第四章集成运算放大电路 运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器,它是模拟集成电路最重要 的品种,广泛应用于各种电子电路之中 本章讨论的问题:1什么是集成运算放大电路?将分立元件直接耦合放大电路 做在一个硅片上就是集成运放吗?集成运放电路结构有什么特点? 2集成运放由哪几部分组成?各部分的作用是什么? 3如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点?4集成运放的电压传输特性有什么特 点? 5如何评价集成运放的性能?有哪些主要指标?6集成运放有哪些类型?如何选择?使用 时应注意哪些问题? 4.1集成运算放大电路概述 4.1.1集成运放的电路结构特点 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路,它的方框图如图所示 差分放大电路 输入级 中间放大级 互补输出级 偏置电流源 运算放大器方框图 4.1.2集成运放电路的组成及各部分的作用 1输入级要使用高性能的差分放大电路,它必须对共模信号有很强的抑制力,而且采用 双端输入、双端输出的形式。 2.中间放大级要提供高的电压增益,以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差 分电路和带有源负载的高增益放大器。 3.互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成,以获得正负两个极性的 输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。 4偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流,以稳定工作点。 4.1.3集成运放的电路传输特性 运算放大器的符号中有三个引线端,两个输入端,一个输出端。一个称为同相输入端, 即该端输入信号变化的极性与输出端相同,用符号“+或1IN+表示:另一个称为反相输入端, 即该端输入信号变化的极性与输出端相异,用符号“”或“IN-表示。输出端一般画在输入端 的另一侧,在符号边框内标有“+号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端有的品种还 有补偿端和调零端。 (1)集成放大器的符号
运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要 的品种，广泛应用于各种电子电路之中。 本章讨论的问题：1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放 大电路 做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运 放电路结构有什么特点？ 2.集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？4.集成运放的电压传输特性有什么特 点？ 5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用 时应注意哪 些问题？ 4.1 集成运算放大电路概述 4.1.1 集成运放的电路结构特点 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。 运算放大器方框图 4.1.2 集成运放电路的组成及各部分的作用 1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用 双端输入、双端输出的形式。 2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差 分电路和带有源负载的高增益放大器。 3.互补输出级由 PNP 和 NPN 两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的 输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。 4.偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。 4.1.3 集成运放的电路传输特性 运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端 的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端有的品种还 有补偿端和调零端。 (1) 集成放大器的符号
按照国家标准符号如图所示。 vil (a)国家标准符号 (b)原符号 图模拟集成放大器的符号 (2)集成运算放大器的型号命名 CHINA的字头放大器 CF一 数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如集成功率放大器的型号命名 集成稳压器的型号命名 CW 4.2集成运放中的电流源电路 流源是一个使输出电流恒定的电源电路,与电压源相对应。 (1)电流源电路是一个电流负反馈电路,并利用PN结的温度特性,对电流源电路进行温 度补偿,以减小温度对电流的影响 (2)电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点,这对直接耦合放大器是十分重 要的。 (3)用电流源做有源负载,可获得增益高、动态范围大的特性 (4)用电流源给电容充电,以获得线性电压输出。 (5)电流源还可单独制成稳流电源使用 (6在模拟集成电路中,常用的电流源电路有:镜像电流源、精密电流源、微电流源、多 路电流源等 4.2.1基本电流源电路 、镜像电流源 镜像电流源电路,如图所示,它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流 的镜像(相等)
按照国家标准符号如图所示。 (a) 国家标准符号 (b)原符号 图模拟集成放大器的符号 (2) 集成运算放大器的型号命名 数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如:集成功率放大器的型号命名 CD－－－－ 集成稳压器的型号命名 CW－－－－ 4.2 集成运放中的电流源电路 电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。 (1) 电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用 PN 结的温度特性，对电流源电路进行温 度补偿，以减小温度对电流的影响。 (2) 电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重 要的。 (3) 用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。 (4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。 (5)电流源还可单独制成稳流电源使用。 (6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、精密电流源、微电流源、多 路电流源等。 4.2.1 基本电流源电路 一、镜像电流源 镜像电流源电路，如图所示，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流 的镜像(相等）
镜像电流源 三极管T、T匹配,B=B2=B,VBE1=VBE2=匪,则 Ic1 +218 2 2(1+) 且=旺,当B>2时,(2=,le2和l是镜像关系。 R 二、比例电流源 在镜像电流源电路中,若增加两个发射极电阻,使两个发射极电阻中的电流成一定的 比例关系,即可构成比例电流源。其电路如图所示 因两三极管基极对地电位相等,于是有 VBEL+leR=VBe+leR 因 aE1≈VB2,E1Ra1≈l2R2 所以, Io Re REF lREF↓lB1+lB2 Re El 图04.06比例电流源 、微电流源 微电流源电路如图所示,通过接入R电阻得到一个比基准电流小许多倍
镜像电流源 三极管 T1、T2 匹配， 1 2 BE1 BE2 BE = = ,V =V =V ，则 I I I I I I R C B C B C ( ) EF = + = + = + 1 2 2 2 2 1 2 且 I V V R R CC BE EF = − ，当 2 时， I I C2 = R EF ，IC2 和 IREF是镜像关系。 二、 比例电流源 在镜像电流源电路中，若增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的 比例关系，即可构成比例电流源。其电路如图所示。 因两三极管基极对地电位相等，于是有 BE1 E1 e1 = BE2 E2Re2 V + I R V + I e2 e1 REF O BE1 BE2 E1 e1 E2 e2 , R R I I V V I R I R 图 04.06 比例电流源 三、微电流源 微电流源电路如图所示，通过接入 Re电阻得到一个比基准电流小许多倍 因 所以
EF↓B1+lB2 x。2 微电流源 的微电流源,适用于微功耗的集成电路中。由图可得: BEI +/2R 12R=a1-1B2=△lBE B2=△m/R lo与kRE的关系如下 REF o=le≈lB2≈ls2e △B=aLm2=(hn-h 般有ls1=l2,所以 In In /Ree=loR. 因△VBE小,lo<lRE。同时l的稳定性也比lk好 4.2.2改进型电流源电路 加射极输出器的电流源 与普通镜象电流源相比,其精度提高了β倍。电路如图04.04所示。由于有T3存在,lBs3和 将比镜像电流源的2lB小B3倍,因此la2和lg更加接近
微电流源 的微电流源，适用于微功耗的集成电路中。由图可得： BE1 = BE2 E2Re V V + I E2Re VBE1 VBE2 VBE I = − = O E2 BE e I I = V / R I O 与 IREF的关系如下 (ln ln ) e e S2 o S1 REF BE BE1 BE2 T / O C2 E2 S2 / REF E1 S1 B E2 T B E1 T I I I I V V V V I I I I I I I V V V V = − = − = 一般有 IS1= IS2，所以 T O e O REF O REF e2 T e2 BE O ln ln V I R I I I I R V R V I = = = 因VBE 小，IO<< IREF。同时 IO 的稳定性也比 IREF好。 4.2.2 改进型电流源电路 一、加射极输出器的电流源 与普通镜象电流源相比，其精度提高了 倍。电路如图 04.04 所示。由于有 T3 存在，IB3 和 将比镜像电流源的 2IB小β3 倍，因此 IC2 和 IREF更加接近
IREFHBK, ic2 精密镜像电流源 二、威尔逊电流源 4.2.3多路电流源电路 通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流,即可构成多路电流源,电 路见图。图中一个基准电流l可获得多个恒定电流lc2、le3 x243e3 多电流源 4.2.4以电流源为有源负载的放大电路 一、有源负载共射放大电路 有源负载关分放大电路 4.3集成运放电路简介 4.3.1双极性集成运放 、F007电路分析 F324电路分析 4.3.2单极性集成运放 4.4集成运放的性能指标及低频等效电路
精密镜像电流源 二、威尔逊电流源 4.2.3 多路电流源电路 通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，电 路见图。图中一个基准电流 IREF可获得多个恒定电流 IC2、IC3。 多电流源 4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路 一、有源负载共射放大电路 二、有源负载关分放大电路 4.3 集成运放电路简介 4.3.1 双极性集成运放 一、F007 电路分析 二、F324 电路分析 4.3.2 单极性集成运放 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路