1、模電課件第四章集成運算放大電路2022/9/21模電課件第1頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件二、集成運放的電路組成1、輸入級：運算放大器的輸入級通常是差分放大電路，其主要功能是抑制共模干擾和溫漂，雙極型運放中差分管通常采用CC-CB復合管，以便拓展通頻帶。 2、中間級：電壓放大，要求：放大倍數要盡可能大，通常采用共射或共源電路，并采用恒流源負載和復合管以增加電壓放大倍數。第2頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件二、集成運放的電路組成3、輸出級：雙極型運算放大器的輸出級采用互補輸出形式，其主要功能是提

2、高負載能力并增大輸出電壓和電流的動態范圍。兩只輸出管輪流導通。為消除交越失真，通常會給輸出管提供適當的偏置電流。 4、偏置電路：運算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設計有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實現，熟悉各種形式的恒流源電路是閱讀運放電路的基礎。 第3頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件三、集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性是開環時，uo與uPuN之間關系。集成運放有兩個輸入端，一個輸出端。當uP為正時，uo為正，稱uP為“同相輸入端”，當uN為正時，uo為負，稱uN為“反相輸入端”。即： 式中Aod為差模開環放大倍數

3、，一般很大，可達幾十萬倍。為凈輸入電壓，即差模輸入電壓, 集成運放符號第4頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件所以線性區很窄。uo的最大值Uom=10V。電壓傳輸特性第5頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件4.2集成運放中的電流源電路集成運放中的電流源由晶體管或場效應管組成，其作用：1、為各級放大器提供合適的靜態工作點；2、代替大電阻，以提高放大電路的放大能力。第6頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件一、基本電流源電路1、鏡像電流源由基極輸入回路得， 所以，

4、 當 時， 。當 與 特性參數完全一致時，由 可推得 IoIO和IR呈鏡像關系，此電路稱為鏡像電流源。晶體管 是基準管，它的 ，工作在放大狀態。 基準電流輸出電流第7頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件恒流輸出管 的交流通路如圖(b)所示，將晶體管用微變等效模型替代后的電路模型如圖(c)，顯然，恒流源的內阻 第8頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件2 、基本鏡像恒流源電路的擴展電路有兩種，如圖所示。 以基準管的集電極面積為基準，可得到一組與集電極面積成正比的多個恒流源 。 （1）多路電流源電路第9頁，共

5、31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件（2）加射極輸出器的電流源T0, T1和T2特性完全相同。由于UBE0 = UBE1，所以IB0 =IB1=IB 。增加 管可以進一步減少恒流輸出 與基準電流 之間的差值。 IR怎么算？第10頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件二.威爾遜恒流源電路，試計算恒流輸出值。ICIE3ICIR整理后可得 Io更加穩定IR怎么算？第11頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件三、微電流源晶體管 是基準管，它的 ，工作在放大狀態。 T0管發射極

6、電流與發射極電壓之間的關系為：T1管發射極電流與發射極電壓之間的關系為：由基極回路方程得：第12頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件將式（1）,式（2）代入式（3），同時考慮IC0IE0 IC1IE1若不采用微電源源電路，采用基本恒流源電路，雖然只需要一個電阻R，但此時電阻阻值要求為： 此阻值遠大于微電源電路中電阻R與Re之和，意味著需要占用更多的芯片面積。基準輸出例，當電源電壓等于+15V， ，若要產生 的恒流源，試確定電阻R1的值。將參數代入式（4）可得 第13頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件例

7、題：求圖示電路各管的集電極電流。它們的均為5，它們b-e間的電壓值約為0.7V。解：先求基準電流，R5上的電流為基準電流。T10與T11構成微電流源：T12與T13構成鏡像電流源：第14頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件集成運放和分立元件放大電路在電路結構上有何不同考慮？【解答過程】：1組成放大電路的器件或原材料。圖1是典型分立（或離散）元器件構成的放大電路原理圖 構成這類放大電路的主要元器件有三極管（場效應管）、電阻、電解電容（耦合或旁路用）等。圖1第15頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件圖2是u

8、A741運算放大電路的原理圖，其中的電阻、電容和晶體管全部由單晶硅材料制作。 圖2第16頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件2靜態偏置電路設計分立元件放大電路中的電阻常用材料是金屬膜，成本遠低于三極管。因此，分立元件放大電路中的偏置電路盡量采用電阻分壓器形式。而集成運放由于制作工藝的特點，制作一個大電阻所需的硅芯片面積要遠高于制作晶體管的面積。因此，在集成放大電路中會盡量少用電阻，一般不采用電阻分壓方式提供靜態偏置。分立元件放大電路中常用的大容量（大于1 ）電容通常是鋁質電解電容，小容量電容有瓷片電容等，成本一般都較低。設計時可應用大電容實現低頻交

9、流旁路(圖1中的Ce)或直流隔直作用(圖1中的C1，C2)。而集成運放中，利用PN結電容效應很難制作出容量稍大的電容。由于制造工藝的限制，分立元件放大電路中不同三極管特性參數的離散性很大，例如，即使同一批次三極管的放大倍數 可能在200400之間，設計時必須充分考慮。集成放大電路的特點是在同一基片上可以制作參數一致性好的晶體管。因此，集成運放電路中大量采用晶體管設計恒流源偏置電路。集電極負載也不采用電阻，而是采用恒流源作為負載。第17頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件3級間耦合設計放大電路的主要性能指標有：電壓放大倍數，電流放大倍數，輸入電阻，輸

10、出電阻和通頻帶等。不同組態的單級放大電路的的指標特性如表1。 單級放大電路由于不能同時滿足上述四個指標，因而必須采用多級級聯放大。級間耦合可以采用直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合等。由于電解電容成本不高，在分立放大電路中級間常采用阻容耦合，這樣可減少各級之間靜態工作點的相互影響。在集成運放電路中通常只能制作小容量（幾十pF）電容，不能制作大容量電解電容，級間通常采用直接耦合。第18頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件四、以電流源為有源負載的放大電路1、有源負載共射放大電路 在集成運放的共射（共源）放大電路中，為了提高電壓放大倍數，常用電流源電路取代R

11、c （或Rd ），這樣在電源電壓不變的情況下，既獲得合適的靜態電流，又可以得到很大的等效的Rc（或 Rd ）。這是一個共發射極放大電路。以前在Vcc和T1之間接Rc。現在由電流源代替。T2、T3和R組成鏡像電流源。只要確定R，IR就確定。Ic2就確定。因此可以提供合適的靜態偏置。基準電流輸出電流第19頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件這個集電極負載叫做有源負載（有電源才能工作），電流源動態電阻等于uCE2/ic2 ,為無窮大。對于共射極放大電路Rc用有源負載代替，提高了放大倍數。第20頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四202

12、2/9/21模電課件第21頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件運算放大器的讀圖過程如下：（1） 運放電路結構分解根據運放結構特點，將運放分解成輸入級、中間級和輸出級、基準電流源等四個基本部分。（2） 基準電流分析運放電路中均有一個供偏置用的基準電流源，由它產生基準參考電流IR 。（3） 靜態偏置分析在基準電流基礎上，通過鏡像直流電流或微鏡像直流電流源，產生各種大小的直流恒流源或直流微恒流源，這些直流恒流源提供放大用晶體管的靜態偏置。將鏡像直流源電路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各級直流偏置。（4） 交流分析運算放大電路的主要功能是

13、進行線性放大。此外還有一些附加功能電路，如交越失真補償電路等， 這些電路通常并不影響放大電路指標計算。對輔助電路進行簡化，可以方便交流分析。第22頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件得到簡化的交流等效電路后，將晶體管用小信號模型替代，就可以計算放大電路的動態指標。（1） 運放電路的結構分解輸入級是一個差動放大電路，主要由T1、T3（共集-共基組合）和T2、T4組成。中間放大級由T16、T17、T13組成共集共射電路；輸出級由T14、T18 、 T19組成互補輸出電路。（2） 基準電流分析 T12、R5、T11組成運放的基準電流源,流過R5的基準電流

14、為 第23頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件（3） 靜態偏置分析 T10與T11構成微鏡像電流源，一方面給T3、T4的基極提供偏置，另一方面由T8、T9構成的鏡像電流源給T1、T2、T3、T4的集電極提供恒流偏置，同時作為T1、T2的恒流負載。 T13與T12構成鏡像電流源。T13一方面給T17提供偏置電流，同時作為T17的有源負載。將電路中的鏡像直流電流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如圖3所示。圖3第24頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件（4） 交流分析差分輸入級中的T5、T6、T7管構成高

15、精度鏡像電流源作為差分電路的有源負載。輸出級中的R7,R8,T15組成倍增電路（交流短路），給互補輸出管T14，T18,T19提供靜態偏置，以消除交越越失真。 同相，反相電壓放大級：復合管T16，T17，有源負載IC13 。第25頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件4.4 集成運放的性能指標及低頻等效電路1、輸入失調電壓Uio輸入電壓為0時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。 Uio越小，電路對稱性越好。 2、輸入失調電流Iio輸入電壓為0時，差分輸入級差分對管基極電流之差。 用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 3、輸入偏置電流

16、IIB運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。 4、輸入失調電壓溫漂dUio/dT在規定工作溫度范圍內，輸入失調電壓隨溫度的變化量dUio與溫度變化量dT之比。 5、輸入失調電流溫漂dIio/dT在規定工作溫度范圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量dUio與溫度變化量dT之比。 第26頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件6、最大差模輸入電壓Uidmax運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時，差分管將反向擊穿。 8、開環差模增益Aod運放在無反饋條件下，輸出電壓變化量與輸入電壓變化量之比。9、差模輸入電阻rid輸入

17、差模信號時，運放的輸入電阻。 10、共模抑制比KCMR7、最大共模輸入電壓Uicmax在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值，輸入差分對管飽和。或極限參數第27頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件11、3dB帶寬fH運放的Aod不是不變的，運放Aod在高頻段下降3dB(即下降到約0.707倍)所對應的頻率。 12、單位增益帶寬fC f增大，運放Aod下降,當Aod下降到1所對應的f。3dB第28頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/21模電課件4.6 集成運放的使用使用集成運算放大器應該注意的幾個問題1） 調零 由于集成運算放大器的內部電路參數不可能完全對稱， 因此使電路不能達到零入零出, 通常的做法是外接調零電阻。腳和腳是差動輸入級的外接調零電阻管腳，腳為負電源端。在輸入信號為零,調節Rp可使輸出電壓為零。 第29頁，共31頁，2022年，5月20日，6點52分，星期四2022/9/2