模拟电路第5章集成运算放大器.docx

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模拟电路第5章集成运算放大器

第5章集成运算放大器

教学要求

一、熟悉集成运放的组成及结构特点。

2、把握集成电路的偏置技术—电流源技术。

熟悉经常使用的电流源电路及其特点、应用。

3、把握差分放大电路的组成及工作原理；深刻明白得差模增益、共模增益、共模抑制比的概念；熟悉差分放大电路的输入、输出方式。

4、熟悉通用型运放741（F007）的设计思想及要紧特点。

五、熟悉集成运放的要紧参数。

大体概念和内容要点

集成运放的组成及特点

集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器。

1、集成运放的组成原理框图

集成运放的类型很多，电路也不一样，但结构具有一起的地方，图示出了其内部电路组成原理框图。

差分输入级

偏置电路

中间增益级

输出级

图

其中对输入级的要求是输入电阻大、噪声低、零漂小；中间级的要紧作用是提供电压增益，它可由一级或多级放大电路组成；输出级一样由电压跟从器或互补电压跟从器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力；偏置电路为各级提供适合的偏置电流。

另外还有一些辅助环节，如单端化电路、相位补偿环节、电平移位电路、输出爱惜电路等。

2、集成运放的结构特点

（1）元器件参数的精度较差，但误差的一致性好，宜于制成对称性好的电路，如差动放大电路。

（2）制作电容困难，因此级间采纳直接耦合方式。

（3）制作管子比制作电阻更方便，因此经常使用由晶体管或场效应管组成的恒流源为各级提供偏置电流，或用做有源负载。

（4）采纳一些特殊结构，如横向PNP管（β低、耐压高、fT小）、双集电极晶体管等。

电流源电路

电流源电路是普遍应用于集成电路中的一种单元电路。

在集成电路中，电流源除作为偏置电路提供恒定的静态电流外，还可利用其输出电阻大的特点，作有源电阻利用。

1、BJT电流源电路

表示出了几种BJT电流源电路。

表常见的几种BJT电流源

类型

电路结构

Io与IR的关系式

输出电阻

特点

基本镜像电流源

VCC

Io=≈IR

1+2/β

（β＞＞2）

VCC－VBE（on）

IR=

Ro=rce2

β、VCC较小时，Io精度较低、热稳定性较差。

改进型镜像电流源

VCC

VCC－2VBE（on）

IR=

β2+β

Io=IR

β2+β+2

≈IR

Ro=rce2

有T3管隔离，在β较小时也有Io≈IR，Io精度提高。

比例式电流源

VCC

R1VTiC1

Io=iC1+ln

R2R2Io

≈IR

VCC－VBE（on）

IR=

R+R1

Ro≈rce2

β2R2

（1+）

R2+rbe2+R1∥R

按比例输出毫安级电流，Io/IR与电阻成反比。

Ro增大，Io精度提高。

微电流源

VCC

VCC－VBE（on）

IR=

VTIR

Io≈ln

R2Io

β2R2

Ro≈rce2（1+）

R2+rbe2

提供微安级电流，Io＜＜IR。

Ro增大，Io精度提高。

威尔逊电流源

VCC

VCC－2VBE（on）

IR=

β2+2β

Io=IR

β2+2β+2

≈IR

Io精度高。

因为有负反馈，所以Io稳定性也好。

2、MOS管电流源电路

I0（W/L）2

IR（W/L）1

（5—1）

（W/L）2

=1，

（W/L）1

假设为镜像电流源电路；

（W/L）2

≠1，

（W/L）1

假设为比例电流源电路。

图MOS管电流源

差分放大器

典型的差分放大器由两个完全相同的共发电路经射极电阻REE耦合而成（见表）。

该电路具有抑制零点漂移的作用，普遍用于直接耦合放大器和集成电路的输入级。

1、几个大体概念

（1）差模信号和共模信号

大小相等、极性相反的信号称为差模信号，而大小相等、极性相同的信号称为共模信号。

差模输入电压概念为两输入电压的差值，即

vid=vi1－vi2（5—2）

共模输入电压概念为两输入电压的平均值，即

（5—3）

vi1+vi2

vic=

vid加在两管输入端之间，因此，对单管而言，每管的差模输入电压仅为vid/2；而vic加在每一个管子的输入端，故两个输入端上的共模电压相等，均为vic。

（2）差分放大器的半电路分析法

由于电路两边完全对称，因此差分放大器分析的关键，确实是如何别离在差模输入和共模输入时，画出半电路的交流通路，并进而确信其各项性能指标。

画半电路交流通路的关键在于如何对公共元件（REE、RL）进行处置。

电阻REE

差模输入时视为短路。

共模输入时等效为2REE。

负载RL

差模输入

共模输入

单端输出时，每管负载为RL。

双端输出时，每管负载为RL/2。

单端输出时，每管负载为RL。

双端输出时，负载RL相当于开路。

（3）差模电压增益

vodvod1－vod2

Avd==——（双端输出）（5—4）

vidvid

vod1vod2

Avd1=，Avd2=——（单端输出）（5—5）

vidvid

Avd1=－Avd2=Avd（5—6）

（4）共模电压增益

vocvoc1－voc2

Avc==→0——（双端输出）（5—7）

vicvic

voc1（voc2）

Avc1=Avc2=——（单端输出）（5—8）

vic

（5）共模抑制比

Avd

KCMR=→∞——（双端输出）（5—9）

Avc

Avd1

KCMR=——（单端输出）（5—10）

Avc1

2、差分放大器的性能

见表所示。

表差分放大器的性能

双端输出差分放大器

单端输出差分放大器

+VCC

+vo－

vi2

－

vi1

－

REE

－VEE

－

vi2

－

vi1

－

REE

+VCC

－VEE

VEE－VBE（on）IEE

IEE=，ICQ1=ICQ2≈

REE2

差模性能

共模性能

差模性能

共模性能

vod1

－

vid1

－

voc1

－

vic1=vic

－

2REE

vod=vod1

－

vid1

－

2REE

vic1=vic

－

voc=voc1

－

Rid=2Ri1=2rbe

Ric=rbe+2（1+β）REE

Rid=2Ri1=2rbe

Ric=rbe+2（1+β）REE

Rod=2Ro1≈2RC

Rod1=Ro1≈RC

Roc=Ro1≈RC

β（RC∥）

Avd=Av1=－

rbe

Avc→0

Avd1=－Avd2=Av1

β（RC∥RL）

=－

2rbe

Avc1=Avc2=AV1

RC∥RL

≈－

2REE

Avd

KCMR=→∞

Avc

Avd1βREE

KCMR=≈

Avc1rbe

vo=vo1－vo2=Avdvid

vo1=voc1+vod1=Avc1vic+Avd1vid

vo2=voc2+vod2=Avc2vic+Avd2vid

抑制零漂的原理：

（1）利用电路的对称性；

（2）利用REE的共模负反馈作用。

抑制零漂的原理：

利用REE的共模负反馈作用。

差分放大器可采纳各类改良型电路。

例如，为提高其共模抑制能力，可用电流源取代电阻REE；为改变其输入、输出电阻及放大性能，差分放大器的每一边电路都可采纳组合电路的形式。

3、电路的不对称性对差分放大器性能的阻碍

实际的差分放大器，电路不可能做到完全对称。

参数VIO∑反映电路的不对称性。

VIO∑=VIO+IIORS（5—11）

其中，失调电压VIO反映由两管参数VBE（on）、IS及RC不等引发的失调。

失调电流IIO要紧反映因两管β值不等而引发的失调。

电路的不对称性将给电路带来运算误差。

减小失调的方式是采纳调零电路。

但应注意，调零电路不能克服失调温漂的阻碍。

4、差分放大器的调零

（b）

+VO－

－VEE

+VCC

REE

图示出了两种经常使用的调零电路。

其中，图（a）为发射极调零电路，图（b）为集电极调零电路。

+VO－

－VEE

+VCC

REE

（a）

图差分放大器的调零电路

5、有源负载差分放大器

采纳有源负载的差分放大器，不仅具有放大差模信号、抑制共模信号的能力，而且，在单端输出情形下，还具有双端输出的增益（见题【5-21】）。

6、FET差分放大器

iC/I0

在高输入阻抗的模拟集成电路中，常采纳输入电阻高、输入偏置电流很小的FET差分放大电路。

FET差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方式与BJT差分放大电路大体相同，并具有相似的电路特点。

由JFET组成的差分放大器的输入电阻可达1012Ω，输入偏置电流约为100pA数量级；而MOSFET差分放大器的输入电阻那么可高达1015Ω，输入偏置电流仅在10pA以下。

7、差分放大器的传输特性

线性区

如图所示。

iC2

iC1

（1）vid=0

iC1/I0=iC2/I0=，iC1+iC2=I0，

差分对管

射极接RE

电路处于静态工作状态。

（2）│vid│≤VT

电路处于线性放大区。

－6VT－4VT－2VT0+2VT+4VT+6VT

vid

（3）│vid│≥4VT

图差分放大器的传输特性

电路呈现良好的限幅特性。

（4）在差分对管射极别离串接电阻

RE，可扩大传输特性的线性工作范围。

集成运算放大器

集成运算放大器品种繁多，内部电路结构也各不相同，但它们的大体组成部份、结构形式、组成原那么大体一致。

因此，对典型电路的分析具有普遍意义。

尽管F007是一个相当“古老”的设计，但它关于描述一样电路的结构和分析仍然能提供有效的实例。

通过对F007的学习，旨在熟悉复杂电子电路的读图方式，并对电子电路系统有一个初步的了解。

1、F007的电路结构

22Ω

27Ω

T21

T20

T15

－VEE

－15V

10kΩ

T19

T18

T24

50kΩ

T17

T16

IREF

T11

T12

T13

1kΩ

T10

R10

39kΩ

3kΩ

输入级

50kΩ

1kΩ

－

+VCC

+15V

Cφ

30pF

T22

100Ω

T14

T23

中间级

输出级

偏置电路

图F007电路原理图

2、电子电路的读图方式

不管多复杂的电子电路，均有各类大体单元电路组合而成。

在读图时，可按以下步骤进行：

（1）综观全图，化整为零：

由于电子电路是处置电信号的电路，因此，读图时应以信号传输途径为主线，把电路划分为假设干个大体单元电路；

（2）分析单元电路的功能；

（3）化零为整：

依照信号流向，把单元电路组合起来，分析整个电路的功能；

（4）分析电路中的改善环节，了解电路性能的好坏。

3、F007的组成及特点

（1）偏置电路

偏置电路包括在各级电路中，采纳多路偏置的形式，为各级电路提供稳固的恒流偏置和有源负载，其性能的好坏直接阻碍其他部份电路的性能。

其中，T10、T11组成的微电流源作为整个集成运放的主偏置。

（2）差动输入级

由T1、T3和T2、T4组成的共集—共基组合差分放大电路组成，双端输入、单端输出。

其中，T5、T6、T7组成的改良型镜像电流源作为其有源负载，T8、T9组成的镜像电流源为其提供恒流偏置。

由于上述的结构组成，输入级具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部份电路。

（3）中间增益级

由T17组成的共发射极电路组成，其中，T13B和T12组成的镜像电流源为其集电极有源负载。

故本级可取得很高的电压增益。

（4）互补输出级

由T14、T20组成的甲乙类互补对称放大电路组成。

其中，T18、T19、R8组成的电路用于克服交越失真，T12和T13A组成的镜像电流源为其提供直流偏置。

输出级输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。

（5）隔离级

在输入级与中间级之间插入由T16组成的射随器，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级的增益。

在中间级与输出级之间插入由T24组成的有源负载（T12和T13A）射随器，用来减小输出级对中间级的负载阻碍，保证中间级的高增益。

（6）爱惜电路

T15、R6爱惜T14，T21、T23、T22、R7爱惜T20。

正常情形下，爱惜电路不工作，当显现过载情形时，爱惜电路才动作。

（7）调零电路

由电位器Rp组成，保证零输入时产生零输出。

可见，F007是一种较理想的电压放大器件，它具有高增益、高输入电阻、低输出电阻、高共模抑制比、低失调等优势。

4、集成运放的要紧参数

为了正确地利用运放，必需了解其参数的含义。

集成运放的要紧参数大体上可分为五类：

（1）输入失调参数——输入失调电压VIO、输入失调电流IIO、输入偏置电流IIB、输入失调电压的温漂△VIO/△T和输入失调电流的温漂△IIO/△T。

（2）差模特性参数——开环差模电压增益AVO和带宽BW、差模输入电阻Rid、最大差模输入电压VIdmax。

（3）共模特性参数——共模抑制比KCMR、最大共模输入电压VIcmax。

（4）大信号动态特性参数——转换速度SR、全功率带宽BWP。

（5）电源特性参数——静态功耗PV、电源电压抑制比KSVR。

另外，还有输出电阻Ro、最大输出电流Iom等。

上述参数中，尤其以VIO、△VIO/△T、IIB、AVO、KCMR、BW、Rid和SR等在很多场合下更为重要。

典型习题详解

【5-1】集成运放F007的电流源组成如题图所示，设VBE（on）=。

（1）假设T3、T4管的β=2，试求IC4=？

（2）假设要求IC1=26μA，那么R1=？

【解】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

（1）T3、T4管组成镜像电流源。

由图可知：

VCC－（－VEE）－VBE（on）4－VBE（on）215－（－15）－－

IR2==≈

R239

IR2

IC4===

1+2/β1+2/2

因此：

（2）T1、T2管组成微电流源。

由图可知：

VTIR226

R1≈ln=ln≈Ω

IC1IC1

VTIR2

IC1≈ln

R1IC1

因此有：

VCC

－VEE

VCC（+15V）

IC4

R239kΩ

－VEE（－15V）

IC1

题图

【5-2】由电流源组成的电流放大器如题图所示，试估算电流放大倍数Ai=Io/Ii=？

【解】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

T1、T2管组成一比例式电流源；T3、T4管组成另一比例式电流源。

由图可知：

IC22R

≈=2

IiR

Ai=≈6

Io3R

≈=3

IC3R

IC2=IC3

【5-3】用电阻R2取代晶体管的电流源如题图所示，试证明IC2为

VTIR

IC2≈ln

R2IS

【证明】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

当T1、T2管的β值专门大时，可忽略其基极电流。

因此有；

VBE1≈VTln

IR≈IC1≈ISe

VBE1

VTIR

IC2≈ln

R2IS

IE2R2≈IC2R2≈VBE1

VCC

Io1

Io2

VCC

IC2

题图

【5-4】在题图所示电路中，设各管的β值相同，T1和T2管的集电结面积别离为

n1βIR

Io1=

1+β+n1+n2

T3管集电结面积的n1和n2倍，

（1）证明T1管中的电流；

（2）在什

么条件下Io1≈n1IR？

【证明】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

IC3IC2IC11n2n1

IR=IC3+IB3+IB2+IB1=IC3+++=IC3（1+++）

ββββββ

（1）

n1βIR

Io1=IC1=n1IC3

1+β+n2+n1

βIR

IC3=

1+β+n2+n1

（2）当β＞＞1+n2+n1时，Io1≈n1IR

【5-5】比例式电流源电路如题图所示，已知各晶体管特性一致，VBE（on）=，β=100，│VA│=120V，试求IC1、IC3和T3侧的输出交流电阻Ro。

【解】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

VEE－VBE（on）26－

IC2===2mA

R2+R4+

因为参考电流

IC3=IC2=2×≈

IC1=IC2=2×≈

因此

βR3

Ro3≈rce31+≈1013kΩ

R3+rbe3+R4∥（re2+R2）

│VA│

rce3=≈36kΩ

IC3

re2==Ω

IC2

rbe3≈（1+β）≈Ω

IC3

其中

510Ω

－VEE（－6V）

－VEE

IC1

850Ω

IC3

题图

VCC（30V）

30kΩ

题图

【5-6】电流源电路如题图所示，已知β=100，VBE（on）=，│VA│=100V，假设要求Io=10μA，试确信R2，并求输出交流电阻Ro。

【解】此题用来熟悉：

微电流源电路的分析方式。

VCC－VBE（on）130－

IR==≈μA

R30

因为参考电流

VTIR26

R2≈ln=ln≈Ω

IoIo10

因此

βR2

Ro≈rce21+≈Ω

R2+rbe2+R∥re1

│VA│

rce2==10MΩ

re1=≈Ω

rbe2≈（1+β）=Ω

其中

【5-7】题图所示电路中，各管特性相同，已知β=200，│VBE（on）│=，试求各管电流及各电阻上电压。

题图

+VCC2（+5V）

1kΩ

－VEE2（－10V）

－VEE

1kΩ

10kΩ

1kΩ

T10

+VCC1（+10V）

T11

2kΩ

－VEE1（－5V）

－VEE

【解】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

VCC1－VEB（on）7－VBE（on）6－（－VEE2）10－－－（－10）

IC7===

R310

因为

因此各管电流如下：

IC8=IC9=IC7=，IC10=IC11=

IC3=IC4=IC5=IC6=IC7=，IC1=IC2=

各电阻上的电压如下：

VR1=VR2=VR5=IC2R1=×1=

VR4=IC8R4=×2=，VR3=IC7R3=×10=

【5-8】级联型电流源电路如题图所示，各管特性相同，试证明其输出电流Io为

β24

Io=IR≈（1－）IR

β2+4β+2β

【证明】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

IC1=IC2=IE4=Io/α

由图可得：

IR=IC3+IB3+IB4=IC3（1+1/β）+Io/β

IC3=αIE3=α（IC1+IB1+IB2）=αIC1（1+2/β）

β2144

Io=IR≈IR=（1－）IR≈（1－）IR

β2+4β+21+4/ββ+4β

联立上述方程可得：

VCC

题图

【5-9】威尔逊电流源电路如题图所示，三个晶体管参数相同，试推倒输出电流Io与参考电流IR之间的关系。

【证明】此题用来熟悉：

电流源电路的分析方式。

IC1=IC2

由图可得：

IR=IC1+IB3=IC1+Io/β

Io=IC3=αIE3=α（IC2+IB1+IB2）=αIC1（1+2/β）

β2+2β

Io=IR≈IR

β2+2β+2

联立上述方程可得：

VEE

【5-10】题图所示电路为电流传输器，

各管参数相同，β足够大，基极电流可忽略。

（1）假设Y端接入一电压vY，X端注入

一电流iX，试证iZ=iX，X端电压vX=vY；

（2）假设Y端接地，即vY=

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