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1、第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路电路如图所示。电路如图所示。练习练习目的目的:设计一个能提供指定输出电流的基本镜像电流源。设计一个能提供指定输出电流的基本镜像电流源。晶体管参数为晶体管参数为 当当 时，输出电流为时，输出电流为200uA。求电阻求电阻 电路如图所示。电路如图所示。练习练习目的目的:设计一个能提供指定输出电流的基本镜像电流源。设计一个能提供指定输出电流的基本镜像电流源。晶体管参数为晶体管参数为 当当 时，输出电流为时，输出电流为200uA。求电阻求电阻 解：解：可得可得说明说明:输出电流与参考电流之间的差为输出电流与参考电流之间的差为2%,若提高若提高,误差会更小。
2、误差会更小。但提高但提高是有限度的，所以只有通过改变电路结构来改变是有限度的，所以只有通过改变电路结构来改变式的关系，式的关系，从而减小从而减小 的偏差。的偏差。的数值还是比较大的，的数值还是比较大的，难集成。难集成。另外，电路中的电阻另外，电路中的电阻第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源4.3 4.3 集成运放集成运放的的电路分析电路分析及其性能指标及其性能指标4.4.4 4 集成运放集成运放的种类、选择与使用的种类、选择与使用 集成电路集成电路 （Integrated Circuit Integrated
3、 Circuit 简称简称IC)IC)实实质质：是是一一个个高高增增益益的的多多级级直直接接耦耦合（差动放大）放大电路。合（差动放大）放大电路。与与分分立立元元件件电电路路比比较较具具有有：体体积积小小、重重量量轻轻、耗耗电电省省、成成本本低低、可可靠靠性性高高等等优点。优点。4.1 集成电路集成电路(IC)概述概述 在在半半导导体体制制造造工工艺艺的的基基础础上上，把把整整个个电电路路中中的的元元器器件件制制作作在在一一块块硅硅基基片片上上，构构成成特特定定功功能能的的电电子子电电路路，称称为为集集成电路（成电路（Integrated Circuits，简称，简称IC）。）。1.集成电路集成
4、电路(IC)概述概述 集成电路组件集成电路组件.通用型集成运放通用型集成运放CF741内部电路内部电路 一、一、IC分类：分类：集成电路的种类很多，分类方法有以下几种：集成电路的种类很多，分类方法有以下几种：1按集成度的高低，如上所述，集成电路可分为小规模、按集成度的高低，如上所述，集成电路可分为小规模、中规模、大规模和超大规模四类。中规模、大规模和超大规模四类。2按导电类型的不同，集成电路可分为双极型（即按导电类型的不同，集成电路可分为双极型（即BJT型）集成电路和单极型（即型）集成电路和单极型（即MOS型）集成电路。型）集成电路。3按功能的不同，集成电路可分为模拟集成电路和数字按功能的不同
5、，集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路又可分为线性集成电路和集成电路两大类。模拟集成电路又可分为线性集成电路和非线性集成电路。非线性集成电路。集成电路具有以下特点：a.电路结构与元件参数具有对称性；b.采用有源器件代替无源器件；c.采用复合结构的电路；d.级间采用直接耦合方式；e.电路中的二极管多用于温度补偿或电位移动电路，大都采用BJT的发射结构成。2 2、集成运放电路的组成、集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为一个，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。双端输入
6、、单端输出的差分放大电路。.通用型集成运放通用型集成运放CF741内部电路内部电路输入级：是提高运算放大器质量的关键部分。输入级：是提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。电电路路形形式式：采采用用具具有有恒恒流流的的差差动动放放大大电电路路，降降低低零零漂漂，提提高高K KCMRCMR。并并且且通通常常在在低低电电流流状状态态，以以获获得得较较高高的输入阻抗。的输入阻抗。.集成运放基本组成集成运放基本组成 中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。要求：要求：A Au u高，同
7、时向输出级提供较大的推动电流。高，同时向输出级提供较大的推动电流。电电路路形形式式：带带有有恒恒流流源源负负载载的的共共射射电电路路，A Au u高高达达几几千倍以上。千倍以上。集成运放基本组成集成运放基本组成 输出级：与负载相接。输出级：与负载相接。要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。够大的电压和电流，并有过载保护措施。电路形式：一般由互补对称电路或射极输出器构电路形式：一般由互补对称电路或射极输出器构成。成。集成运放基本组成集成运放基本组成 偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏偏置电路：为上述各级电路
8、提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负载提高电压增益，输入级设载提高电压增益，输入级设置一个电流值低而又十分置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流。稳定的偏置电流。电路电路形式：各种恒流源组成。形式：各种恒流源组成。集成运放基本组成集成运放基本组成3、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性 由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压的最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN)Ao
9、d是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。非线非线性区性区 (uPuN)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，开环开环集成运放的输出不集成运放的输出不是是UOM,就是就是UOM，即此时集成运放工作在非线性区。，即此时集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负载提高电压增益，输入级设载提高电压增益，输入级设置一个电流值低而又十分置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流。稳定的偏置电流。电路电路形式：各种恒流源组成。形式：
10、各种恒流源组成。4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源集成运放基本组成集成运放基本组成基本镜像恒流源（又称电流镜）基本镜像恒流源（又称电流镜）4.2.1 由上式可以看出，由上式可以看出，当当VCC、R确确定值时，定值时，IREF 就确定了，因此就确定了，因此IC1也也随之而定（与随之而定（与RL无关）。无关）。电路如同一面镜子，电路如同一面镜子，IREF 在在“镜子镜子”里所成的里所成的“像像”为为IC1，故称为，故称为“镜像恒流源镜像恒流源”。这种偏置电路的优点是结构简单，而且有一定的温度补偿作用。这种偏置电路的优点是结构简单，而且有一定的温度补偿作用。1可以看出，当可以看出，当 较大
11、时，较大时，IE0IC0IREF，IE1IC1。因此。因此当当Re1与与Re0相差不太大时，可以相差不太大时，可以认为认为UBE1UBE0，则有，则有:IE1Re1IE0Re0IREFRe0（重点）（重点）二二.比例恒流源（重点）比例恒流源（重点）（记忆，乘积相等）（记忆，乘积相等）可见，只要改可见，只要改变变R Re0e0与与R Re1e1比例，就可得到与比例，就可得到与I IREFREF不不同比例的同比例的I IC1C1，这也是得名，这也是得名”比例恒比例恒流源电路流源电路”的原因。比例式恒流源的原因。比例式恒流源电路也可用场效应管来组成，其电电路也可用场效应管来组成，其电路结构稍有不同。
12、路结构稍有不同。二二.比例恒流源（重点）比例恒流源（重点）三三、微电流源微电流源设计过程很简单，首先确定设计过程很简单，首先确定IE0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程Re 集成电路中常常要求提供很小（通常几十微安）的静态集成电路中常常要求提供很小（通常几十微安）的静态电流，受工艺限制，又不能用太大的电阻，怎么办？电流，受工艺限制，又不能用太大的电阻，怎么办？Re0Re14.2.2 改进的镜像电流源改进的镜像电流源 提高电流源的精度，可以采用图提高电流源的精度，可以采用图示的改进的镜像电流源电路。示的改进的镜像电流源电路。.改进的镜像电流源改进的镜像电流源图中图中,晶体
13、管晶体管 镜像电流源的两个晶体管基极从参考电流镜像电流源的两个晶体管基极从参考电流 的引入是为了减小基本的引入是为了减小基本中分得的电流。中分得的电流。的电流比的电流比 的电流要小很多，的电流要小很多，因此它的因此它的 比比 要小很多。要小很多。一一.加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源又又 假设假设 处于放大区处于放大区,所以可表示为所以可表示为 因此因此 而而参考电流为参考电流为式中式中 对比发现，对比发现，改进的镜像电流源的的精度比改进的镜像电流源的的精度比基本镜像电流源的精度高。基本镜像电流源的精度高。2）电流的计算）电流的计算4.34.3-4-4 集成运放的电路分析集成运放的电路
14、分析及其性能指标及其性能指标二、读图举例二、读图举例三、集成运放的性能指标三、集成运放的性能指标一、读图方法一、读图方法四四、集成运放的、集成运放的低频等效模型低频等效模型-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2级级第第1级：级：差动放大器差动放大器第第3级：级：单管放大器单管放大器+集成运放内部结构（举例）集成运放内部结构（举例）一、一、读图方法读图方法（1 1）了解用途：）了解用途：）了解用途：）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术了
15、解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。指标。（2 2）化整为零：）化整为零：）化整为零：）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。电路。（3 3）分析功能：）分析功能：）分析功能：）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4 4）统观整体：）统观整体：）统观整体：）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。能和性能。（5 5）定量计算：）定量计算：）定量计算：）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要必要时可估算或利用计算机计算电
16、路的主要参数。参数。已知电路图，分析其原理和功能、性能。已知电路图，分析其原理和功能、性能。u-u+uo 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+输出端输出端 uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小运算放大器的符号表示运算放大器的符号表示反向输入端反向输入端同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端运运放放输出端输出端(电源可不必画，电源可不必画，AO指开环电压放大倍数指开环电压放大倍数)国国产产第第二二代代集集成成运运放放CF741接接线线如如图图所所示示。双双列列直
17、直插插式式集集成成运运放放的的管管脚脚顺顺序序是是，管管脚脚向向下下，标标志志于于左左，序序号号自自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：集成运放的管脚顺序及功能集成运放的管脚顺序及功能CF741外接线图外接线图接正电源接正电源(+9+18)V 接负电源接负电源（-9-18）V为同相输入端为同相输入端（输出信号与输（输出信号与输入信号同相位）入信号同相位）为反相输入端（输出信为反相输入端（输出信号与输入信号反相位）号与输入信号反相位）为空脚为空脚为输出端为输出端脚脚1、4、5外外接调零电位器接调零电位器二、二、举例举例：通用型集成运放通用型集成运放 对于集成运
18、放电路，应首先找出偏置电路，然后根据对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流这个电流往往往往是偏置电路中的是偏置电路中的基准电流基准电流。找出偏置电路找出偏置电路双端输入、单端双端输入、单端输出差分放大电输出差分放大电路路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的除交越失真的准准互补输出级互补输出级三级放
19、大电路三级放大电路简化电路简化电路分解电路分解电路输入级的分析输入级的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式Q点的稳定：点的稳定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9与与IC8为镜像关系为镜像关系IC9，因，因IC10不变不变 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出输入级的分析输入级的分析T
20、7的作用：的作用：抑制共模信号抑制共模信号 T5、T6分别是分别是T3、T4的有源负的有源负载，而载，而T4又是又是T6的有源负载，增的有源负载，增大电压放大倍数。大电压放大倍数。作用？作用？+_放大差模信号放大差模信号+_特点：特点：输入电阻大、差模放大倍数大、输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对并完成电平转换（即对“地地”输输出）。出）。中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。F007的中间级是以复合的中间级是以复合管
21、为放大管、采用有源负管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。部流入输出级。中间级中间级输出级输出级输出级的分析输出级的分析 D1和和D2起过流保护作用，未起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。过流时，两只二极管均截止。iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导导通，为通，为T14基极分流，从而保基极分流，从而保护护了了T14。准互补输出级，准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。中间级中间级输出级输出级电流采样电阻电流采样电阻特点：特点：
22、输出电阻小输出电阻小最大不失真输出电压高最大不失真输出电压高判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端 输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。瞬时极性法判瞬时极性法判断断信号信号极性极性的具体步骤（的具体步骤（BJT）1.1.先设净输入信号先设净输入信号x xi i瞬时极性为正，瞬时极性为正，用用“+”表示。按表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。断出反馈信号的瞬
23、时极性。2.2.根据共发射极放大电路根据共发射极放大电路“集电极电位与基极电位瞬集电极电位与基极电位瞬时极性相反，发射极电位与基极电位瞬时极性相同时极性相反，发射极电位与基极电位瞬时极性相同”的规律，标出各极电位的瞬时极性。的规律，标出各极电位的瞬时极性。判断同相输入端和反相输入端判断同相输入端和反相输入端 输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。Ri 高高:几十几十k 几百几百k 实际运放实际运放KCMR很大很大 Ro 小：几十小：几十 几百几百 A o
24、 很很大大:104以上以上 107理想运放：理想运放：Ri KCMR Ro 0Ao 理想运算放大器理想运算放大器三、集成运放的主要性能指标（P203)指标参数指标参数指标参数指标参数 F007 F007 F007 F007典型值典型值典型值典型值 理想值理想值理想值理想值v开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB v差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M v共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB v输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0vUIO的温漂的温漂d UIO/dT()几几V/0v输入失调电流输入失调电流 IIO(IB1-IB2)20nA 0vUIO的温漂的温漂d UIO/d
25、T()几几nA/0 v最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13Vv最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30Vv-3dB带宽带宽 fH 10Hz v转换速率转换速率 SR(=duO/dtmax)0.5V/S 20lgAod使使uO为为0在输入端所加的补偿电压在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大超过此值不能正常放大差模信号差模信号超过此值输入级放大管击穿超过此值输入级放大管击穿四四、集成运放的、集成运放的低频等效模型低频等效模型（P205）上图中：上图中：IIO为失调电流，为失调电流，IIB为偏置电流，为偏置电流，UIO为失调电为失调电压，压，rid为差模输入电阻。为差模输入电阻。实际应用近似时常可简化如侧实际应用近似时常可简化如侧理想情况：理想情况：讨论讨论1.输入级采用什么措施增大放大倍数？输入级采用什么措施增大放大倍数？有源负载有源负载有源负载有源负载复合管共射放大电路复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻增大输入级的负载电阻_+_+反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端积累电流放大积累电流放大系数系数超超管管2.中间级采用什么措施增大电压放大倍数？中间级采用什么措施增大电压放大倍数？3.如何消除交越失真？如何消除交越失真？4.uI1、uI2哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？准互补输出级准互补输出级