《模拟电子技术》教案 第四章集成运算放大器 教学目的： 1、了解集成运放的组成及特点 2、了理集成运放的主要参数 3、掌握镜像电流源电路的分析与计算 教学重点： 电流源电路的分析 教学难点： 电流源电路的动态计算 §4-1概述 集成运算放大器=硅片十三极管+电阻+连接导线。 外形封装： 集成电路的特点： 1、元器件参数的绝对误差大，相对误差小，具有同向偏差，温度均一性好， 容易制成配对管或电阻。 2、不易制作太小和太大的电阻，一般在几十Ω到几十k2之间。大电阻多 用恒流源来代替，或外接电阻。集成电路中晶体管多而电阻少。 3、电容一般由PN结结电容构成，容量一般在几十pF以下，误差也较大。 必须用大电容时可以外接。电感更不易制作。级间耦合绝大多数采用直接耦合的 方式。 4、NPN管一般为纵向管，而PNP管只能是横向管，B值比较小。在分析时 PNP管的工作情况时由于B=1~5,B和B+1值差别比较大，不能认为近似相 等，IB和Ic相差不大，并且IB往往不能忽略。 总起来说，集成运放和分立器件构成的直流放大电路虽然在工作原理上基本 相同，但在电路的结构形式上二者有比较大的差别
《模拟电子技术》教案 1 第四章 集成运算放大器 教学目的： 1、了解集成运放的组成及特点 2、了理集成运放的主要参数 3、掌握镜像电流源电路的分析与计算 教学重点： 电流源电路的分析 教学难点： 电流源电路的动态计算 §4-1 概述 集成运算放大器＝硅片＋三极管＋电阻＋连接导线。 外形封装： 集成电路的特点： 1、元器件参数的绝对误差大，相对误差小，具有同向偏差，温度均一性好， 容易制成配对管或电阻。 2、不易制作太小和太大的电阻，一般在几十 Ω 到几十 kΩ 之间。大电阻多 用恒流源来代替，或外接电阻。集成电路中晶体管多而电阻少。 3、电容一般由 PN 结结电容构成，容量一般在几十 pF 以下，误差也较大。 必须用大电容时可以外接。电感更不易制作。级间耦合绝大多数采用直接耦合的 方式。 4、NPN 管一般为纵向管，而 PNP 管只能是横向管，β值比较小。在分析时 PNP 管的工作情况时由于β＝1～5，β和β＋1 值差别比较大，不能认为近似相 等，IB和 IC 相差不大，并且 IB往往不能忽略。 总起来说，集成运放和分立器件构成的直流放大电路虽然在工作原理上基本 相同，但在电路的结构形式上二者有比较大的差别
《模拟电子技术》教案 §4-2集成运放的基本组成及基本电路 集成运放内部电路通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间放大级、输 出级和直流偏置电路。 一、电流源电路 电流源电路在集成运放中主要应用在两个方面，一是构成集成运放的直流偏 置电路，二是作为放大电路的有源负载。 1.基本电流源电路 基本电流源电路一一固定偏流的三极管电路。 Vcc -UBE 电路中IB= 当晶体管处于放大工作区时Ic=BIB与负载电阻RL基本无关，即Ic不受R,变化 的影响，电路呈现电流源特性。恒流特性并不好（温度稳定性），实际应用并不 多 2.镜像电流源电路 镜像电流源是在集成运放中应用十分广泛的一种电流源电路。 基准电流IREF计算 Vcc-UBEL IREF=R 由于VT1和VT2对称，UBE1=UB2=UBE IB1=IB2=IB、IC1=IC2=Ic 1c2 则 IC2=ICI=IREF-2IB=IREF-2 6 1 2 1+ 所以 IC=IREF 6 当满足条件B>>2时，上式可简化为 Vcc -UBEI IC2≈IREF=R 由上式可知，输出电流Ic2与基准电流IF接近相等，镜像关系，故得名镜像电 流源。 优点：结构简单，而且具有一定的温度补偿作用。 缺点：(1)Ic2随电源电压Vcc变化。不适用电源电压变化范围宽的场合。 2
《模拟电子技术》教案 2 §4-2 集成运放的基本组成及基本电路 集成运放内部电路通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间放大级、输 出级和直流偏置电路。 一、电流源电路 电流源电路在集成运放中主要应用在两个方面，一是构成集成运放的直流偏 置电路，二是作为放大电路的有源负载。 1．基本电流源电路 基本电流源电路――固定偏流的三极管电路。 电路中 IB＝ 当晶体管处于放大工作区时 IC=βIB 与负载电阻 RL 基本无关，即 IC 不受 RL 变化 的影响，电路呈现电流源特性。恒流特性并不好（温度稳定性），实际应用并不 多 2．镜像电流源电路 镜像电流源是在集成运放中应用十分广泛的一种电流源电路。 基准电流 IREF 计算 IREF＝ 由于 VT1 和 VT2 对称，UBE1＝UBE2＝UBE IB1＝IB2＝IB 、IC1＝IC2＝IC 则 IC2＝IC1＝IREF－2IB＝IREF－2 所以 IC2＝IREF 当满足条件β>>2 时，上式可简化为 IC2≈IREF＝ 由上式可知，输出电流 IC2 与基准电流 IREF 接近相等，镜像关系，故得名镜像电 流源。 优点：结构简单，而且具有一定的温度补偿作用。 缺点：（1）IC2 随电源电压 VCC变化。不适用电源电压变化范围宽的场合
《模拟电子技术》教案 (2)要做到微安级，则R的阻值必须很大，而在IC中制作一个大电阻困 难。 (3)电路对温漂没有抑制作用，故Ic2受温度影响大。 (4)输出电阻Ro=rce2,理想电流源的输出电阻应趋向无穷大。 3.微电流源电路 UBE1-UBE2=IE2ReIc2Re 由二极管方程可知 UBE % Ic=ls(e所-1)≈se Ic Ic2 则 UBEI-UBE2≈UT(lns1-lns2)≈Ic2Re 设 Is1≈Is2 IeL 即得 UTIn-c2≈lc2Re 解上式即可由Ic1求出I。。但由于上式是一个超越方程，可用图解法或试探法求 解。实际中在集成电路的设计中，不是给定了Ia和Re来求Ic2,而是先选择合 适的Ic1,再根据所需的Ic2来求Re,这样计算起来非常容易。 与镜像电流源相比，微电流源有如下特点： (一切源自Re的负反馈) (1)提高了恒流源对电源变化的稳定性。 (2)提高了恒流源对温度变化的稳定性。 (3)提高了输出电阻。 4.多路电流源 用同一个参考电流IEF同时产生多路输出电流的电流源电路。 4.恒流源式差动放大电路 ·原因 由前面分析可知，Rc对差模增益无影响，对共模增益则Re愈大愈好。但Rε 增大受限。解决办法：采用恒流源，它在较小的直流电压下具有很大的动态电阻， 用它替代Re时，VEE不必很大，但动态时相当于接入一个很大的电阻一一恒流源 式差动放大电路。 (1)电路组成
《模拟电子技术》教案 3 （2）要做到微安级，则 R 的阻值必须很大，而在 IC 中制作一个大电阻困 难。 （3） 电路对温漂没有抑制作用，故 IC2 受温度影响大。 （4） 输出电阻 RO＝rce2，理想电流源的输出电阻应趋向无穷大。 3．微电流源电路 UBE1－UBE2＝IE2Re≈IC2Re 由二极管方程可知 IC＝IS（e ）≈IS e 则 UBE1－UBE2≈UT（ln －ln ）≈IC2Re 设 IS1≈IS2 即得 UTln ≈IC2Re 解上式即可由 IC1 求出 IC2。但由于上式是一个超越方程，可用图解法或试探法求 解。实际中在集成电路的设计中，不是给定了 IC1 和 Re 来求 IC2，而是先选择合 适的 IC1，再根据所需的 IC2 来求 Re，这样计算起来非常容易。 与镜像电流源相比，微电流源有如下特点： （一切源自 Re 的负反馈） （1）提高了恒流源对电源变化的稳定性。 （2）提高了恒流源对温度变化的稳定性。 （3）提高了输出电阻。 4．多路电流源 用同一个参考电流 IREF 同时产生多路输出电流的电流源电路。 4．恒流源式差动放大电路 ·原因 由前面分析可知，Re 对差模增益无影响，对共模增益则 Re 愈大愈好。但 Re 增大受限。解决办法：采用恒流源，它在较小的直流电压下具有很大的动态电阻， 用它替代 Re 时，VEE 不必很大，但动态时相当于接入一个很大的电阻――恒流源 式差动放大电路。 （1） 电路组成
《模拟电子技术》教案 ·i3≈ic3=2ic1=2ic2,所以ic和ic2将不会因温度的变化而同时增大或减 小。 恒流源的动态等效电阻很大，可有效抑制了共模信号的变化。这种差动 放大电路在电路、器件严格匹配的情况下，KCR可达104以上。 +V cc Rc VT: un R VT: R VT, VTi uo VD U (a) V亚 (2)静态分析 电路通常从确定恒流源的电电流开始。从VT3的发射结电路开始分析。 URe=Uz-UBE3 UUz-V Ic≈IE3=R。=R 1 Icol =Ico2=Ico=2 Ic3 Ico IBQI=IBQ2=B =IBQ UBQI=UBQ2=UBQ=-IBOR UEQ=UBQ-UBE Uco1 =UcQ2=UcQ=Vcc-IcoRc 这样就可很方便地计算出个静态值。 (3)动态分析 由于恒流三极管相当于一个阻值很大的射极电阻，对差模信号没有影响，所 以恒流源式差放的交流通路与射极耦合差放的交流通路相同。因而二者的差模电 压放大倍数Ad、差模输入电阻Rd和输出电阻Ro均相同。对共模信号而言，相 当于在射极上接有一个很大的电阻，所以共模电压放大倍数很小。 4
《模拟电子技术》教案 4 · iE3≈iC3＝2iC1＝2iC2，所以 iC1 和 iC2 将不会因温度的变化而同时增大或减 小。 · 恒流源的动态等效电阻很大，可有效抑制了共模信号的变化。这种差动 放大电路在电路、器件严格匹配的情况下，KCMR 可达 以上。 （2）静态分析 电路通常从确定恒流源的电电流开始。从 VT3 的发射结电路开始分析。 URe＝UZ－UBE3 IC3≈IE3＝ ＝ ICQ1＝ICQ2＝ICQ＝ IC3 IBQ1＝IBQ2＝ ＝IBQ UBQ1＝UBQ2＝UBQ＝－IBQR UEQ＝UBQ－UBE UCQ1＝UCQ2＝UCQ＝VCC－ICQRC 这样就可很方便地计算出个静态值。 （3）动态分析 由于恒流三极管相当于一个阻值很大的射极电阻，对差模信号没有影响，所 以恒流源式差放的交流通路与射极耦合差放的交流通路相同。因而二者的差模电 压放大倍数 Ad、差模输入电阻 Rid 和输出电阻 Ro 均相同。对共模信号而言，相 当于在射极上接有一个很大的电阻，所以共模电压放大倍数很小
《模拟电子技术》教案 三、有源负载 目的：提高Au;保证合适的Q点，用电流源来代替Rc 13 10。 1c2 V亚 Vcc -UBE3 由图即可确定放大电路的工作电流I= R Brce3 则有源负载的电压放大倍数为Au=一be 式中rce3为镜像电流源中VT3的输出电阻。可见，由于rce3的阻值很大，从而获 得了较大的电压放大倍数。 ·采用有源负载的差动放大电路 电路的静态工作电流由VT1、VT2发射极的恒流源决定。即电路对称时 1 IcI=Ic2=2I ·双端转单端原理 对输入信号而言，如果加上差模输入电压，如图4-2-22所示极性，则i1将增大， ic2将减小，而且可以认为△iC1=一△ic2。当VT3、VT4的B足够大时，可忽 略VT3、VT4的基极电流，认为△icI≈△ic3。而VT3、VT4又组成镜像电流源， 则△ic3≈△ic4,于是我们可得△iC2≈一△ic4,则输出电流为 △io=△ic4-△ic2=2△ic4 可见，电路虽然采用单端输出接法，却可以获得相当于双端输出时的电流变化量。 这种采用有源负载的差动放大电路，在集成运放中的应用十分广泛。 J
《模拟电子技术》教案 5 三、有源负载 目的：提高 Au；保证合适的 Q 点，用电流源来代替 Rc 由图即可确定放大电路的工作电流 I＝ 则有源负载的电压放大倍数为 Au＝－ 式中 rce3 为镜像电流源中 VT3 的输出电阻。可见，由于 rce3 的阻值很大，从而获 得了较大的电压放大倍数。 ·采用有源负载的差动放大电路 电路的静态工作电流由 VT1、VT2 发射极的恒流源决定。即电路对称时 IC1＝IC2＝ I ·双端转单端原理 对输入信号而言，如果加上差模输入电压，如图 4-2-22 所示极性，则 ic1 将增大， ic2 将减小，而且可以认为 ΔiC1＝－ΔiC2。当 VT3、VT4 的β足够大时，可忽 略 VT3、VT4 的基极电流，认为ΔiC1≈ΔiC3。而 VT3、VT4 又组成镜像电流源， 则ΔiC3≈ΔiC4，于是我们可得ΔiC2≈－ΔiC4，则输出电流为 ΔiO＝ΔiC4－ΔiC2＝2ΔiC4 可见，电路虽然采用单端输出接法，却可以获得相当于双端输出时的电流变化量。 这种采用有源负载的差动放大电路，在集成运放中的应用十分广泛