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1、第4章 集成运算级放大电路本讲稿第一页，共四十二页4.14.1、概述概述（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。采用差分放大电路和电流源电路。（2 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。杂并不增加制作工序。（3 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。制作的大电阻。（4 4）采用复合管。）采用复合管。1 1、集成运放的特点、集成运放的特点 集成运算放大电路，简称集成运放，是一
2、个高性集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。算，故而得名。本讲稿第二页，共四十二页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输入端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，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。本讲稿第三页，共四十二页集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用输入级：输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求
3、R Ri i大，大，A Ad d大，大，A Ac c小，输入端耐压高。小，输入端耐压高。中间级：中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。够的放大能力。输出级：输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求R Ro o小，最大小，最大不失真输出电压尽可能大。不失真输出电压尽可能大。偏置电路：偏置电路：为各级放大电路设为各级放大电路设置合适的静态工作置合适的静态工作点。采用电流源电点。采用电流源电路。路。本讲稿第四页，共四十二页3 3、直接耦合互补输出级、直接耦合互补输出级 互补输出级是直接耦合的功率放大电路。互补
4、输出级是直接耦合的功率放大电路。对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。最大不失真输出电压最大。射极输出形式射极输出形式静态工作电流静态工作电流小小输入为零时输出为零输入为零时输出为零本讲稿第五页，共四十二页3.13.1、基本电路、基本电路静态时静态时T T1 1、T T2 2均截止，均截止，U UB B=U UE E=0=01 1、特征：、特征：T T1 1、T T2 2特性理想对称。特性理想对称。2 2、静态分析、静态分析T T1 1的输入特性的输入特性理想化特性理想化特性本讲稿
5、第六页，共四十二页3 3、动态分析、动态分析、动态分析、动态分析ui正半周，电流通路为正半周，电流通路为 +VCCT1RL地，地，uo=ui 两只管子交替工作，两路电源交替供两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。电，双向跟随。ui负半周，电流通路为负半周，电流通路为 地地 RL T2 -VCC，uo=ui本讲稿第七页，共四十二页4 4、交越失真、交越失真消除失真的方法：消除失真的方法：设置合适的静态工作点。设置合适的静态工作点。信号在零附信号在零附近两只管子近两只管子均截止均截止开启开启电压电压本讲稿第八页，共四十二页3.23.2、消除交越失真的互补输出级、消除交越失真的互补输出级对偏
6、置电路的要求：有合适的对偏置电路的要求：有合适的对偏置电路的要求：有合适的对偏置电路的要求：有合适的Q Q Q Q点，且动态电阻点，且动态电阻点，且动态电阻点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通，那么当有信号输入时两只管子中至少有一通，那么当有信号输入时两只管子中至少有一通，那么当有信号输入时两只管子中至少有一通，那
7、么当有信号输入时两只管子中至少有一个导通，因而消除了交越失真。个导通，因而消除了交越失真。个导通，因而消除了交越失真。个导通，因而消除了交越失真。二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为0.60.60.60.60.8V0.8V0.8V0.8V的一个直流电池，对交流信号的作用可的一个直流电池，对交流信号的作用可的一个直流电池，对交流信号的作用可的一个直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。等效为一个数值很小的动态电阻。等效为一个数值很小的动态电阻。等效
8、为一个数值很小的动态电阻。本讲稿第九页，共四十二页本讲稿第十页，共四十二页3.33.3、准互补输出级、准互补输出级 为保持输出管的良好对称性，输出管为同类为保持输出管的良好对称性，输出管为同类型晶体管。型晶体管。本讲稿第十一页，共四十二页4、直接耦合多级放大电路、直接耦合多级放大电路 1、放大电路的读图方法、放大电路的读图方法（1 1）化整为零：按信号流通顺序将）化整为零：按信号流通顺序将N N级放大电路级放大电路分为分为N N个基本放大电路。个基本放大电路。（2 2）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有何特点。何特点。（3 3）统观总体：分析
9、整个电路的性能特点。）统观总体：分析整个电路的性能特点。（4 4）定量估算：必要时需估算主要动态参数。）定量估算：必要时需估算主要动态参数。本讲稿第十二页，共四十二页2 2 2 2、例题、例题、例题、例题第一级：双端输入单端输出的差放第一级：双端输入单端输出的差放第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第三级：准互补输出级第三级：准互补输出级动态电阻无穷大动态电阻无穷大（1 1）化整为零，识别电路）化整为零，识别电路本讲稿第十三页，共四十二页（2 2）基本性能）基本性能 输入电阻为输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电、电压放大倍数较大、输出电阻很小、
10、最大不失真输出电压的峰值接近电源阻很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。电压。本讲稿第十四页，共四十二页（3 3 3 3）判断电路的同相输入端和反相输入端）判断电路的同相输入端和反相输入端）判断电路的同相输入端和反相输入端）判断电路的同相输入端和反相输入端接法接法接法接法输入输入输入输入输出输出输出输出相位相位相位相位共射共射共射共射b bc c反相反相反相反相共集共集共集共集b be e同相同相同相同相共基共基共基共基e ec c同相同相同相同相 整个电路可等整个电路可等效为一个双端效为一个双端输入单端输出输入单端输出的差分放大电的差分放大电路。路。同相同相输入端输入端反相反相输入端输
11、入端本讲稿第十五页，共四十二页5 5 5 5、集成运放的符号和电压传输特性、集成运放的符号和电压传输特性、集成运放的符号和电压传输特性、集成运放的符号和电压传输特性 u u u uO OO O=f f f f(u u u uP P P P-u u u uN N N N)由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多的数值仅为几十一百多V。在线性区：在线性区：uOAod(uPuN)Aod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，集成运放的输出
12、不是的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM,就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。本讲稿第十六页，共四十二页4.24.2、电流源电路、电流源电路1 1 1 1、镜象电流源、镜象电流源、镜象电流源、镜象电流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。电路中有负电路中有负反馈吗？反馈吗？基准电流基准电流本讲稿第十七页，共四十二页2、比例电流源基准基准电流电流本讲稿第十八页，共四十二页3 3、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
13、定IE0和和IE1，然后选定，然后选定R和和Re。超越超越方程方程要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。本讲稿第十九页，共四十二页4.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路一、加射极输出器一、加射极输出器本讲稿第二十页，共四十二页二、威尔逊电流源本讲稿第二十一页，共四十二页4.2.34.2.3、多路电流源、多路电流源（1 1 1 1）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极
14、电阻的数值。根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因为因为UBE相差不多，故相差不多，故IE0Re0 IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3本讲稿第二十二页，共四十二页（2 2）多集电极管构成的多路电流源）多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电结面积。根据所需静态电流，来确定集电结面积。设三个集电区的面积分别为设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2，则，则本讲稿第二十三页，共四十二页（3 3）MOS管多路电流源管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。根据所需静态电流，来确
15、定沟道尺寸。MOS管的管的漏极电流正漏极电流正比于沟道的比于沟道的宽长比。宽长比。设宽长比设宽长比W/L=S，且，且T1T4的宽长比分别为的宽长比分别为S0、S1、S2、S3，则，则基准电流基准电流本讲稿第二十四页，共四十二页4 4、有源负载、有源负载 （1 1）用于共射放大电路）用于共射放大电路）用于共射放大电路）用于共射放大电路哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？其集电结静态电流约为多少？其集电结静态电流约为多少？静态时静态时U UIQIQ为多少？为多少？为什么要考虑为什么要考虑 h h2222?本讲稿第二十五页，共四十二页（2 2 2 2）用于差分放大电路）用于差分放大电路）用于差分放大
16、电路）用于差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流的？如何设置静态电流的？静态时静态时i iO O约为多少？约为多少？动态时动态时 i iOO约为多少？约为多少？使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数的差模放大倍数近似等于双端输近似等于双端输出时的差模放大出时的差模放大倍数。倍数。静态：静态：动态：动态：本讲稿第二十六页，共四十二页4.3、集成运放电路分析1 1 1 1、读图方法、读图方法、读图方法、读图方法（1 1）了解用途：）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途了解要分析的电路的应用场合、用途了解要分析的电路的应用场合、用途了解要分析的电路的应用场
17、合、用途和技术指标。和技术指标。和技术指标。和技术指标。（2 2）化整为零：）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功将整个电路图分为各自具有一定功将整个电路图分为各自具有一定功将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。能的基本电路。能的基本电路。能的基本电路。（3 3）分析功能：）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和定性分析每一部分电路的基本功能和定性分析每一部分电路的基本功能和定性分析每一部分电路的基本功能和性能。性能。性能。性能。（4 4）统观整体：）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路电路相互连接关系以及连接后电路电路相互连接关系以及连接后电路电路相互连接关系以及连接后电路
18、实现的功能和性能。实现的功能和性能。实现的功能和性能。实现的功能和性能。（5 5 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路的主要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路的主要参数。参数。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。本讲稿第二十七页，共四十二页2 2、举例：、举例：型号为型号为型号为型号为F007F007F007F007的通用型集成运放的通用型集成运放的通用型集成运放的通用型集成运放 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根
19、据信号流通对于集成运放电路，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。顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。本讲稿第二十八页，共四十二页 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路本讲稿第二十九页，共四十二页双端输入、单双端输入、单端输出差分放端输出差分放大电路大电路以复合管为放大管、以复合管为放大管、恒流源作负载的共射恒流源作负载的共射放大电路放大电路用用UBE倍增电路消倍增电路消除交越失真的准除交越失真的准互补输出级互
20、补输出级三级放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本讲稿第三十页，共四十二页输入级的分析输入级的分析 T3、T4为横向为横向PNP型管，输入型管，输入端耐压高。共集形式，输入电端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。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因为因为IC10不变不变IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T T1 1和和T T2 2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T T3 3和和T T4 4
21、从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出本讲稿第三十一页，共四十二页输入级的分析输入级的分析T7的作用：抑制共模信号的作用：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。的有源负载。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、差模放大倍数输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换端耐压高，并完成电平转换（即对（即对“地地”输出）。输出）。本讲稿第三十二页，共四十二页中间级的分析中间级的分析 中间级是主放大器，中间级是主放大器，它所采取的一切措施它所采取的一切
22、措施都是为了增大放大倍都是为了增大放大倍数。数。F007的中间级是以复的中间级是以复合管为放大管、采用有合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。流几乎全部流入输出级。中间级中间级输出级输出级本讲稿第三十三页，共四十二页输出级的分析输出级的分析D1和和D2起过流保护作用，起过流保护作用，未过流时，两只二极管均未过流时，两只二极管均截止。截止。iO增大到一定程度，增大到一定程度，D1导通，为导通，为T14基极分流，从而保护基极分流，从而保护准互补输出级，准互补输出级，UBE
23、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：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本讲稿第三十四页，共四十二页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本讲稿第三十五页，共四十二页F007F007所具有的高性能所具有的高性能所具有的高性能所具有的高性能A Ad d较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强较大：放大差模信号的能力较强A Ac c较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强较小：抑制共
24、模信号的能力较强较小：抑制共模信号的能力较强r ridid较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小较大：从信号源索取的电流小r ro o小：带负载能力强小：带负载能力强小：带负载能力强小：带负载能力强U Uomom大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压大：其峰值接近电源电压输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。模电压大。模电压大。模电压大。u uIcmaxIcmax大：接近电源电压大：接近电源电压大：接近电源电压大
25、：接近电源电压本讲稿第三十六页，共四十二页4.44.4、集成运放的主要性能指标、集成运放的主要性能指标指标参数指标参数指标参数指标参数 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 开环差模增益开环差模增益开环差模增益开环差模增益 A Aodod 106dB 106dB 差模输入电阻差模输入电阻 r ridid 2M 2M 共模抑制比共模抑制比 K KCMRCMR 90dB 90dB 本讲稿第三十七页，共四十二页 指标参数指标参数指标参数指标参数 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 U UIOIO的温漂的温漂的温漂的温漂d d U UI
26、OIO/d/dT T()几几几几V/V/0 0UIO的温漂的温漂dUIO/dT()几几V/0输入失调电流输入失调电流 IIO 20nA 0IIO的温漂的温漂dIIO/dT()几几nA/0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。本讲稿第三十八页，共四十二页指标参数指标参数指标参数指标参数 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最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压 U UIcmaxIcmax 13V 13V-3dB带宽带宽 fH 10Hz 转换速率转换速率 SR 0.5V/S 能正常放大差模信号时容许的
27、最大的共模输入电压。能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30V超过此值输入级差分管将损坏超过此值输入级差分管将损坏。上限截止频率。上限截止频率。对大信号的反应速度对大信号的反应速度为什么这么低为什么这么低？本讲稿第三十九页，共四十二页四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标四、集成运放的主要性能指标 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开环差模增益开环差模增益开环差模增益开环差模增益 A Aodod 106dB 1
28、06dB 差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻差模输入电阻 r ridid 2M 2M 共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比 K KCMRCMR 90dB 90dB 输入失调电压输入失调电压输入失调电压输入失调电压 U UIOIO 1mV 0 1mV 0U UIOIO的温漂的温漂的温漂的温漂d d U UIOIO/d/dT T()几几几几V/V/0 0输入失调电流输入失调电流输入失调电流输入失调电流 I IIOIO(I IB1B1-I IB2B2)20nA 0)20nA 0U UIOIO的温漂的温漂的温漂的温漂d d U UIOIO/d/dT T()几几几几nA/nA/0 0 最大共模输入
29、电压最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压 U UIcmaxIcmax 13V 13V最大差模输入电压最大差模输入电压最大差模输入电压最大差模输入电压 U UIdmaxIdmax 30V 30V-3dB-3dB带宽带宽带宽带宽 f fH H 10Hz 10Hz 转换速率转换速率转换速率转换速率 S SR(=dR(=du uOO/d/dt t maxmax)0.5V/S )0.5V/S 本讲稿第四十页，共四十二页4.5、集成运放的种类按工作原理按工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流电流放大型：输入量与输出量均为电
30、流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信号控制那个通道的信号放大信号控制那个通道的信号放大本讲稿第四十一页，共四十二页按性能指标按性能指标高高 阻阻 型：型：rid，可高于，可高于1012 用于测量放大器、信号发生器用于测量放大器、信号发生器高高 速速 型：型：fH和和SR高，高，fH可达可达1.7GHz、SR可达可达
31、 103V/S 用于用于A/D、D/A转换电路、视频放大器转换电路、视频放大器高精度型：高精度型：低失调、低温漂、低噪声、高增益，低失调、低温漂、低噪声、高增益，Aod高于高于105dB 用于微弱信号的测量与运算、高精度设备用于微弱信号的测量与运算、高精度设备低功耗型：低功耗型：工作电源电压低、静态功耗小，在工作电源电压低、静态功耗小，在12百百 W 空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器缓冲放大器缓冲放大器缓冲放大器通常情况下用通用性运放，特殊通常情况下用通用性运放，特殊情况下才用专用型运放。情况下才用专用型运放。本讲稿第四十二页，共四十二页