第5章 集成运算放大器5.1 集成运算放大器的特点及基本组成集成电路（Intergrated Circuit 简称IC)实质：是一个高增益的多级直接耦合（差动放大）放大电路。与分立元件电路比较具有：体积小、重量轻、耗电省、成本低 、可靠性高等优点。5.1.1 集成运算放大器的基本特点在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一 块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路（Integrated Circuits，简称IC）。它的体积小，而性能却很好。自1959年世界上出现第一块集成电路至今，只不过四十年时间，但它已深入到一切 产业的每种产品中。在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备 中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在 音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了 集成电路。集成电路的种类很多，分类方法有以下几种：1按集成度的高低，如上所述，集成电路可分为小规模、中规模、大规模和超大规模四类。2按导电类型的不同，集成电路可分为双极型（即BJT型）集成电路和单极型（即MOS型）集成电路。3按功能的不同，集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路又可分为线性集成电路和非线性集成电路。线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号和输入信号成线性关系，例如集成运算放大器（简称集成运放或运放）。由于集成运放具有通用性和灵活性强、成本低、品种多等特点，因此已成为线性集成电路中应用最为广泛的一种集成电路。该电路为本章讨论的重点。特点:1.在集成工艺下，元器件参数精度不高，但对称性好 ，适宜做差动放大电路。2.集成电路不适于制造大于几十皮法以上的电容和电 感，故电路间采用直接耦合。3.在集成电路中，制造三极管（NPN）比制造大电阻 和二极管方便。所以常用三极管代替大电阻、二极管。4.集成电路中的PNP三极管一般做成横向的。所以 很低 10 ， 这时 +1。集成电路的封装形式圆壳式 双列直插式 扁平式单列直插式 菱形式5.1.2 集成运算放大器的基本组成集成运放是一种高放大倍数的直接耦合放大器。由于最初这种 器件主要用于模拟计算机中实现数值运算，所以称为运算放大器。 尽管目前集成运放的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍保 留了运放的名称。集成运放的发展经历了第一代至第四代，其性能越来越好。目前集成运放仍在不断发展，其方向是更低的漂移、噪声和功耗，更高的速度、放大倍数和输入电压，以及更大的输出功率等。 集成运放基本组成集成运放的内部组成框图如图所示，它主要由输入级、中间 级和输出级组成的。输入级主要由差动放大器构成，以减小运放 的零漂，它的两个输入端分别与输出成同相或反相关系，即分别 为同相输入端和反相输入端。中间级由一级或两级有源负载放大 器构成，以提高运放的输出功率和带负载能力。输入级：是提高运算放大器质量的关键部分。 要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。电路形式：采用具有恒流的差动放大电路，降 低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获 得较高的输入阻抗。中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。 要求：Au高，同时向输出级提供较大的推动电流。电路形式：带有恒流源负载的共射电路，Au高 达几千倍以上。输出级：与负载相接。要求：其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大 的电压和电流，并有过载保护措施。电路形式：一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏 置电流，决定各级的静态工作点，也可以作为有源负 载提高电压增益，输入级设置一个电流值低而又十分 稳定的偏置电流。电路形式：各种恒流源组成。 5.2 电流源电路 5.2.1镜像电流源（又称电流源）（电路图见书193页） T0、T1完全对称UBE0=UBE1（均记作UBE）故IB0=IB1=IB，IC0=IC1，则IREF：参考电流或基准电流，IC1：输出电流，当1时，有IC1 IREF 由于T0的基极和集电极相连，故：由上式可以看出，当VCC、R确定值时，IREF 就确定了，因此IC1也随之而定。电路如同一面镜子， IREF 在“镜子”里所成的“象”为IC1，故称为镜象电流源。这种偏置电路的优点是结构简单，而且有一定的温度补偿作用。（如F007中：T8，T9和T12，T13）5.2.2比例式电流源电路如果要求电流源输出电流与参考电流保持一定的比例关系，则可采用比例式电流源电路，它可由三极管或场效应管组成。三极管比例式电流源电路如图所示。可以看出，当较大时，IE0IC0IREF，IE1IC1。因此当Re1与Re0相差不太大时，可以 认为UBE1UBE0，则有IE1Re1IE0Re0IREFRe0可见，只要改变Re0与Re1比例，就可得到与IREF不同比例的IC1，这也是得名比例式电流源电路的 原因。由于Re1的存在，比例式电流源电路的输出电阻远大于rce1。比例式电流源电路也可用场效应管来组成，其电路结构梢有不同。5.2.3微电流源电路镜象电流源电路只适用于输出电流IC1较大（毫安级）的场合，若要求输出电流小（例如微安级），则R的值很大难于集成。例如，要求IC1=10A，若VCC=15V, 则R1.5M。解决的办法是采用如图所示的微电流源电路。在图中，当较大时，IC1IE1，IC0IE0，IC0IREF即IE0IREF 。当R不是很大时，T0管正常导通，IC0或IE0较大（毫安级），UBE0为正常的导通压降（约0.7V左右）。由于Re1的接入，则UBE1 = UBE0IE1Re1UBE0IC1Re1，从而使UBE1减小，因此当Re1较大时，T1管只能处于微导通状态，即IC1UBE ，上式可进一步近似为式 则表明，差动放大器中Re有稳定电流的作用，且在Re一定的条件下，负电源决定了静态工作点电流，因此对负电源的稳定性提出了比正电源更高的要求。又UE1=UE2=UBE于是可从上式得到UCE1=UCE2=UC1UE1=VCCIC1Rc+UBE5.3.2 差动放大电路差模信号的动态分析差模输入时，uid=2uid1=ui1ui2。由于输出方式有两种，而且输出端一般接有负载RL ，因此，下面将分别予以讨论。（1）双端输出静态时UC1=UC2，即接上RL不影响放大器的静态工作点。而当差模信号输入时，RL的中点相当于接地，故可画出接有RL时双端输出的差模交流通路，如图所示。双端输出时的差模交流通路由图可见，每管的交流负载RL = Rc / (RL/2)，故差模放大倍 数式中，Au1为差模输入时单管电路的电压放大倍数。差模输入电阻Rid为从图的两个输入端看进去的等效电阻，实际上它就是通常所说的输入电阻Ri ，不难看出Rid=2rbe 输出电阻Ro=2Rc （2）单端输出设射极耦合差动放大器是从T1集电极与地之间输出信号的，则RL接在T1 集电极与地之间，此时电路的静态电流不变，但静态电压有所变化，其差模交流通路如图所示。单端输出时的差模交流通路由图可以得到差模放大倍数式中，交流负载RL = Rc / RL 。差模输入电阻 Rid=2rbe 即Rid与双端输出时相同。输出电阻 Ro=Rc 注意： T1管输出，Aud10， T2管输出，Aud20，即4共模输入时的动态分析 （1）双端输出由于双端输出、共模输入时电路对称，总 有uc1=uc2 ，故接在两管集电极之间的负载RL没有电流 流过，可视为开路。 （2）单端输出5.3.4 带恒流源的差动放大电路差动放大器的四种接法前已指出，由于差动放大器有两个输出端 和两个输入端，所以输出方式有双端输出（对称输出 ）和单端输出（不对称输出）两种，而输入方式也有 双端输入（对称输入）和单端输入（不对称输入）两 种。因此，差动放大器共有四种连接方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出、 单端输入双端输出和单端输入单端输出。在集成运算放大器电路中，单端输入通常 用于输入级，单端输出通常用于输出级，而双端输入 和双端输出则用于中间放大级。1双端输入双端输出电路这种电路适用于输入信号和负载都不需要 接地的场合。由于是双端输出，所以抑制共模信号的 能力强，零漂小。 2双端输入单端输出电路这种电路适用于输入信号不能接地而负载 要接地的场合。由于是单端输出，故抑制共模信号的 能力比双端输出时差，且电压增益减小一半。应该指出，由于静态电流IC1或IC2与Rc无关 ，所以单端输出时，另一端的集电极电阻Rc经常不用 ，直接把它的集电极接电源+VCC 。这个结论同样适用 于单端输入单端输出电路。3单端输入双端输出电路它是共射.共基组态。当Re很大时，可近似认为Re 开路，则ui近似均分在两管的输入回路上，即ueui/2。这样两 边电路的输入信号分别为ui/2和ui/2，因此，单端输入时电路 的工作状态与双端输入时近似一致。这种电路适用于输入信号需要接地而负载不接地的 场合。由于是双端输出，所以抑制共模信号的能力强，零漂小 。 4单端输入单端输出电路它与单端输入双端输出电路的输入端情况相似，也 是共射.共基组态。这种电路适用于输入信号和负载均需接地的场合。 由于是单端输出，故抑制共模信号的能力比双端输出时差，且 电压增益减小一半。因此，差动放大器的静态工作点电流由T3管构成 的恒流源电路提供，而差动放大器所需的公共发射极电阻Re 就是恒流源电路的输出交流电阻ro3。由于恒流源电路属电流 串联负反馈电路，所以ro3很大，一般可达几M以上。具有恒流源的差动放大器，其共模抑制比可达 60dB以上，它在集成运放中被广泛采用。5.4 集成运算放大器中的中间级和输出级电路5.4.1 复合管电路复合管的等效类型（NPN或PNP）由输入管VT1确定，构成复合 管的原则是内部的电流方向必须一致。图5.15所示中4种接法的复合 管的电流放大系数 12 有源负载放大电路的特点是负载阻抗很高，增益很大，但所需的 电源电压却并不高，因此在集成放大电路中得到广泛应用。有源负载放大电路常用于集成运放的前级和中间放大级。有源负载放大电路图所示为一种由三极管组成的有源负载放大电路的实 际电路，图（b）为该电路的简化画法。该电路采用直接耦合，T1为放大管，PNP型的T2、T3管构成镜 象电流源电路，它作为T1的有源负载。电流源的输出电流IC2IREF就是T1的静态电流IC1，其输出电阻 ro=rce2就是放大电路的交流负载电阻。采用有源负载后，放大电路可以允许电源电压在较宽范围内变 动，这是因为这时电流源的输出电流近似不变、放大电路的性能也 不受影响的缘故。不难理解，有源负载放大电路的负载（或下级输入电阻）应足够大，否则电路的电压放大倍数也不会提高。有源负载放大电路也可由场效应管组成，其结构同上述电路类似，这里不再加以讨论。2、复合管-提高值则复合管=*rbe=rbe1+(1+1)rbe2复合管各种不同的接法（见书8页）结论:()两个相同类型的三极管组成复合管时,复合管的类 型上与原来相同,复合管的 =*；复合管的 rbe=rbe1+(1+1)rbe2()两个不同类型的三极管组成复合管时,复合管的类 型决定于前面一个三极管,复合管的 ;=*；复合 管的rbe= rbe15.4.2 集成运算放大器的输出电路集成运放的输出级直接与负载相连接，为了提高它的带负 载能力，要求输出电阻较低。此外，输