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第四章 集成运算放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
第四章 集成运算放大电路
§ 4.1 概述
§ 4.2 集成运放中的电流源
§ 4.3 集成运放的电路分析及其性能指标华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 4.1 概述一、集成运放的特点二、集成运放电路的组成三、集成运放的电压传输特性华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一,集成运放的特点
（ 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电路和电流源电路。
（ 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。
（ 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。
（ 4）采用复合管。
集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。
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二、集成运放电路的组成两个输入端 一个输出端若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
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集成运放电路四个组成部分的作用输入级,前置级，多采用差分放大电路。要求 Ri大,Ad
大,Ac小，输入端耐压高。
中间级,主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。
输出级,功率级，多采用准互补输出级。要求 Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。
偏置电路,为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。
几代产品中输入级的变化最大！
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三,集成运放的电压传输特性由于 Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 (uP－ uN)的数值仅为几十～一百多微伏。
在线性区：
uO＝ Aod(uP－ uN)
Aod是开环差模放大倍数。
非线性区
(uP－ uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是
＋ UOM,就是－ UOM，即集成运放工作在非线性区。
uO=f(uP-uN)
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§ 4.2 集成运放中的电流源一、镜像电流源二、微电流源三、多路电流源四、有源负载华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、镜像电流源
T0 和 T1 特性完全相同。
B0B1B E 0B E 1 IIUU,
C
CB10B0CR
2 IIIIII
RC 2 II,则若?
在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。
电路中有负反馈吗？
基准电流 RUVI )(
BECCR
RC 2 II
CC0C1 III
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二,微电流源
eB E 1B E 0E1 )( RUUI
T
B E 1B E 0
T
BE )(
E1
E0SE e e U
UU
U
U
I
III,
eE1
E1
0E
TB E 10BE ln RII
IUUU
R
UVIII
II
B E 0CC
R C0 E0
1C 1E
设计过程很简单，首先确定 IE0和 IE1，然后选定 R和 Re。
超越方程
Re
要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。
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三、多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。
根据所需静态电流，来确定集电结面积。
根据所需静态电流，
来确定沟道尺寸。
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四,有源负载
① 哪只管子为放大管？
②其集电结静态电流约为多少？
③静态时 UIQ为多少？
④ 为什么要考虑 h22?
b e 1b
Lce2ce11 )(
rR
RrrA
u
∥∥
1,用于共射放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,用于差分放大电路
① 电路的输入、输出方式？
②如何设置静态电流？
③静态时 iO约为多少？
④动态时 ΔiO约为 多少？
C1C3C4C2C1,,iiiii
C1C2C4O 2 iiii
使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。
0 C2C4O iii
静态：
C2C4C3C4C1C3C2C1 IIIIIIII,，，
动态：
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§ 4.3 集成运放的电路分析 及其性能指标二、读图举例三、集成运放的性能指标一、读图方法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一,读图方法
（ 1）了解用途,了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。
（ 2）化整为零,将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。
（ 3）分析功能,定性分析每一部分电路的基本功能和性能。
（ 4）统观整体,电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。
（ 5）定量计算,必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。
已知电路图，分析其原理和功能、性能。
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二,举例,F007—— 通用型集成运放对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。
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若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。
找出偏置电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、
恒流源作负载的共射放大电路用 UBE倍增电路消除交越失真的 准互补输出级三级放大电路简化电路分解电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
输入级的分析
T3,T4为横向 PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。
共集 -共基形式
Q点的稳定：
T（ ℃ ） ↑→IC1↑ IC2↑ →IC8↑
IC9与 IC8为镜像关系 →IC9↑，因
IC10不变 →IB3↓ IB4↓ → IC3 ↓
IC4↓→ IC1↓ IC2↓
T1和 T2从基极输入、射极输出
T3和 T4从射极输入、集电极输出华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
输入级的分析
T7的作用,抑制共模信号
T5,T6分别是 T3,T4的有源负载，而 T4又是 T6的有源负载，增大电压放大倍数。
作用？
+
+
+ +
+ +
+
_
放大差模信号
+
_
_
_
特点：
输入电阻大、差模放大倍数大、
共模放大倍数小、输入端耐压高，
并完成电平转换（即对“地”输出）。
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中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。
F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。
中间级 输出级华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
输出级的分析
D1和 D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。
79O14BE1D RURiUU＝
iO增大到一定程度,D1导通，为 T14基极分流，从而保护 了 T14。
准互补输出级,UBE倍增电路消除交越失真。
中间级 输出级电流采样电阻特点：
输出电阻小最大不失真输出电压高华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
判断同相输入端和反相输入端输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。
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三、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值
开环差模增益 Aod 106dB ∞
差模输入电阻 rid 2MΩ ∞
共模抑制比 KCMR 90dB ∞
输入失调电压 UIO 1mV 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 μV/ ℃ 0
输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 nA/ ℃ 0
最大共模输入电压 UIcmax ± 13V
最大差模输入电压 UIdmax ± 30V
-3dB带宽 fH 10Hz ∞
转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
20lg│Aod│
使 uO为 0在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大差模信号超过此值输入级放大管击穿华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
清华大学 华成英
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讨论
1,输入级采用什么措施增大放大倍数？
2,中间级采用什么措施增大电压放大倍数？
3,如何消除交越失真？
4,uI1,uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？
有源负载有源负载复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻
_ _+
_
_
_
+
+
反相输入端同相输入端积累电流放大系数超 β管
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§ 4.1 概述
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一,集成运放的特点
（ 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电路和电流源电路。
（ 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。
（ 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。
（ 4）采用复合管。
集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。
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二、集成运放电路的组成两个输入端 一个输出端若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
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集成运放电路四个组成部分的作用输入级,前置级，多采用差分放大电路。要求 Ri大,Ad
大,Ac小，输入端耐压高。
中间级,主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。
输出级,功率级，多采用准互补输出级。要求 Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。
偏置电路,为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。
几代产品中输入级的变化最大！
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三,集成运放的电压传输特性由于 Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 (uP－ uN)的数值仅为几十～一百多微伏。
在线性区：
uO＝ Aod(uP－ uN)
Aod是开环差模放大倍数。
非线性区
(uP－ uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是
＋ UOM,就是－ UOM，即集成运放工作在非线性区。
uO=f(uP-uN)
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§ 4.2 集成运放中的电流源一、镜像电流源二、微电流源三、多路电流源四、有源负载华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、镜像电流源
T0 和 T1 特性完全相同。
B0B1B E 0B E 1 IIUU,
C
CB10B0CR
2 IIIIII
RC 2 II,则若?
在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。
电路中有负反馈吗？
基准电流 RUVI )(
BECCR
RC 2 II
CC0C1 III
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二,微电流源
eB E 1B E 0E1 )( RUUI
T
B E 1B E 0
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E1
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IUUU
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B E 0CC
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1C 1E
设计过程很简单，首先确定 IE0和 IE1，然后选定 R和 Re。
超越方程
Re
要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。
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三、多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。
根据所需静态电流，来确定集电结面积。
根据所需静态电流，
来确定沟道尺寸。
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四,有源负载
① 哪只管子为放大管？
②其集电结静态电流约为多少？
③静态时 UIQ为多少？
④ 为什么要考虑 h22?
b e 1b
Lce2ce11 )(
rR
RrrA
u
∥∥
1,用于共射放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,用于差分放大电路
① 电路的输入、输出方式？
②如何设置静态电流？
③静态时 iO约为多少？
④动态时 ΔiO约为 多少？
C1C3C4C2C1,,iiiii
C1C2C4O 2 iiii
使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。
0 C2C4O iii
静态：
C2C4C3C4C1C3C2C1 IIIIIIII,，，
动态：
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§ 4.3 集成运放的电路分析 及其性能指标二、读图举例三、集成运放的性能指标一、读图方法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一,读图方法
（ 1）了解用途,了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。
（ 2）化整为零,将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。
（ 3）分析功能,定性分析每一部分电路的基本功能和性能。
（ 4）统观整体,电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。
（ 5）定量计算,必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。
已知电路图，分析其原理和功能、性能。
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二,举例,F007—— 通用型集成运放对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。
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若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。
找出偏置电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、
恒流源作负载的共射放大电路用 UBE倍增电路消除交越失真的 准互补输出级三级放大电路简化电路分解电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
输入级的分析
T3,T4为横向 PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。
共集 -共基形式
Q点的稳定：
T（ ℃ ） ↑→IC1↑ IC2↑ →IC8↑
IC9与 IC8为镜像关系 →IC9↑，因
IC10不变 →IB3↓ IB4↓ → IC3 ↓
IC4↓→ IC1↓ IC2↓
T1和 T2从基极输入、射极输出
T3和 T4从射极输入、集电极输出华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
输入级的分析
T7的作用,抑制共模信号
T5,T6分别是 T3,T4的有源负载，而 T4又是 T6的有源负载，增大电压放大倍数。
作用？
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放大差模信号
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特点：
输入电阻大、差模放大倍数大、
共模放大倍数小、输入端耐压高，
并完成电平转换（即对“地”输出）。
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中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。
F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。
中间级 输出级华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
输出级的分析
D1和 D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。
79O14BE1D RURiUU＝
iO增大到一定程度,D1导通，为 T14基极分流，从而保护 了 T14。
准互补输出级,UBE倍增电路消除交越失真。
中间级 输出级电流采样电阻特点：
输出电阻小最大不失真输出电压高华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
判断同相输入端和反相输入端输入电阻大、差模增益大、输出电阻小、共模抑制能力强、允许的共模输入电压高、输入端耐压高等。
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三、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值
开环差模增益 Aod 106dB ∞
差模输入电阻 rid 2MΩ ∞
共模抑制比 KCMR 90dB ∞
输入失调电压 UIO 1mV 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 μV/ ℃ 0
输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 nA/ ℃ 0
最大共模输入电压 UIcmax ± 13V
最大差模输入电压 UIdmax ± 30V
-3dB带宽 fH 10Hz ∞
转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
20lg│Aod│
使 uO为 0在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大差模信号超过此值输入级放大管击穿华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
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1,输入级采用什么措施增大放大倍数？
2,中间级采用什么措施增大电压放大倍数？
3,如何消除交越失真？
4,uI1,uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？
有源负载有源负载复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻
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反相输入端同相输入端积累电流放大系数超 β管
