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1、 第第4章章 集成运算放大器集成运算放大器u 4.1 集成电路概述集成电路概述 u 4.2 集成运放的基本组成及功能集成运放的基本组成及功能 u 4.3 集成运放的主要参数及其选择集成运放的主要参数及其选择 u 4.4 集成运放的使用集成运放的使用u 4.5 理想运算放大器理想运算放大器 u 本章小结本章小结 4.1 集成电路概述集成电路概述 电子技术发展的一个重要方向和趋势就是实现集成化，因此，集成放大电路的应用是本章的重点内容之一。本章首先介绍集成电路的一些基本知识，然后着重讨论模拟集成电路中发展最早、应用最广泛的集成运算放大器（简称集成运放集成运放）。4.1.1 集成电路及其发展集成电路
2、及其发展 集成电路集成电路简称IC（Integrated Circuits），是60年代初期发展起来的一种半导体器件。它是在半导体制造工艺的基础上，将电路的有源器件（三极管、场效应管等）、无源器件（电阻、电感、电容）及其布线集中制作在同一块半导体基片上，形成紧密联系的一个整体电路。人们经常以电子器件的每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。1904年出现的半导体器件（如真空三极管）称为第一代，1948年出现的半导体器件（如半导体三极管）称为第二代，1959年出现的集成电路称为第三代，而1974年出现的大规模集成电路，则称为第四代。可以预料，随着集成工艺的发展，电子技术将日益广泛地应用于人类社
3、会的各个方面。4.1.2 集成电路的特点集成电路的特点 与分立元件电路相比，集成电路具有以下四个突出特点：（1）体积小，重量轻 1946年，美国制成了世界上第一台电子管电子计算机，用了18000多只电子管，约30余吨，需要170多平方米的房屋面积才能放得下，但它的运算速度只有每秒钟五千次左右。目前采用超大规模集成电路工艺制成的PC机的CPU芯片，重量才几十克，体积和一个火柴盒差不多（包括散热电机），但它的运算速度可达每秒百万次以上。（2）可靠性高，寿命长 半导体集成电路的可靠性与普通晶体管相比，可以说提高了几十万倍以上。例如，1964年的晶体管电子计算机的故障间隔平均时间为73小时，而1964
4、年的半导体集成电路电子计算机为4650小时；到1970年时，达到了12400小时；1985年Inter公司生产的8398单片机，平均无故障工作时间为3.8107小时（片内含有12万个晶体管）。显而易见，集成化程度越高，可靠性越高。（3）速度高，功耗低 晶体管电子计算机运算速度为每秒几十万次，普通集成电路的运算速度每秒可达几百万次。目前，我国用大规模和超大规模集成电路组装的计算机，其运算速度每秒已达十亿次。在功耗方面，一台晶体管收音机（交流电源供电）所消耗的功率不到一瓦，而集成单元电路的功耗只有几十微瓦，相当于一个晶体管功耗的千分之一。一般的半导体集成电路每次的逻辑运算所需的能量为10nJ（1
5、nJ=10-9J）左右，近年来，由于新技术的采用，已使每次逻辑运算所需的能量降低到1 nJ以下。（4）成本低 在应用上，如果要达到电子线路的同样功能，采用集成电路和采用分立元件电路相比，前者的成本要低许多。原因有二：第一、集成电路的器件价格比组成电路的分立元件低，一块集成电路中不论含有多少只晶体管，最后只需一只外壳来封装，而对分立元件，有多少只晶体管就要有多少只外壳封装，有时外壳的成本比管芯的成本还高。第二、分立元件电路投入安装调试的劳动力成本又高出了集成电路很多。随着科学技术水平的不断提高，集成电路集成化程度将不断提高，制造成本也会日趋降低。4.1.3 集成电路的分类集成电路的分类 1.集成
6、电路的分类集成电路的分类 （1）按制造工艺分类 按照集成电路的制造工艺不同可分为半导体集成电路（又分双极型集成电路和MOS集成电路），薄膜集成电路和混合集成电路；（2）按功能分类 集成电路按其功能的不同，可分为数字集成电路，模拟集成电路和微波集成电路；（3）按集成规模分类 集成规模又称集成度集成度，是指集成电路内所含元器件的个数。按集成度的大小，集成电路可分为小规模集成电路（SSI），内含元器件数小于100；中规模集成电路（MSI），内含元器件数为1001000个；大规模集成电路（LSI），元器件数为100010000个；超大规模集成电路（VLSI），元器件数目在10000至100000之间。
7、集成电路的集成化程度仍在不断地提高，目前，已经出现了内含上亿个元器件的集成电路。2.集成运算放大器的分类集成运算放大器的分类 自1964年FSC公司研制出第一块集成运算放大器A702以来，经过几十年的发展，集成运放已成为一种类别与品种系列繁多的模拟集成电路了。为了在工作中能够正确地选取使用，必须了解集成运放的分类。集成运放有四种分类方法。（1）按用途分类 集成运放按其用途分为通用型和专用型两大类。通用型集成运放 通用型集成运放的参数指标比较均衡全面，适用于一般的工程设计。一般认为，在没有特殊参数要求情况下工作的集成运放可 列为通用型。由于通用型应用范围宽、产量大，因而价格便宜。作为一般应用，首
8、先考虑选择通用型。专用型集成运放 这类集成运放是为满足某些特殊要求而设计的，其参数中往往有一项或几项非常突出，因而可分为：l 低功耗或微功耗集成运放：电源电压在15 V时，功耗小于6 mW或W级。l 高速集成运放。l 带宽集成运放：一般增益带宽积应大于10 MHz。l 高精度集成运放：特点是高增益、高共模抑制比、低偏流低温漂、低噪声等。l 高电压集成运放：正常输出电压Uo大于大于22 V。l 功率型集成运放。l 高输入阻抗集成运放。l 电流型集成运放。l 跨导型集成运放。l 程控型集成运放。l 低噪声集成运放。l 集成电压跟随器。（2）按供电电源分类 集成运放按供电电源分类，可分为两类。双电源
9、集成运放 绝大部分集成运放在设计中都是正、负对称的双电源供电，以保证运放的优良性能。单电源集成运放 这类运放采用特殊设计，在单电源下能实现零输入、零输出。交流放大时，失真较小。（3）按制作工艺分类 集成运放按制作工艺可分为三类。双极型集成运放。单极型集成运放。双极单极兼容型集成运放。（4）按级数分类 集成运放按级数可分为四类。单运放。双运放。三运放。四运放。4.1.4 集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介 在集成电路的生产过程中，在直径为310 mm的硅片上，同时制造几百甚至几千个电路。人们称这个硅晶片为基片，称每一块电路为管芯，如图4.1所示。基片制成后，再经划片、压焊、测试、封装后成为
10、产品。图4.2（a）、（b）所示为圆壳式集成电路的剖面图及外形，图（c）、（d）所示为双列直插式集成电路的剖面图及外形。1.几个工艺名词几个工艺名词 集成电路的制造工艺较为复杂，在制造过程中需要很多道工序，现将制造过程中的几个主要工艺名词介绍如下：（1）氧化：在温度为8001 200oC的氧气中使半导体表面形成SiO2薄层，以防止外界杂质的污染。（2）光刻与掩模：制作过程中所需的版图称为掩模，利用照相制版技术将掩模刻在硅片上称为光刻。（3）扩散：在1 000oC左右的炉温下，将磷、砷、或硼等元素的气体引入扩散炉，经一定时间形成杂质浓度一定的N型半导体或P型半导体。每次扩散完毕都要进行一次氧化，
11、以保护硅片的表面。（4）外延：在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为外延生长技术。所形成的薄层称为外延层，其作用是保证半导体表面性能均匀。（5）蒸铝：在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面，外制造连线或引线作准备。2.隔离技术隔离技术 虽然集成电路各元件均制作在一块硅片上，但各元件之间必须是相互绝缘的，这就需要隔离。常用的隔离技术有PN结隔离和介质隔离两种。PN结隔离技术是利用PN结反向偏置时具有很高电阻的特点，把元件所在N区或P区四周用PN结包围起来，使元件之间绝缘。图4.3所示为PN结隔离的工艺流程图和相应的断面，按照图的顺序可以看到如下的制造过程。图4.3（a）所示为制造集
12、成电路的原始材料P型硅基底（衬底）。第一步，在P型衬底上氧化氧化生成SiO2保护层，如图（b）所示；第二步，将光敏抗蚀剂涂在保护层上，并将掩模1放于其上，然后利用紫外线曝光，进行光刻光刻，经显影，没曝光部分的抗蚀剂被溶解掉，曝光部分变成聚合物保持不变，如图（c）所示；第三步，用氢氟酸（HF）腐蚀掉未曝光部分的SiO2，为扩散杂质开出窗口，如图（d）所示；第四步，从窗口扩散扩散形成高掺杂的隐埋层N+区，如图（e）所示；第五步，除去氧化层，利用外延工艺在衬底和隐埋层之上生成一层N型外延层，并再次氧化氧化形成SiO2薄层，如图（f）所示；第六步，二次光刻光刻，如图（g）所示；第七步，腐蚀形成隔离槽扩
13、散窗口，如图（h）所示；第八步，向窗口进行高浓度的P型杂质扩散，直至穿透外延层到达衬底，形成隔离槽。由于隔离槽与衬底均为P型，它们连成一体，将准备制造元件的N型区围成一个孤立的小岛，称为隔离岛，如图（i）所示。当将衬底接在电路最低的电位上时，PN结处反向偏置，因而起隔离作用。PN结隔离的优点是制造工艺简单，缺点是隔离岛之间所能承受的电压不高，存在较大的寄生电容效应，影响电路的高频效应，因此只适用于工作电压不高、结构不太复杂的模拟和数字集成电路。介质隔离是用SiO2等介质材料将隔离岛与衬底、隔离岛与隔离岛之间隔离开来。介质隔离的最大优点是不需外加偏置电压，且寄生电容小，但制造工艺复杂，成本高，一
14、般用于电源电压较高、对隔离性能要求较高的模拟集成电路之中。3.电路元件的制造工艺电路元件的制造工艺 隔离岛形成后，便可在其中制造所需的元件，制造过程与PN结隔离的制造过程完全相同。图4.4所示为NPN型管的工艺流程与相应的剖面图。第一步是基区扩散，首先在隔离岛上光刻出基区扩散窗口，并向窗口进行P型杂质扩散，形成晶体管的基区，然后进行氧化；第二步是发射区和集电区扩散，首先光刻出两个扩散窗口，并向窗口进行高浓度N型杂质扩散，形成的两个N+区，分别为发射区和集电区，然后再次氧化；第三步是蒸铝，首先光刻出各极引出窗口，然后在硅片上蒸发一层铝，再根据连接图通过光刻、腐蚀方法去掉不需要的部分，进行合金化处
15、理后，便制成NPN型管。利用类似工艺过程可制成PNP型管场效应管等。各种无源元件并不需要特殊工艺，例如：用NPN型管的发射结作为二极管和稳压管，用NPN型管基区体电阻作为电阻，用PN结势垒电容或MOS管栅极与沟道间等效电容作为电容等。4.集成电路中元件的特点集成电路中元件的特点 与分立元件相比，集成电路中的元件有如下特点：（1）具有良好的对称性。由于元件在同一硅片上用相同的工艺制造，且因元件很密集而环境温度差别很小，所以元件的性能比较一致，而且同类元件温度对称性也较好。（2）电阻与电容的数值有一定的限制。由于集成电路中电阻和电容要占用硅片的面积，且数值愈大，占用面积也愈大。因而不易制造大电阻和
16、大电容。因此，电阻阻值范围为几十欧几千欧，电容容量一般小于100 pF。（3）纵向晶体管的值大；横向晶体管的值小，但PN结耐压高。（4）用有源元件取代无源元件。由于纵向NPN管占用硅片面积小且性能好，而电阻和电容占用硅片面积大且取值范围窄，因此，在集成电路的设计中尽量多采用NPN型管，而少用电阻和电容。4.2 集成运放的基本组成及功能集成运放的基本组成及功能 从原理上说，集成运算放大电路（即集成运放）的内部实质上是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图4.5所示。下面分别进行介绍。4.2.1 偏置电路偏置电路 偏置电路偏置电路
17、的作用是向各级放大电路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：1.基本恒流源电路基本恒流源电路 用三极管实现恒流源，可采用工作点稳定电路，如图4.6所示。当I 1I B时，I 1I 2 ，则 ，因而 所以当电阻R1、R2、R3及电源VEE选定后，IC即被确定。例如，R1=R2=R3=5 k，-VEE=-12 V，UBEQ=0.7 V，则 2.镜像电流源镜像电流源 基本恒流源
18、电路中由于用了三个电阻,不利于集成成,因此经常采用图4.7所示的镜像电流源。图中T0管和T1管具有完全相同的输入特性和输出特性，且由于两管的b、e极分别相连，UBE 0=UBE 1，IB0=IB1，因而就像照镜子一样，T1管的集电极电流和T0管的相等，所以该电路称为镜像电流源。由图可知，T0管的b、c极相连，T0管处于临界放大状态，电阻R中电流IR为基极电流，表达式为 且IR=IC0+IB0+IB1=IC1+2 IB1=（1+2/）IC1，所以当2时，有(4.2)可见，只要电源VCC和电阻R确定，则IC1就确定。另外，在镜像电流源中，T0的发射结对T1具有温度补偿作用，可有效地抑制IC1的温漂
19、。例如当温度升高使T1的IC1增大的同时，也使T0的IC0增大，从而使UBE 0（UBE1）减小，致使IB1减小，从而抑制了IC1的增大。3.微电流源微电流源 镜像电流源电路中，IC1的大小决定于电源电压和R，当电源电压一定时，若想得到小电流，则R必须很大，而大电阻不便于集成。微电流源可解决这个问题，如图4.8所示。在该电路中 I E1R E=UBE 0 -UBE1 （4.4）当UBEUT 时，有I E0 ，I E1 ，则 ，式（4.4）可化为 I E1R E UT ln（I E 0/I E 1）（4.5）而I E 0IR，I E 1 I C1，因此 I E1R E UT ln（I R/I C
20、 1）（4.6）由此得到了IC1与RE之间的关系表达式。在设计中一般先确定基准电流IR和IC1的数值，再根据式（4.6）确定RE的阻值。与工作点稳定电路相同。RE有负反馈的作用，能够抑制IC1的温漂。例如，当温度升高使IC1增加时，则RE上压降增大，UBE1将减小，从而使IB1、IC1减小，稳定了IC1。例例4.1 图4.8所示电路中，已知VCC=15 V，R=15 k，UBEQ=0.7 V，要求IC1=20A，求RE。解：解：由式（4.2）可得 由式（4.6）可得 R E 26mVln（IR/I C 1）/I E 15 K4.2.2 差动放大电路输入级差动放大电路输入级 差动放大电路（也称差
21、分放大电路）就其功能来说，是放大两个输入信号之差。由于集成运放的内部实质上是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路，因此必须解决零漂问题，电路才能实用。虽然集成电路中元器件参数分散性大，但是相邻元器件参数对称性却比较好。差动放大电路就是利用这一特点，采用参数相同的三极管来进行补偿，从而有效地抑制零漂。在集成运放中多以差动放大电路作为输入级。1.基本形式差动放大电路基本形式差动放大电路 （1）差模信号和共模信号 将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差差动放大电路的基本形式动放大电路的基本形式，如图4.9所示。图中两个三极管的基极是电路的两个输入端，分别接有输入信号u I1和u
22、 I2。差模信号差模信号uId是两个输入信号之差，共模信号共模信号uIc是两个输入信号的算术平均值，即 差模信号 u Id=u I1 u I2 （4.7）共模信号 (4.8)当差动放大电路完全对称时，两个单管放大器的输入电阻必然相等，所以在差模输入信号作用下，每个单管放大器分得的差模输入电压大小相等而极性相反，这种输入方式称为差模输入差模输入；在共模输入信号作用下，每个单管放大器分得的共模输入电压大小相等而极性相同这种输入方式称为共模输入共模输入。正因为如此，有时把共模信号定义为大小相等而极性相同的一对信号；差模信号定义为大小相等而极性相反的一对信号。当差模信号和共模信号表示两个输入信号时，有
23、(4.9)(4.10)（2）工作原理 在图4.9所示基本差动放大电路中，两个单管放大电路的参数完全对称，两个管子的温度特性也完全对称。两个输入端分别输入信号uI1和uI2，两个输出端分别输出uc1和uc2，所以根据应用的不同有四种输入输出方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。当在电路的两个输入端加上大小相等、极性相同的共模信号时，两个管子的电流相等，集电极电位也相等，所以输出电压uO=uc1-uc2=0。如果温度发生变化，由于电路的对称性，使得两管的电流变化情况相同，集电极电位的变化也完全相同，于是在输出端，输出电压uO=uc1-uc2也等于零。这说明，
24、差动放大电路对共模信号无放大作用，而共模信号即是有害的无效信号。这是因为温度的变化以及其它外界干扰，对两个管子的影响完全相同，因此在两输入端产生的输入信号也完全相同，这就是我们说的共模信号。而且，从以上分析可知，差动放大电路是依靠电路的对称性消除零漂的。当在电路的两个输入端加上大小相等、极性相反的差模信号时，此时uI1=-uI2=uId/2，使得一个管子的电流增加，另一个管子的电流则减小，所以输出电压uO=uc1-uc20，即在两输出端有信号电压输出。这说明，差动放大电路对差模信号有放大作用，而差模信号即是需要放大的有效信号。总之，差动放大电路放大差模信号，抑制（消除）共模信号。“差动放大电路
25、”的名称正体现了这方面的含义。（3）主要技术指标 差模电压放大倍数Au d 差模电压放大倍数Au d是在差模输入信号的作用下，产生的输出电压uOd与差模输入电压uId之比，即(4.11)共模电压放大倍数Au c 共模电压放大倍数Au c是在共模输入信号的作用下，产生的输出电压uOc与共模输入电压uIc之比，即 显然，Au d越大，Au c越小，表明差动电路对共模信号的抑制能力越强，零点漂移越小。共模抑制比KCMR 共模抑制比KCMR是差模电压放大倍数Au d与共模电压放大倍数Au c的绝对值之比，即或 （dB）（4.14）(4.12)(4.13)共模抑制比KCMR描述差分放大电路对零漂的抑制能
26、力。KCMR愈大，说明抑制零漂的能力愈强。在理想情况下，差分放大电路两侧的参数完全对称，两管输出端的零漂完全抵消，则共模电压放大倍数Auc=0，共模抑制比KCMR=。差模输入电阻RId 差模输入电阻RId是差动放大器对差模信号源呈现的等效电阻。在数值上，RId等于差模输入电压uId与差模输入电流iId之比，即 共模输入电阻RIc 共模输入电阻RIc是差动放大器对共模信号源呈现的等效电阻。在数值上，RIc等于共模输入电压uIc与共模输入电流iIc之比，即(4.15)(4.16)差模输出电阻ROd 差模输出电阻ROd是在差模信号作用下差动放大器相对于负载电阻RL而言的戴维南电源的内阻；或者说是在差
27、模信号作用下从RL两端向放大器看去的等效电阻。数值上ROd等于在差模输入信号作用下，输出开路电压与输出短路电流之比。对于基本形式的差动放大电路而言，由于内部参数不可能绝对匹配，所以输出电压uO仍然存在零点漂移，共模抑制比很低。而且从每个三极管的集电极对地电压来看，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此，在实际工作中一般不采用这种基本形式的差动放大电路，而是在此基础上稍加改进，组成了长尾式差动放大电路。2.长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路 （1）电路组成 在图4.9的基础上，在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻R e，如图4.10所示。这个电阻像一条“长尾”，所以这种电路称为长尾式差
28、分放长尾式差分放大电路大电路。长尾电阻R e对共模信号具有抑制作用。假设在电路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电流i C1、i C2同时增加，使流过发射极电阻R e的电流iE增加，于是发射极电位u E升高，从而两管的uBE1、uBE2降低，进而限制了i C1、i C2的增加。但是对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以iC1增加多少，iC2就减少同样的数量，因而流过R e的电流总量保持不变，则uE=0，所以R e对差模输入信号无影响。由以上分析可知，长尾电阻R e的接入使共模放大倍数减小，降低了每个管子的零点漂移，但对差模放大倍数没有影响，因此提高了电路的共模抑制
29、比。R e愈大，抑制零漂的效果愈好。但是，随着R e的增大，R e上的直流压降将愈来愈大。为此，在电路中引入一个负电源VEE来补偿R e上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。引入VEE后，静态基极电流可由VEE提供，因此可以不接基极电阻Rb，如图4.10所示。（2）静态分析 当输入电压等于零时，放大电路的直流通路如图4.11所示。由于电路对称，所以IBQ1=IBQ 2=IBQ，ICQ1=ICQ 2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，1=2=，由三极管的基极回路可得 IBQR+UBEQ+2 IE QR e=VEE 则静态基极电流为 静态集电极电流和电位为 I
30、CQ IBQ （4.18）UCQ=VCC-ICQ Rc (对地)（4.19）静态基极电位为 UBQ=-IBQR (对地)（4.20）(4.17)（3）动态分析 由于接入长尾电阻R e后，当输入差模信号时流过R e的电流不变，UE相当于一个固定电位，因此，在交流通路中可将R e视为短路，因此长尾式差动放大电路的交流通路如图4.12所示。图中RL为接在两个三极管集电极之间的负载电阻。当输入差模信号时，一管集电极电位降低，另一管集电极电位升高，可认为RL中点处的电位保持不变，也就是说，在RL/2处相当于交流接地。根据交流通路可以估算差动放大电路的差模电压放大倍数Au d、差模输入电阻RId和输出电阻
31、ROd。由交流通路可得于是则 同理 输出电压为 则差模电压放大倍数为(4.21)从两管输入端向里看，差模输入电阻为 R Id=2（R+r be）（4.22）两管集电极之间的输出电阻（即差模输出电阻）为 ROd=2R c （4.23）在长尾式差动放大电路中，为了在两参数不完全对称的情况下能使静态时的uO为零，常常接入调零电位器RW，如图4.13所示。下面看一个例子。例例7.2 在图4.13所示的差动放大电路中，已知VCC=VEE=12 V，三极管的=50，Rc=30 k，R e=27 k，R=10 k，RW=500，设RW的活动端调在中间位置，负载电阻RL=20 k。试估算放大电路的静态工作点Q
32、、差模电压放大倍数Ad、差模输入电阻R Id和输出电阻ROd。解：解：由三极管的基极回路可知 0.004 mA=4A则 ICQ IBQ=500.004=0.2 mA UCQ=VCC-ICQ Rc=12 0.230=6 V UBQ=-IBQR=-0.00410=-0.04V=-40 mV 放大电路中引入R e对差模电压放大倍数没有影响，但调零电位器只流过一个管子的电流，因此将使差模电压放大倍数降低。放大电路的交流通路如图4.14所示。由图可求得差模电压放大倍数为式中 差模输入电阻 差模输出电阻 R Od=2R c=230=60 k 3.恒流源式差动放大电路恒流源式差动放大电路 在长尾式差动放大电
33、路中，R e越大，抑制零漂的能力越强。但R e的增大是有限的，原因有两个：一是在集成电路中难于制作大电阻；二是在同样的工作电流下Re越大，所需VEE将越高。为此，需要找一种器件来代替R e，该器件必须满足交流等效电阻很大、且直流压降又不高的特点，恒流源正具备这种特点。图4.15所示为恒流源差动放大电路，图4.16为其简化画法。由于理想恒流源内阻趋于无穷，所以可以认为当输入共模信号时，每只管子集电极电流和电位的变化为零。恒流源式差动放大电路在集成运放中被广泛采用。4.差动放大电路的四种接法差动放大电路的四种接法 差动放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出
34、端。差动放大电路的输入、输出端可以有四种不同的接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出，单端输入单端输出。下面以长尾式差动放大电路为例介绍不同接法的性能。（1）双端输入双端输出 前面的分析是以双端输入双端输出的形式进行分析的，如图4.17所示。根据前面的分析得差模电压放大倍数Aud为共模电压放大倍数为 Auc=0共模抑制比KCMR为 KCMR差模输入电阻R Id为 R Id=2（R b+r be）共模输入电阻R Ic为输出电阻RO为 RO=2Rc 双端输入双端输出适用于输入、输出都不需接地，对称输入、对称输出的场合。（2）单端输入双端输出 单端输入双端输出差动放大电路如图4
35、.18所示。输入信号仅加在T1管输入端，T2管输入端接地，这种输入方式称为单端输入，是实际电路中常用的一种。当忽略电路对共模信号的放大作用时，单端输入就可等效为双端输入情况，故双端输入双端输出的结论均适用单端输入双端输出。这种接法的特点是可把单端输入的信号转换成双端输出，作为下一级的差动输入，适用于负载两端任何一端不接地，而且输出正负对称性好的情况。(3）双端输入单端输出 双端输入单端输出差动放大电路如图4.19所示。由于仅从T2管的集电极输出，所以输出电压只有双端输出的一半。同样根据图中所示，可以求出主要性能指标。差模电压放大倍数Aud为 共模电压放大倍数为 共模抑制比KCMR为 差模输入电
36、阻R Id为 R Id=2（R b+r be）共模输入电阻R Ic为 输出电阻RO为 RO=Rc 双端输入单端输出适用于将双端输入转换为单端输出的场合。（4）单端输入单端输出 单端输入单端输出差动放大电路如图4.20所示。按前面同样的方法，可得出它与双端输入单端输出等效。这种接法的特点是，它比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂的能力，而且可根据不同的输出端，得到同相或反相关系。从以上分析可知，差动放大电路的主要性能指标仅与输出方式有关，而与输入方式无关。差动放大电路双端输出时的差模电压放大倍数就是半边差模等效电路的电压放大倍数，而单端输出时，则是半边差模等效电路电压放大倍数的一半（不接负载电阻
37、）。差模输入电阻不管是双端输入还是单端输入方式，都是半边差模等效电路输入电阻的两倍。而输出电阻在单端输出时，RO=Rc；在双端输出时，RO=2Rc。4.2.3 互补对称输出级互补对称输出级 集成运放的输出级应有较低的输出电阻，以提高电路的带负载能力。同时，也希望有较高的输入电阻，以免影响中间级共射电路的电压放大倍数。1.互补对称电路互补对称电路 集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路互补对称电路。图4.21示出了一个常见的互补对称输出级电路。其中T1为NPN型三极管，T2为PNP型三极管。两管的发射极连在一起，然后通过负载电阻RL接地。放大电路需用两路直流电源：+VCC和-VCC。
38、当加上正弦输入电压uI时，在正半周，T1导电，T2截止。T1的集电极电流ic1由+VCC流出，经T1和RL流入公共端。在负半周，T2导电，T1截止。ic2由公共端流经RL和T2到-VCC。负载电阻RL上的电流是ic1和ic2的组合，即iLic1-ic 2。当uI为正弦波时，负载电流iL和输出电压uO基本上也是正弦波。无论T1或T2导电，放大电路均工作在射极输出器状态，所以输出电阻低，带负载能力强。由图4.21可见，在三极管T1和T2的基极回路中，从直流电源+VCC到-VCC之间，接入一个由电阻和二极管组成的支路，其作用是减小失真，改善输出波形。假如没有这个支路，而将T1和T2的基极直接连在一起
39、，再接到输入端，则在输入电压正半周与负半周的交界处，当uI的幅度小于T1、T2输入特性曲线上的死区电压时，两管都不导电。也就是说，在T1、T2交替导电的过程中，将有一段时间两个三极管均截止。这种情况将导致iL和uO的波形发生失真，这种失真称为交越失真交越失真，如图4.22所示。为了消除交越失真，必须克服三极管死区电压的影响。方法是在T1和T2的基极之间接入一个导电支路，使静态时存在一个较小的电流从+VCC流经R1、R、D1、D2、R2到-VCC，在T1和T2的基极之间产生一个电位差，故静态时两只三极管已有较小的基极电流，因而两管也各有一个较小的集电极电流。当输入正弦电压uI时，在正、负半周两管
40、分别导电的过程中，将有一段短暂的时间T1、T2同时导电，避免了两管同时截止，因此交替过程比较平滑，减小了交越失真。图4.21所示的互补对称电路在实际的集成运放输出级得到广泛的应用。2.由复合管组成的互补对称电路 如果集成运放输出端的负载电流比较大，必须要求互补对称管T1和T2是能输出大电流的三极管。但是，大电流的三极管一般值较低，因此就需要中间级输出大的推动电流提供给输出级。在集成运放电路中，中间级一般是电压放大，很难输出大的电流。为了解决这一矛盾，一般输出级采用由复合管复合管构成的互补对称电路。如图4.23所示。这种互补对称电路有一个缺点，大功率三极管T3是NPN型，而T4是PNP型，它们类
41、型不同，很难做到特性互补对称。为了克服这个缺点，可使T3和T4采用同一类型甚至同一型号的三极管，例如二者均为NPN型，而T2则用另一类型的三极管，如PNP型，如图4.24所示。此时T2与T4组成的复合管为PNP型，可与T1、T3组成的NPN性复合管实现互补。这种电路称为准互补对称电路准互补对称电路。图中接入电阻R e1和R c2是为了调整功率管T3和T4的静态工作点。这里提到复合管复合管，下面做一下简介。复合管可由两个或两个以上三极管组合而成。复合管的接法有多种，它们可以由相同类型的三极管组成，也可以由不同类型的三极管组成。例如在图4.25中，图（a）和（b）分别由两个同为NPN型或同为PNP
42、型的三极管组成，但图（c）和（d）中的复合管却由不同类型的三极管组成。无论由相同或不同类型的三极管组成复合管时，首先，在前后两个三极管的连接关系上，应保证前级三极管的输出电流与后级三极管的输入电流的实际方向一致，以便形成适当的电流通路，否则电路不能形成通路，复合管无法正常工作。其次，外加电压的极性应保证前后两个三极管均为发射结正向偏置，集电结反向偏置，使两管都工作在放大区。例如在图4.25（a）和（b）中，前级的iE1就是后级的iB2，二者的实际方向一致。而在图（c）和（d）中，前级的iC1就是后级的iB2，二者的实际方向也一致。至于基极回路和集电极回路的外加电压，应为如图括弧中所示的正负极性
43、，则前后两个三极管均工作在放大区。可以看出，如图4.25（c）和（d）所示由不同类型三极管所组成的复合管，其和rbe分别为 =1（1+2）12 （4.24）r be=r be1 （4.25）综合图4.25所示的几种复合管，还可以得出以下结论：（1）由两个相同类型的三极管组成的复合管，其类型与原来相同。复合管的12，复合管的rbe=rbe1+（1+1）rbe2。（2）由两个不同类型的三极管组成的复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的12，复合管的rbe=rbe1 。通过介绍可以看出，复合管与单个三极管相比，其电流放大系数大大提高，因此，复合管常用于运放的中间级，以提高整个电路的电压放大倍数，不
44、仅如此，复合管也常常用于输入级和输出级。4.3 集成运放的典型电路集成运放的典型电路4.3.1 集成运算放大器件的识读集成运算放大器件的识读 常见的集成运算放大器有圆形、扁平型、双列直插式等，有8管脚、14管脚等，其外形如表4.1所示。其引线脚号排列顺序的标记，一般有色点、凹槽、管键及封装时压出的圆形标记等。对于双列直插式集成芯片引线脚号的识别方法是：将集成芯片水平放置，管脚向下，从缺口或标记开始，按逆时针方向数，依次为1脚、2脚、3脚、对于圆形管，以管键为参考标记，管脚向下，以键为起点，逆时针数1，2，3，4.3.2 集成运放的典型电路集成运放的典型电路 在了解集成运放基本组成部分的基础上，
45、本节将简要地介绍一种典型的集成运放电路，即双极型集成运放F007。F007属于第二代通用型集成运放，目前应用比较广泛。1.引脚引脚 F007的外形常见的为圆壳式，共有12个引脚，如图4.26（a）所示。各引脚与外电路的连接示意图见图4.26（b）。2.电路原理图电路原理图 F007的电路原理图如图4.27所示。由图可见，电路包括四个组成部分：偏置电路、差分放大输入级、中间级以及输出级和过载保护电路。（1）偏置电路 F007的偏置电路由图4.27中的T8T13以及电阻R4、R5等元件组成。其作用是为各级放大器设置合适的静态工作点。（2）输入级 F007的输入级由T1、T2、T3和T4组成共集-共
46、基差分放大电路，T5和T6构成有源负载，代替负载电阻R c。差分输入信号由T1、T2的基极送入，从T4的集电极送出单端输出信号至中间级。输入级的主要作用是减小零漂，提高共模抑制比。（3）中间级 F007中间级的放大管是由T16、T17组成的复合管，T13作为其有源负载。所以中间级不仅能提供很高的电压放大倍数，而且具有很高的输入电阻，避免降低前级的电压放大倍数。（4）输出级 F007的输出级由T14、T18和T19组成。NPN型三极管T14和T18、T19组成的PNP型复合管构成准互补对称电路。其中T14与T19同为NPN型管，特性比较容易匹配。输出级采用这种准互补对称结构，主要是为了提高运放的
47、输出功率和带负载能力。4.4 集成运放的主要参数及其选择集成运放的主要参数及其选择4.4.1 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 集成运放的特性参数是评价运放性能优劣的依据。为了正确地选择和使用集成运放，必须弄清参数的意义。运放的特性参数分为极限参数和电气参数，极限参数是器件生产厂家规定的最大允许使用条件，在使用过程中，如果超过极限参数，会导致器件性能下降，甚至烧毁；电气参数是集成运放在典型工作条件（温度、电源电压、负载等）下的性能指标。1.极限参数极限参数 （1）供电电压范围（+VCC、-VCC或+US、-US）加到运放上最小和最大允许的安全工作电源电压，称为运放的供电电压范围。采用双电源
48、的运放，其正、负电源电压通常是对称的，标准设计值为15 V，但多数运放可在较宽的电源电压范围内工作，有的可低到1 V以下，有的则可高到40 V。（2）功耗PD 运放在规定的温度范围工作时，可以安全耗散的功率称为功耗。功耗除了和运放的设计有关外，还随封装形式的不同而异。一般来说，陶瓷封装允许的功耗最大，金属封装次之，塑料封装的功耗最小。通用型运放的静态功耗（无负载时）一般在60180 mW。（3）工作温度范围 能保证运放在额定的参数范围内工作的温度称为它的工作温度范围。军用级器件的工作温度范围为-55+125oC，工业用级器件的工作温度范围是-25+85oC，民用级器件的工作温度范围为0+70o
49、C。例如，LM124124/LM224/LM324是相同品种的运放，它们的差别仅仅是工作温度范围依次为军用级、工业用级和民用级。（4）最大差模输入电压UIdm 这是集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。若超过这个限度，输入级差分对管中的一个管子的发射结可能被反向击穿。若输入级由NPN管构成，则其UId m约为5 V，若输入级含有横向PNP管，则UId m可达30 V以上。（5）最大共模输入电压UIcm 能安全地加在运放的两个输入端的短接点与运放地线之间的最大电压称为最大共模输入电压，有时也把使共模抑制比下降6 dB时的正向或负向共模电压值称为UIcm。如果共模成分超过一定限度，
50、则输入级将进入非线性区工作，就会造成失真，并会使输入端晶体管击穿。2.电气参数电气参数 （1）输入特性 差模输入电阻R Id 该指标是指开环情况下，输入差模信号时运放的输入电阻。其定义为差模输入电压u Id与相应的输入电流I Id的变化量之比。R Id用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。该指标越大越好，一般运放的R Id为10 k3 M。输入偏置电流IIB。输入偏置电流是指运放在静态时，流经两个输入端的基极电流的平均值，即IIB愈小愈好，通用型集成运放约为几个微安数量级。输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT 一个理想的集成运放能实现零输入时零输出，而实际的集成运放，当输入电压为零时，存