集成運算放大器放大電路.

電路組成集成運算放大器是具有高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的多級直接耦合放大電路的集成化。集成運放內部電路一般可分為四個組成部分，即輸入級、中間級、輸出級及偏置電路。3.1概述

電路組成

輸入級：常采用差動放大電路，要求輸入電阻高、靜態電流小、具有一定的電壓放大能力以及抑制零點飄移的能力。

中間級：一般采用有源負載的共射（共源）放大電路，要求能提供較大的電壓放大倍數。

輸出級：采用射極跟隨器或互補對稱電路，要求輸出電阻小，帶負載能力強。

偏置電路：常采用電流源電路，用于合理設置集成運放各級放大電路的靜態工作點。

集成運算放大器的電路結構特點

一、用有源元件(晶體管或場效應管)取代電阻。 二、用晶體管代替二極管，為了簡化集成電路的制作工藝。三、電路結構與元件參數良好的對稱性，因此受環境溫度和干擾等影響后的變化也相同，所以集成運放中大量采用各種差分放大電路(輸入級)和恒流源電路(作偏置電路或有源負載)。 四、采用直接耦合方式，因為硅片上不能制作大電容，所以集成運放均。 五、集成運放中常采用復合形式，因為集成晶體管和場效應管制作工藝不同，性能上有較大差異，所以在集成運放中常采用復合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。單管電流源電路1、電路結構形式 由一個晶體管和相應的電阻組成的電流源電路。2、工作原理 如圖所示，合理選擇電路參數，使得電路滿足：IR1>>IB，電阻R2上的電壓為3.2電流源電路

單管電流源電路晶體管發射極電流為由于IC=IE，從晶體管集電極來看，該電路可以等效為一個電流源。

單管電流源電路的動態電阻求該電路動態電阻，作出其微變等效電路。

單管電流源電路的動態電阻求該電路動態電阻，作出其微變等效電路。電流源的動態電阻是相當大的。只要晶體管工作在放大狀態，該電路就是一個較為理想的恒流源電路。

鏡像電流源電路1、電路結構形式 可分為基本鏡像電流源電路和改進型鏡像電流源電路。

鏡像電流源電路2、工作原理分析

T1與T2特性完全相同，且發射結電壓相等，因此基極電流和集電極電流完全相等。即有

IB1=IB2=IBIC1=IC2

由于T1的UBE=UCE，故處于臨界放大狀態，IC1=βIB1成立。由電路可得只要β>>2，則有

鏡像電流源電路3、電路特點

優點：是電路結構簡單，且具有一定的溫度補償作用； 缺點：不能實現輸出電流與基準電流之間的比例調節。對于確定的電源電壓，當要求輸出電流較小時，必須增大電阻R的數值，這在某些情況下實現起來并不方便。

比例電流源電路1、電路結構形式

為了實現輸出電流與基準電流之間的比例調節，在兩個晶體管的發射極加上電阻。2、工作原理分析

由右圖可得UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE2

因為T1與T2特性完全相同，在室溫下，若IE1與IE2相差在10倍以內時，則有

比例電流源電路工作原理分析如果采用硅管，可近似認為UBE1=UBE2IE1RE1≈IE2RE2當β>>1時，有

IE1≈IC1≈IR，IE2≈IC2則

微電流源電路1、電路結構形式 在集成運放電路中，往往要求提供微小電流的電流源，當電源電壓一定時，為了實現利用阻值較小的電阻而獲得極小的輸出電流IC2，可將比例電流源中的RE1短路。

微電流源電路2、工作原理分析 右圖可見，T2管的發射極電流為

T1、T2特性完全相同，則有 當β>>1時，有IE1≈IR，IE2≈IC2

則基準電流為3、電路特點利用較小的電阻值，可獲得微安級的電流源。

改進型電流源電路一、加射極輸出器的電流源1、電路結構特點 在鏡像電流源T1管的集電極與基極之間加一只從射極輸出的晶體管T3。利用T3的電流放大作用，減小了基極電流IB1和IB2對基準電流IR的分流作用。

改進型電流源電路2、工作原理分析 由于三個晶體管特性完全相同，則有β1=β2=β3=β，而由于UBE1=UBE2，IB1=IB2=IB，因此有

整理后可得：

改進型電流源電路

即使β很小，也可以使輸出電流與基準電流保持很好的鏡像關系。 在實際電路中，有時在T1和T2管的基極與地之間加電阻RE3，用來增大T3管的工作電流，此時T3管發射極電流為

改進型電流源電路二、威爾遜電流源電路 由于三個晶體管特性完全相同，則有β1=β2=β3=β，由圖可得IC1=IC2IE3=IC3+IB3求解可得

多路電流源電路基于鏡像電流源的多路電流源電路之一。根據電路可得則有

多路電流源電路基于微電流源的多路電流源電路

IRRE1≈IC2RE2≈IC3RE3

因此，當基準電流確定以后，只要選擇合適的各發射極電阻，即可得到所需要的輸出電流。

多路電流源電路多集電極管的多路電流源電路

T通常為橫向PNP型管，當IB一定時，各集電極電流之比等于它們的集電區面積之比。設各集電區的面積分別為S1、S2、S3。則有：

使用中通過R值調節IB值。分析電路可得：

電流源電路與晶體管電流源類似，場效應管也可組成各種電流源電路，用于場效應管集成放大電路中的偏置電路。電流源電路是集成運放的重要組成部分之一，其主要用途是提供必要的偏置電流。分析電流源電路的依據是PN結的電流方程和基爾霍夫電流定律，分析思路是參照電路的連接關系，先確定基準電流的表達式，進而求出輸出電流與基準電流的關系。

差動放大器零點飄移：當外界環境因素（特別是溫度）改變引起前級的靜態工作點變化時，這種變化將被逐級放大，從而造成輸出端電壓的變化。溫度變化是引起零點飄移的主要因素。采用具有對稱性的差動放大電路時抑制零點飄移的有效方法之一。8.3差動放大電路

基本差動放大電路1、電路組成 特點是電路結構的對稱性； 左右兩邊各為一個直接耦合的共射基本放大電路。

基本差動放大電路2、抑制零點飄移的工作原理當輸入信號為零時，電路可以重畫如右圖所示。若環境溫度變化，由于電路的對稱性，溫度變化使得IB1(IC1)、IB2(IC2)產生相同的增量，此時，兩管集電極電壓增量也相同。由Uo=UC1-UC2可見，無論環境溫度如何變化，輸出電壓保持零值不變。

基本差動放大電路抑制零點飄移的工作原理在正常輸入信號下，ui對于T1、T2的基極電流影響相反。例如，若ui增大，則引起IB1、IC1增大，uC1減小；引起IB2、IC2減小，uC2增加；uC1≠uC2，uo=uC1-uC2。

基本差動放大電路3、主要性能指標

兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。(1)共模信號:ui1=ui2大小相等、極性相同

差動電路抑制共模信號能力的大小，反映了它對零點漂移的抑制水平。兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，(2)差模信號:

ui1=–ui2

大小相等、極性相反uo=(VC1－VC1

)－(VC2+

VC１)=－2VC1即對差模信號有放大能力。

基本差動放大電路主要性能指標

(3)比較輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號差模信號

放大器只放大兩個輸入信號的差值信號—差動放大電路。這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制系統中是常見的。

基本差動放大電路(4)差模放大倍數(5)共模放大倍數(6)共模抑制比主要性能指標

長尾式差動放大電路1、靜態分析 當ui1=ui2=0時，由圖可得考慮到電路的對稱性，有可以解出靜態分析晶體管輸入回路方程：忽略前兩項，則RC+UCCRBT1RE

-UEEIB2IEICIE+UCE+－UBE+－單管直流通路發射極電位

VE

0

長尾式差動放大電路2、動態分析1）差模電壓放大倍數 考慮到電路的對稱性，rbe1=rbe2，令:則有

長尾式差動放大電路動態分析1）差模電壓放大倍數

長尾式差動放大電路2、共模電壓放大倍數 差動放大電路，在輸入共模電壓時，ui1=ui2=uic，可作出共模等效電路。由下圖可得由于所以，在理想對稱條件下uoc=0即

長尾式差動放大電路3、共模抑制比 在理想對稱條件下，由于Auc=0，所以為無窮大。4、差模輸入電阻 由下圖可得

長尾式差動放大電路5、輸出電阻 按照輸出電阻的定義，做出其等效電路，則有Ro=2RC

差動放大電路的進一步改進形式1、具有恒流源的差動放大電路

采用恒流源代替長尾式差動放大電路中的電阻RE。

若UR2>>UBE3，則可以認為IC3為一恒定電流。

差動放大電路的進一步改進形式2、具有調零功能的差動放大電路發射極調零電路。集電極調零電路。注意：差動放大電路的調零不可能跟蹤溫度的變化，因而不能消除溫漂，只能克服失調。

差動放大電路的傳輸特性電壓傳輸特性線性區：斜率為電路的差模電壓放大倍數Aud。

當輸入電壓幅值較大時，輸出電壓就會產生失真。

若再加大uid，則uod將趨于不變，其數值的大小取決于電源電壓UCC。

差動放大電路的傳輸特性實驗及分析均表明，在靜態工作點附近，當|uid|<UT時，uod與uid的關系是線性的，其斜率是差模放大倍數，這是差動放大電路的線性工作區。當|uid|>4UT時，傳輸特性出現明顯的彎曲，而后趨于水平。這說明差動放大電路在大信號輸入時，具有良好的限幅特性。差分放大電路的四種接法

在實際應用時，信號源需要有“接地”點，以避免干擾；或負載需要有“接地”點，以安全工作。

根據信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：差動放大電路舉例1、雙端輸入、雙端輸出電路；2、雙端輸入、單端輸出電路；3、單端輸入、雙端輸出電路；4、單端輸入、單端輸出電路。差分放大電路的四種接法

1.雙端輸入雙端輸出：2.雙端輸入單端輸出：Q點分析

由于輸入回路沒有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時一樣。但是UCEQ1≠UCEQ2。雙端輸入單端輸出:動態分析

3.單端輸入雙端輸出共模輸入電壓差模輸入電壓輸入差模信號的同時總是伴隨著共模信號輸入：單端輸入雙端輸出差模輸出共模輸出1)靜態工作點2)動態參數與雙端輸入雙端輸出電路完全相同4.單端輸入單端輸出1)靜態工作點2)動態參數與雙端輸入單端輸出電路完全相同4.四種接法的比較：電路參數理想對稱條件下輸入方式：Ri均為2(Rb+rbe)；雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模信號輸入。輸出方式：Q點、Ad、Ac、KCMR、Ro均與之有關。差分放大電路四種接法的性能比較

接法性能雙端輸入雙端輸出雙端輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出AdKCMR很高很高較高較高RidRo

例一雙端輸入單端輸出放大電路如圖所示，T1與T2特性完全相同，試求：（1）電路的靜態工作電流ICQ1、ICQ2及電壓UCEQ1、UCEQ2

；（2）差模電壓放大倍數、差模輸入電阻、輸出電阻、共模電壓放大倍數、共模抑制比；

解：（1）作直流通道，分析靜態工作點。（2）動態參數分析

由于輸入回路對稱，在差模信號作用下，發射極交流接地。

共模信號作用時，恒流源的等效電阻為R’E則共模輸出電壓為共模放大倍數

共模抑制比

通用型集成運放F0073.4集成運算放大器

偏置電路流過R5中的電流為基準電流，則有T10與T11構成微電源，

偏置電路T12與T13構成基本鏡像電路T8與T9構成基本鏡像電路，因為

所以

中間級中間級是以T16與T17成的復合管為放大管，所形成的的共射放大電路，具有很強的放大能力。

輸出級輸出級是準互補電路，T18和T19復合而成的PNP型管與NPN型管T14構成互補形式，為了彌補它們的非對稱性。在發射極加了兩個阻值不同的電阻R8和R9。

R6和R7和T15構成UBE倍增電路，為輸出級設置合適的靜態工作點，以消除交越失真。

輸出級D1和D2、R8和R9

共同構成過流保護電路。T14導通時R7上的電壓與二極管D1上的電壓之和等于T14管b-e間電壓與R9上電壓之和，即uR7+uD1=uBE14+ioR9

當io未超過額定值時，uD1<Uon，D1截至；而當io過大時，R9上電壓過大使D1導通，為T14的基極分流，從而限制了T14的發射極電流，保護了T14管。同理，D2對T18、T19管也具有保護功能。

主要技術指標1、輸人失調電壓UIO及輸入失調電流IIO

輸入失調主要反映運放輸入極差動電路的對稱性。2、失調的溫漂 在規定的工作溫度范圍內，UIO、IIO隨溫度的平均變化率稱之為失調電壓、電流溫漂，分別用表示。

3、輸入偏置電流IIB

4、開環差模電壓放大倍數5、共模抑制比

主要技術指標6、差模輸入電阻、輸出電阻7、帶寬 運放開環電壓放大倍數下降到直流電壓放大倍數的0.707倍時所對應的頻帶寬度，稱之為運放的-3dB帶寬，用BW表示。

8、輸入電壓范圍兩個輸入端之間能承受的最大電壓差，稱之為最大差模輸入電壓，用UIdmax表示。9、轉換速率 轉換速率是指運放在額定輸出電壓下，輸出電壓的最大變化率，即定義：低頻等效電路在低頻小信號下應用時，若僅分析對輸入差模電壓的放大作用，可以等效電路來描述集成運放。

其它類型的集成運放類型主要結構特點應用范圍高輸入電阻型它們的輸人級多采用超β管或場效應管適用于測量放大電路、信號發生電路或取樣一保持電路。高精度型

高精度型運放具有低失調、低溫漂、低噪聲、高增益等特點，它的失調電壓和失調電流比通用型運放小兩個數量級，而開環差模增益和共模抑制比均大于10dB。適用于對微弱信號的精密測量和運算，常用于高精度的儀器設備中。高速寬帶型它的種類很多，增益帶寬多在10MHz左右，有的高達千兆；轉換速率大多在幾十伏/微秒至幾百伏/微秒，有的高達幾千伏/微秒。適用于模一數轉換器、數一模轉換器、鎖相環電路和視頻放大電路。低功耗型采用外接偏置電阻；用有源負載代替高阻值的電阻等。遙測、生物醫學、空間技術等。

理想運放的條件與符號理想化的條件： 開環差模電壓放大倍數Aud→∞； 差模輸入電阻rid→∞； 開環輸出電阻Ro→0； 共模抑制比KCMR→∞；3.5集成運放的簡單應用電路

理想運放的條件與符號虛短 當集成運放工作在線性區，輸出電壓為有限值，則差模輸入電壓虛斷 由于差模輸入電阻趨于無窮大，因而流進集成運放輸入端的電流也就趨于零，即

同相比例器信號由同相端輸入，要求兩邊的輸入回路參數對稱以減小誤差，所以R=R1//Rf。

1、據“虛斷”，有

2、據“虛短”，有由此得出

同相比例器電路的電壓放大倍數電壓跟隨器 如果令Rf→0，R1→∞，則構成了電壓跟隨器。此時電壓放大倍數

反相比例器1、據“虛斷”，有

2、據“虛短”，有電壓放大倍數

兩級放大電路R1、R2、R3和A1組成同相比例器；R4、R5、R6和A2組成同相比例器。 則可得【解】uo1=－uiRfR1uo2=－uo12RR2RfR1=uiuo2=uo2－uo1例1：圖所示為兩級比例運算放大電路，求uo與ui

的關系。2RfR1RfR1=ui+

ui3RfR1=ui上一題下一題返回練習題集∞－++△2Ruiuo2∞－++△RfR1Ruo1+uo－R2R