第五章 集成运算放大电路

1. 第五章集成运算放大电路 5.1　集成放大电路的特点 5.2集成运放的主要技术指标 5.3集成运放的基本组成部分 5.4　集成运放的典型电路 5.5　各类集成运放的性能特点 5.6　集成运放使用中的几个具体问题

2. 5.1　集成放大电路的特点 集成电路简称 IC (Integrated Circuit) 数字集成电路 集成电路按其功能分 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。 模拟集成电路类型

3. (b)圆壳式 (c)扁平式 (a)双列直插式 集成电路的外形 图 5.1.1　集成电路的外形

4. 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 。

5. 反相输入端 A + 输 出 端 同相输入端 5.2　集成运放的主要技术指标 集成运算放大器的符号 图 4.4.1　运算放大器的符号 一、开环差模电压增益 Aod 一般用对数表示，定义为 单位：分贝 　　理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod为 100 ~ 140 dB。

6. 二、输入失调电压 UIO 　　　　　为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。 定义： 一般运放：UIO为 1 ~ 10 mV； 高质量运放：UIO为 1 mV 以下。 三、输入失调电压温漂 UIO 定义： 一般运放为 每度 10 ~ 20 V； 高质量运放低于每度 0.5 V 以下；

7. 四、输入失调电流 IIO 　　　　　当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即 定义： 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： 一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。

8. 六、输入偏置电流 IIB 　　　　　输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。 定义： 七、差模输入电阻 rid 定义： 一般集成运放为几兆欧。 八、共模抑制比 KCMR 定义： 多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。

9. 九、最大共模输入电压 UIcm 输入端所能承受的最大共模电压。 十、最大差模输入电压 UIdm 反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。 十一、 - 3 dB带宽 fH 　　表示 Aod下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。

10. 十二、 单位增益带宽 BWG Aod降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1 。 十三、 转换速率 SR 　　额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。 　　在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR值。 　　其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。

11. 输出级 中间级 输入级 偏置电路 5.3　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。 图 5.3.1　集成运算的基本组成 5.3.1　偏置电路 　　向各放大级提供合适的偏置电路，确定各级静态工作点。

12. +VCC IREF IC2 R 2IB IC2 IB2 IB1 VT1 VT2 + + UBE2 UBE1 一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror) 基准电流 　　由于 UBE1 = UBE2，VT1与 VT2参数基本相同，则 IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC 图 5.3.2 当满足  >> 2 时，则 所以

13. +VCC IREF IC2 R 2IB IC2 IB2 IB1 VT1 VT2 + + UBE2 UBE1 R2 R1 二、比例电流源 由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1 UBE2 ，则 忽略基极电流，可得 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。

14. +VCC IREF IC2 R 2IB IC1 VT1 VT2 Re Re 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。 图 4.2.4 微电流源

15. +VCC IREF IC2 R 2IB IC1 VT1 VT2 Re 基本关系 因二极管方程 图 4.2.4　微电流源 若 IC1和 IC2已知，可求出 Re。

16. +VCC Rc2 Rc1 Rb1 Rb2 + uo R1 VT2 VT1 + + ~ uId + ~ R2 5.3.2　差分放大输入级 输入级大都采用差分放大电路的形式。 基本形式 电路形式 长尾式 恒流源式 一、基本形式差分放大电路 1. 电路组成 假设电路完全对称 当 uId = 0，时 UCQ1 = UCQ2 UO = 0 图 4.2.6　差分放大电路的基本形式

17. 2. 电压放大倍数 VT1和 VT2基极输入电压大小相等，极性相反，——称为差模输入电压(uId)。 在差模信号作用下： 差模电压放大倍数为

18. 差分放大电路 输入电压 +VCC Rc Rc Rb Rb + uo R R VT2 VT1 + ~ uIc 3. 共模抑制比 差模输入电压 uId 共模输入电压 uIc (uIc大小相等，极性相同) 共模电压放大倍数： Ac 愈小愈好，而Ad 愈大愈好 图 4.2.7　共模输入电压

19. 共模抑制比KCMR (1)KCMR描述差分放大电路对零点漂移的抑制能力。 KCMR愈大，抑制零漂能力愈强； (2)理想情况下，电路参数完全对称，Ac = 0， KCMR = ∞。 (3)基本形式差放电路每个三极管的集电极对地电压，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。

20. Rc Rc + uo +VCC R VT1 VT2 + + ~ uId + ~ Re R -VEE 二、长尾式差分放大电路 可减小每个管子输出端的温漂。 1. 电路组成 Re称为“长尾电阻”。且引入共模负反馈。 Re 愈大，共模负反馈愈强。Ac 愈小。每个管子的零漂愈小。 对差模信号无负反馈。 图 4.2.8　长尾式差分放大电路

21. Rc Rc + uo +VCC R VT1 VT2 + + ~ uId + ~ Re R -VEE (对地) 2. 静态分析 当 uId = 0 时，由于电路结构对称，故： IBQ1 = IBQ2 = IBQ，ICQ1 = ICQ2 = ICQ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 =UCQ2 = UCQ，1= 2=  IBQR + UBEQ + 2IEQRe = VEE 则 ICQ IBQ 图 4.2.8　长尾式差分放大电路

22. Rc Rc uo + uI2 uI1 R R VT1 VT2 3. 动态分析 图 4.2.8　长尾式差分放大电路的交流通路 则 同理

23. +VCC Rc Rc uo + uI2 uI1 RW R R VT1 VT2 Re VEE 输出电压为 差模电压放大倍数为 差模输入电阻为 差模输出电阻为 图4.2.10　接有调零电位器的长尾差分电路

24. +VCC Rc Rc + uo uI1 uI2 Rb2 R R VT1 VT2 VT3 Rb1 Re VEE 三、恒流源式差分放大电路 用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路 1. 电路组成 VT3：恒流管 作用： 能使 iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。 图 4.2.13　恒流源式差分放大电路

25. +VCC Rc Rc + uo uI1 uI2 Rb2 R R VT1 VT2 VT3 Rb1 Re VEE 2. 静态分析 当忽略 VT3的基极电流时， Rb1 上的电压为 于是得到 图 4.2.13　恒流源式差分放大电路

26. 3. 动态分析 　　由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所以与长尾式交流通路相同。 差模电压放大倍数为 差模输入电阻为 差模输出电阻为

27. +VCC Rc Rc + uo uI2 VT2 VT1 + R R uI I R VEE 四、差分放大电路的输入、输出接法 差分输入、双端输出； 差分输入、单端输出； 有四种不同的接法 单端输入、双端输出； 单端输入、单端输出。 1. 差分输入、双端输出 图 4.2.16(a)　差分输入、双端输出

28. uo uo +VCC Rc Rc + uI2 uo + R R VT1 VT2 uI I R VEE 2. 差分输入、单端输出 uO 约为双端输出的一半，即 　　若由 VT2集电极输出， uO为“正”。 图 4.2.16(b)差分输入、单端输出

29. +VCC Rc Rc 当共模负反馈足够强时， + uo VT2 VT1 + R R uI I VEE 3. 单端输入、双端输出 单端输入 则 图 4.2.16(c)　单端输入、双端输出 三极管仍然基本工作在差分状态，所以

30. +VCC Rc Rc + uo + R R VT2 VT1 uI I VEE 4. 单端输入、单端输出 　　若改从 VT2集电极输出，则 图 4.2.16(d)　单端输入、单端输出 　　这种接法比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。

31. 结　论 (1)双端输出时，Ad与单管 Au 基本相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。 双端输出时，Ro = 2Rc；单端输出时， Ro = Rc。 (2)双端输出时，理想情况下，KCMR→ ；单端输出时，共模抑制比不如双端输出高。 (3)单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。 (4)单端输出时，由于引入很强的共模负反馈，两个管子仍基本工作在差分状态。 (5)单端输出时， Rid 2(R + rbe)。

32. 接法 差分输入双端输出 差分输入单端输出 单端输入双端输出 单端输入单端输出 性能 Ad KCMR 很高 较高 很高 较高 Rid Ro 差分放大电路四种接法的性能比较

33. 接法 单端输入单端输出 单端输入双端输出 差分输入双端输出 差分输入单端输出 性能 差分放大电路四种接法的性能比较 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。 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。 1. Ad 与单管放大电路基本相同。 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。 1. Ad约为双端输出时的一半。 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。 1. Ad 与单管放大电路基本相同。 2.在理想情况下，KCMR∞。 3.适用于将单端输入转换为双端输出。 特 性

34. +VCC VT3 VT2 + I R uO + VT1 uI 5.3.3　中间级 任务：提供足够大的电压放大倍数。 要求：本身具有较高的电压增益；具有较高的 输入电阻；能向输出级提供较大的推动电流。 一、有源负载 VT1：放大三极管； VT2：有源负载； VT3、VT2镜像电流源。 基准电流 图 4.2.17　有源负载单管共射放大电路

35. +VCC VT3 VT4 I io ic4 ic3 ic2 ic1 VT2 + VT1 uI VEE 有源负载的差分放大电路 　　放大电路采用差分输入、单端输出； 　　工作电流由恒流源 I决定； 　　输出电流 io = ic4-ic2 = 2ic4 图 4.2.18　有源负载的差分放大电路 　　该电路有相当于双端输出时的 io，在集成运放中的应用十分广泛。

36. c iC iC1 iB iC2 b VT1 + VT2 iE1 = iB2 uBE iE e 二、复合管 可以获得很高的电流放大系数  ； 提高中间级的输入电路； 提高了集成运放总的电压放大倍数。 优点 复合管的构成： 由两个或两个以上三极管组成。 复合管共射电流放大系数  值 iB1 由图可见 图 4. 2.19

37. c iC iC1 iB iC2 iB1 b VT1 + VT2 iE1 = iB2 uBE iE e 则 三极管输入电阻rbe 其中 所以 图 4. 2.19 显然，、rbe均比一个管子 1、rbe1 提高了很多倍。

38. c   c b VT1 b VT1  VT2 VT2  e e 构成复合管时注意 1. 前后两个三极管连接关系上，应保证前级输出电流与后级输入电流实际方向一致。 2. 外加电压的极性应保证前后两个管子均为发射结正偏，集电结反偏，使管子工作在放大区。 复合管的接法 (b) PNP 型 (a) NPN 型 图 4. 2. 20　复合管的接法

39. c c  VT2 VT2 b VT1 b VT1  e (c) NPN 型 (d) PNP 型 e   图 4. 2. 20　复合管的接法

40. 结 论 1. 两个同类型的三极管组成复合管，其类型与原来相同。复合管的   1 2，复合管的 rbe = rbe1。 2. 两个不同类型的三极管组成复合管，其类型与前级三极管相同。复合管的   1 2，复合管的 rbe = rbe1。 3. 在集成运放中，复合管不仅用于中间级，也常用于输入级和输出级。

41. +VCC R1 ic1 uI NPN iB1 R VT1 VD1 + iL VD2 uo RL PNP iB2 R2 VT2 ic2 -VCC 5.3.4　输出级 一、互补对称电路 工作原理： 当输入正弦电压 uI时 uI > 0，VT1 导通，VT2 截止 iC1：+VCC VT1 RL  地 uI < 0，VT2 导通，VT1 截止 iC2：地 RL VT2  -VCC 图 4. 2. 21　互补对称输出级 当 uI为正弦电压时，iL与 uO基本上也是正弦波。

42. 说明： 1. 互补对称电路工作在射极输出器状态，输出电阻低，带负载能力强。 2. R1、R、R2、VD1、VD2支路能够减小失真，改善波形。 图 4.2.22　交越失真

43. +VCC +VCC Rb1 Rb1 uI uI VT1 VT1 NPN VT3 VT3 uo uo R R NPN Rc1 VD1 VD1 VT4 RL VD2 PNP VD2 RL VT2 VT2 VT4 PNP Rb2 Rb2 Rc2 -VCC -VCC 二、由复合管组成的功率输出级 改进： 图 4.2.3　由互补对称电路 图 4.2.24　准互补对称电路 缺点：由于 VT3、VT4类型不同，互补性差。

44. +VCC Rb1 VT1 VD3 VD1 uo Re1 Re2 RL VD2 VD4 uI VT2 Rb2 -VCC 三、过载保护电路 保护元件： VD3、VD4、Re1、Re2。 二极管保护电路 　　输出电流正常， VD3、VD4 截止，保护不起作用； 　　若 VT1正向 IC1， URe1，VD3导通， IB1，IC1。输出电流无法增大，保护功率管 VT1。 图 4. 2. 25　过载保护电路 　　若 VT2反向电流IC2， URe2，VD4导通， IB2， IC2。避免 VT2电流过大。

45. +VCC Rb1 VT1 VD1 VT3 uo Re1 Re2 RL VT4 VD2 uI VT2 Rb2 -VCC 三极管保护电路 保护元件： VT3、VT4、Re1、Re2。 工作原理与二极管保护原理类似。 图 4. 2. 25　过载保护电路  Re 愈大，则 IEm 愈小；  温度升高， UD、 UBE 降低，Iem 减小。更有利于保护在高温下的集成运放。

46. 5.4　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 4.3.1　双极型集成运放 F007 一、引脚 (b)连接示意图 (a) 图 4.3.1F007 的引脚及连接示意图

47. 二、电路原理图 图 4.3.2F007 电路原理图

48. +VCC VT8 VT13 VT9 VT12 IC9 I3,4 I8 IC12 R5 IREF IC10 VT10 VT11 R4 -VCC 1. 偏置电路 基准电流： 至输入级 至中间级 　　基准电流产生各放大级所需的偏置电流。 图 4.3.3F007 的偏置电路 各路偏置电流的关系： I3, 4 镜像电流源 IREF 微电流源 IC8 I11 IC10 IC9 输入级 镜像电流源 IC13 IC12 中间级 输出级

49. +VCC VT8 VT9 uI uI2 IC9 VT2 VT1 I3,4 VT3 VT4 VT7 IC10 VT6 VT5 R2 R3 R1 R -VEE RW 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； VT4集电极送出单端输出信号至中间级。 uO RW调零电阻，R 外接电阻。 VT7与R2 组成射极输出器。 图 4. 3. 4

50. +VCC I8 uI1 uI2 VT2 VT1 VT3 uO VT4 RC RC I3,4 -VEE 若暂不考虑 VT7和调零电路则电路可简化为： 1. VT1、VT2 共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。 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。 图 4.3.5 简化示意图 3. VT3、VT4 共基接法能改善频率响应。 4. 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。