IREF
因二极管方程
IC1
2IB
IC2
I C I S (e
U BE 1 U BE 2
U BE UT
1) I Se
2.在理想情 况下， KCMR∞。
3.适用于将 单端输入转 换为双端输 出。
性
4.选择不同管 子输出，可使输 出电压与输入电 压反相或同相。
4.3
集成运放的典型电路
双极型集成运放 F007
典型的集成运放
CMOS 集成运放 C14573
(b) 连 接 示 意 图
4.3.1 双极型集成运放 F007
uI1
VT1
VT3 VT7 VT5 VT6 VT8 VT2 VT9
+VCC
uI2 I3,4
VT4 集电极送出单 端输出信号至中间级。
RW 调零电阻，R 外接电阻。 VT7 与R2 组成射 极输出器。
IC9
VT4
uO
IC10
VEE
R1
RW
R2 R
R3
图 4. 3. 4
若暂不考虑 VT7 和调零电路则电路可简化为：
由于 UBE1 = UBE2，VT1 与 VT2 参数基本相同，则 IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC
+VCC R
IREF
2IB IB1 + UBE1
IC2 IB2 + VT2 UBE2 图 4.2.2
IC2
VT1
I C 2 I C1 I REF 2 I B I REF 2
<B> 单端输出
v oc1 voc2 AVC1 v ic v ic Rc Rc rbe (1 )2ro 2ro
ro AVC1 抑制零漂能力增强
（3）共模抑制比
K CMR AVD AVC K CMR AVD 20 lg AVC dB
双端输出，理想情况
单端输出
K CMR
K CMR
ro AVD1 rbe AVC1
K CMR 越大， 抑制零漂能力 越强
单端输出时的总输出电压
vo1 AVD1v id (1
v ic K CMR v id
)
（4）频率响应
高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。
4. 几种方式指标比较
输出方式
(a)
一、引脚
图 4.3.1
F007 的引脚及连接示意图
二、电路原理图
图 4.3.2
F007 电路原理图
1. 偏置电路
基准电流：
I REF VCC VEE U BE12 U BE11 R5
VT8
VT9 VT12
+VCC
VT13
I8
至输入级
I3,4 IC9 R IC10 5
VT10
IREF
VT11
IC12
基准电流产生各放 大级所需的偏置电流。 各路偏置电流的关系：
IREF
I11
微电流源
至中间级
R4 图 4.3.3 I3, 4 IC9 VCC F007 的偏置电路
IC10
镜像电流源
IC8
输入级
IC12
镜像电流源
IC13
中间级
输出级
2. 输入级 VT1、VT2、VT3、VT4 组成共集 - 共基差分放大电路电 路；VT1、VT2 基极接收差分输入信号。 VT5、VT6 有源负载；
一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。
五、输入失调电流温漂 IIO
定义：
IIO
dI IO dT
一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。