第13講 集成運(yùn)算放大電路

第十三講

集成運(yùn)算放大電路一、概述二、集成運(yùn)放中的電流源電路三、集成運(yùn)放電路分析四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)五、集成運(yùn)放的種類2/5/20231HANDANCOLLEGE一、概述（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐窂?fù)雜并不增加制作工序。（3）用有源元件替代無(wú)源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4）采用復(fù)合管。

1.

集成運(yùn)放的特點(diǎn)集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的直接耦合多級(jí)放大電路。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算，故而得名。2/5/20232HANDANCOLLEGE2.

集成運(yùn)放電路的組成兩個(gè)輸入端一個(gè)輸出端

若將集成運(yùn)放看成為一個(gè)“黑盒子”，則可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。2/5/20233HANDANCOLLEGE集成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。2/5/20234HANDANCOLLEGE3.集成運(yùn)放的符號(hào)和電壓傳輸特性u(píng)O=f(uP-uN)

由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū)

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。2/5/20235HANDANCOLLEGE二、集成運(yùn)放中的電流源電路1.

鏡像電流源T0和T1特性完全相同。在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反饋嗎？基準(zhǔn)電流2/5/20236HANDANCOLLEGE2.

微電流源

要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。設(shè)計(jì)過(guò)程很簡(jiǎn)單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re2/5/20237HANDANCOLLEGE3.

多路電流源

（1）基于比例電流源的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。

UBE0+IE0Re0=UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2=UBE3+IE3Re4因?yàn)閁BE相差不多，故IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re32/5/20238HANDANCOLLEGE（2）多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定集電結(jié)面積。設(shè)三個(gè)集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則2/5/20239HANDANCOLLEGE（3）MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長(zhǎng)比。設(shè)寬長(zhǎng)比W/L=S，且T1～T4的寬長(zhǎng)比分別為S0、S1、S2、S3，則基準(zhǔn)電流2/5/202310HANDANCOLLEGE4.

有源負(fù)載

（1）用于共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時(shí)UIQ為多少？為什么要考慮

h22?2/5/202311HANDANCOLLEGE（2）用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時(shí)iO約為多少？④動(dòng)態(tài)時(shí)ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動(dòng)態(tài)：2/5/202312HANDANCOLLEGE三、集成運(yùn)放電路分析

1.

讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個(gè)電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實(shí)現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計(jì)算：必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。2/5/202313HANDANCOLLEGE2.

舉例：型號(hào)為F007的通用型集成運(yùn)放對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號(hào)流通順序，將其分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)電路。2/5/202314HANDANCOLLEGE

若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。找出偏置電路2/5/202315HANDANCOLLEGE雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)三級(jí)放大電路簡(jiǎn)化電路

分解電路2/5/202316HANDANCOLLEGE輸入級(jí)的分析

T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。共集-共基形式Q點(diǎn)的穩(wěn)定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9與IC8為鏡像關(guān)系→IC9↑因?yàn)镮C10不變→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出2/5/202317HANDANCOLLEGE輸入級(jí)的分析T7的作用：抑制共模信號(hào)

T5、T6分別是T3、T4的有源負(fù)載，而T4又是T6的有源負(fù)載。作用？+++++++_放大差模信號(hào)+___特點(diǎn)：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)“地”輸出）。2/5/202318HANDANCOLLEGE中間級(jí)的分析中間級(jí)是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。

F007的中間級(jí)是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無(wú)窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流入輸出級(jí)。中間級(jí)輸出級(jí)2/5/202319HANDANCOLLEGE輸出級(jí)的分析D1和D2起過(guò)流保護(hù)作用，未過(guò)流時(shí)，兩只二極管均截止。

iO增大到一定程度，D1導(dǎo)通，為T14基極分流，從而保護(hù)了T14。準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，UBE倍增電路消除交越失真。中間級(jí)輸出級(jí)電流采樣電阻特點(diǎn)：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高2/5/202320HANDANCOLLEGE判斷同相輸入端和反相輸入端2/5/202321HANDANCOLLEGEF007所具有的高性能Ad較大：放大差模信號(hào)的能力較強(qiáng)Ac較?。阂种乒材Ｐ盘?hào)的能力較強(qiáng)rid較大：從信號(hào)源索取的電流小ro小：帶負(fù)載能力強(qiáng)Uom大：其峰值接近電源電壓輸入端耐壓高：使輸入端不至于擊穿的差模電壓大。uIcmax大：接近電源電壓2/5/202322HANDANCOLLEGE四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)

F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞2/5/202323HANDANCOLLEGE四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值

UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃

0輸入失調(diào)電流IIO

20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0使輸出電壓等于零在輸入端加的補(bǔ)償電壓。2/5/202324HANDANCOLLEGE四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值最大共模輸入電壓UIcmax±13V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR

0.5V/μS

∞能正常放大差模信號(hào)時(shí)容許的最大的共模輸入電壓。最大差模輸入電壓UIdmax±30V超過(guò)此值輸入級(jí)差分管將損壞。上限截止頻率。對(duì)大信號(hào)的反應(yīng)速度為什么這么低？2/5/202325HANDANCOLLEGE四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO1mV

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO(│IB1-IB2│)20nA0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾nA/℃0最大共模輸入電壓UIcmax±13V最大差模輸入電壓UIdmax±30V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞2/5/202326HANDANCOLLEGE五、集成運(yùn)放的種類按工作原理電壓放大型：輸入量與輸出量均為電壓電流放大型：輸入量與輸出量均為電流跨導(dǎo)型：輸入量為電壓，輸出量均為電流互阻型：輸入量為電流，輸出量均為電壓按可控性可控增益：利用外加控制電壓控制增益的大小選通控制：輸入為多通道，利用輸入的邏輯信號(hào)控制那個(gè)通道的信號(hào)放大2/5/202327HANDANCOLLEGE五、集成運(yùn)放的種類按性能指標(biāo)高阻型：rid，可高于1012Ω。

用于測(cè)量放大器、信號(hào)發(fā)生器。高速型：

fH和SR高，fH可達(dá)1.7GHz，SR可達(dá)103V/μS。

用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、視頻放大器。高精度型：低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益，

Aod高于105dB。

用于微弱信號(hào)的測(cè)量與運(yùn)算、高精度設(shè)備。低功耗型：工作電源電壓低、靜態(tài)功耗小，在100～200μW。用于空間技術(shù)、軍事