(5.8)--第六章 集成运算放大器.pdf

第六章 集成运算放大器 225 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 十三 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：6.1 集成运算放大器的特点及组成 6.1.1 集成运算放大器的特点 6.1.2 集成运算放大器的组成 6.2 集成运算放大器的单元电路 6.2.1 差动放大电路 重点：1.集成运放的概念及特点 2.对差放的静态分析和动态分析 难点：差放的动态分析，共模信号和差模信号 教学目的要求：1.掌握集成运放的概念及特点 2.掌握差动放大器的工作原理、及对差放的静态分析和动态分析 3.熟悉差分放大电路的输入和输出方式 4.熟悉单端输入和一般输入分析，了解对差放的改进 教学方法和教学手段：板书和多媒体教学相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.什么是共模信号?什么是差模信号?2.如何提高共模抑制比?RE的作用是什么?作业：6.3 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第六章 集成运算放大器 226 第六章第六章 集成运算放大器集成运算放大器 集成电路是 20 世纪 60 年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路的各个元件以及相互之间的连接线同时制造在一块半导体芯片上，实现了材料、元件和电路的统一。因此它的密度高、引线短，外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性。本章首先介绍集成运算放大器的特点及组成，然后介绍集成运算放大器的单元电路及典型集成运算放大器，最后介绍集成运算放大器的主要参数及工作特性。6.1 集成运算放大器的特点及组成集成运算放大器的特点及组成 6.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成电路按其功能可分为两大类：一类是数字集成电路，它是用来处理数字信号的；一类是模拟集成电路，它是用来处理模拟信号的。最常见的模拟集成电路有集成运算放大器、集成稳压电源、集成乘法器和集成功率放大电路等等，半导体集成电路按其集成度可分为：小规模集成电路（SSI），其内部一般包含十到几十个元器件；中规模集成电路（MSI）其内部一般含有一百到几百个元器件；大规模和超大规模集成电路（LSI 和 VLSI），其内部一般具有一千个以上的元器件，有些超大规模集成电路，每片具有上百万个乃至上亿个元器件，被称为甚大规模（ULSI）集成电路。集成电路的集成度越来越高。集成电路的外形有：双列直插式，圆壳式和扁平式等。就导电类型而言，有双极型（BJT）、单极型（FET）和两者兼容的等类型。集成运算放大器可简称为集成运放集成运放，是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，因为最初被用于模拟运算中，故名运算放大电路。目前，它的应用已十分普遍，远远超出了原来“运算放大”的应用范围。当前，我国产量最大的是通用型集成运算放大器，其次是专用型运算放大器，专用型运算放大器有高速型、高输入电阻型、低漂移型、低功耗型以及高压型等。模拟集成电路，从电路原理上来说与分立元件电路基本相同，但在电路的结 第六章 集成运算放大器 227 构形式上二者将有较大的区别。集成运算放大器主要有以下几个特点：（1）由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数的精度不是很高，受温度的影响也比较大，但由于各有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，因此对称性较好，特别适合制作对称结构的电路。运算放大电路的输入级都采用差动放大电路，它要求两管的性能应该相同，因此容易制成温度漂移很小的运算放大电路。（2）由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有一定的局限性，一般在几十欧到几十千欧之间，因此在需要较低和较高阻值的电阻时，就要在电路上想办法，因此，在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源来代替电阻，必须用直流高阻值电阻时，也常采用外接方法。（3）集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，至于制造电感器就更困难。所以集成电路应尽量避免使用电容器。而运算放大电路各级之间都采用直接耦合，基本上不采用电容元件，因此适合于集成化的要求。必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。（4）大量使用晶体管作有源器件。在集成运算放大器中，制作晶体管工艺简单，占据单元面积小，成本低廉，所以在电路内部用量最多，晶体管除用作放大外，还可接成二极管、稳压管、电流源等。例如，利用 BJT 的发射结作为二极管，用作温度补偿或电位移动电路等。（5）集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器件工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在毫瓦以下。6.1.2 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成 集成运算放大器的内部组成框图如图 6.1.1 所示。包括 4 个基本组成部分，即输入极、输出极、中间极和偏置电路。第六章 集成运算放大器 228 图 6.1.1 集成运算放大器的内部组成框图 输入级是放大电路的第一放大级，它是提高运算放大电路质量的关键部分，要求其输入电阻高，能抑制零点漂移并具有尽可能高的共模抑制比。输入级都采用差动放大电路。中间级要进行电压放大，要求它的放大倍数高，一般由共发射级放大电路构成。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，往往还设置有过电流保护等电路，通常采用 OCL 互补对称输出电路。偏置电路的作用是为各级放大电路设置稳定而合适的静态偏置电流，它决定了各级的静态工作点，一般为电流源偏置。同时，偏置电路的电流源也经常作为放大电路的有源负载，以提高放大电路的增益等。【练习与思考】【练习与思考】6.1.1 集成运算放大器在制作工艺上有哪些特点？6.1.2 集成运算放大器有哪些主要组成部分？6.1.3 集成运算放大器常采用什么耦合方式？6.2 集成运算放大器的单元电路集成运算放大器的单元电路 在图 6.1.1 所示的集成运算放大器的组成框图中，中间放大级及输出级已在前面介绍，本节主要介绍输入级和电流源偏置电路，简单介绍中间放大级及输出级的过载保护电路。第六章 集成运算放大器 229 6.2.1 差动放大电路差动放大电路 因为集成运放是一种高增益的直接耦合放大电路，输入级的性能对整个运放性能的影响至关重要。从第二章的分析可知，直接耦合放大电路存在零点漂移问题，引起零点漂移的主要原因是温度变化导致了三极管的参数的变化，而引起电路的零点漂移，其次，电源电压的波动，电路其他参数的变化也会引起零点漂移。在多级直接耦合的放大电路中，当温度变化时，BJT 的参数CEOBEIU、也发生变化，从而引起放大电路静态工作点的变化，特别是第一级放大电路的静态工作点发生微小而有缓慢无规则的变化量，被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。当漂移量大到一定程度时，就无法与正常放大的信号加以区别，导致放大电路无法正常工作。所以抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。为了抑制零点漂移，可以采用差动放大电路。1.差动放大电路的基本形式差动放大电路的基本形式 如图 6.2.1 所示电路为差动放大电路的基本形式，也称为原理性电路。信号电压 ui1和 ui2由两个管子的基极输入，输出电压 uo由两管的集电极输出。要求理想情况下，两管特性一致，电路为对称结构。（1）零点漂移的抑制 图 6.2.1 差动放大电路原理性电路 在静态时，输入信号 ui1=ui2=0，由于电路的对称性，故 VT1、VT2的各极电流及电位都分别对应相等，即 ICQ1=ICQ2 第六章 集成运算放大器 230 U CQ1=UCQ2 故输出电压 uo=UCQ1UCQ2=0 当温度变化时，两管参数发生变化，引起两管的各级电流电位均发生变化，但由于电路的对称性其变化量一定相等，即 ICQ1=ICQ2 UCQ1=U CQ2 虽然每个管都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是相互抵消的，所以输出电压依然为零，此时 uo=（UCQ1+UCQ1）-（UCQ2+UCQ2）=0 零点漂移完全被抑制了。其实，不管是温度还是其他原因引起的漂移，只要是引起两管同样的漂移，都可以给予抑制。（2）信号输入方式 信号输入有共模输入、差模输入和比较输入三种方式。1）共模输入 如图 6.2.1 所示电路中的两个输入信号 ui1和 ui2，如果等大同相（大小相等，方向相同），即 ui1=ui2，就称为共模输入共模输入。在共模信号的作用下，由于电路的对称性，使两管的各极电流及电位的变化大小和相位也完全一样，因而输出电压等于零，所以该电路对共模信号没有放大作用，而有很强的抑制能力。实际上，对于温度变化等引起的零点漂移，若将各管集电极电位的变化量分别折合到基极便似一对共模信号，所以，差动放大电路对共模信号的抑制能力，就是抑制零点漂移的能力。2）差模输入 若输入信号等大反相（大小相等，方向相反），即 ui1=-ui2，则称为差模输入差模输入。输入差模信号时，由于 ui1、ui2等大反相，则引起两管集电极电位的变化也等大反相，即 UC1=UC2 所以 第六章 集成运算放大器 231 uo=UC1-UC2=2U C1 可见，差模输入信号作用下，差动放大电路的输出电压为单管输出电压变化量的 2 倍。即对差模信号有放大能力。3）比较输入 比较输入也叫非差非共输入。ui1和 ui2的大小不相等，极性也是任意的。对于任意一对比较信号，均可看成是一对共模信号和一对差模信号的叠加，如对于 ui1=3mV=5mV-2mV ui2=7mV=5mV+2mV 可以看成是一对 5mV 的共模信号和一对 2mV 的差模信号。由上分析可知，差动放大电路仅对差模信号给予放大，而对共模信号无放大能力。即“差动，差动，有差才动”，这也就是“差动”放大电路名称的由来。（3）存在问题 如图 6.2.1 所示差动放大电路说它为原理性电路，是由于它存在下述两个问题：1）完全抑制零点漂移是建立在电路理想对称的假设下的，电路完全对称仅是一个理想情况，实际上理想对称是不存在的。2）该电路是由两个集电极输出的，其输出电压 u o是利用两管集电极电位的共模电压同相位相互抵消而抑制零点漂移的，若负载需一端接地，只能由一个集电极输出，此时，零点漂移就无法抑制了。为了克服上述问题，常采用下面介绍的长尾式差动放大电路。2.长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路 长尾式差动放大电路也是一种典型差动放大电路，如图 6.2.2 所示。与图 6.2.1所示电路比较，多了电位器 RP、发射极电阻 Re和负电源 EE。因增加了负电源 EE，管子的偏流 IB可由它提供，故去掉了 Rb2。Re称为共模抑制电阻，Re数值愈大，对共模信号（即零点漂移）的抑制能力就愈强。对于共模信号，两管发射极电流将同时增大或减小，使 Re上的电流两倍于一只管子发射极电流的变化，从而 Re对其共模增益降低很大，大大抑制了共模信号，使其每个集电极电压变化较小。但对于差模信号而言，由于差模信号引起两管发射极电流的变化是一增一减，等大反相，所以，差模电流不流经 Re，Re对 第六章 集成运算放大器 232 差模不起作用，即 Re基本上不影响差模信号的放大效果。图 6.2.2 长尾式差动放大电路 虽然 Re愈大，抑制零点漂移的作用愈显著，但是，V CC一定时，过大的 Re会使集电极电流过小，影响静态值和电压放大倍数，另一方面也将基极电位抬高。为此，接入负电源EE来抵消 Re两端的直流压降，从而获得合适的静态工作点，保证基极静态电位值在零伏左右。因为电路完全对称是理想状况，实际上，当输入的两端接“地”时，输出电压不一定等于零，这就需要调零。RP就是用来调零的，故称为调零电位器。如图 6.2.2所示电路中，RP接到三极管的发射极，故称为发射极调零。除此之外，还有集电极调零和基极调零方式。（1）静态分析 由于电路的对称性，计算一个管子的静态值即可。图 6.2.2 所示电路的单管直流通路如图 6.2.3 所示。因 RP较小，图中将其略去。第六章 集成运算放大器 233 图 6.2.3 单管直流通路 由基极回路不难列出 IBQRb+UBEQ+2IEQRe=EE 上式中前两项一般远小于第三项，故可略去，则每管集电极电流 ICQIEQe2ERE （6.2.1）晶体管发射极电位 U EQ0 所以 IBQ=CQIeRE2E （6.2.2）UCEQVCCICQRCVCCRe2CERE （6.2.3）（2）动态分析 如图6.2.4所示电路是双端输入双端输出的差动放大电路。输入电压 ui由两个基极输入，输出电压 uo由两个集电极输出。第六章 集成运算放大器 234 图 6.2.4 双端输入双端输出的差动放大电路 由于输入电路的对称性，每只管子的输入端分得的电压各为 ui的一半，但极性相反，即 ui1=1 2 u i ui2=1 2 ui 显然，是一对差模信号。对于差模信号,两管基极电位变化等大反相，两发射极电位也一增一减，等大反相，Re对其不起作用，即 RP中点即为交流“地”电位，若忽略较小电阻 RP，则可得单管差模信号通路如图6.2.5所示。图 6.2.5 单管差模信号交流通路 由图可得出单管差模电压放大倍数：Aud1=u o1 u i1=bebCrRR （6.2.4）双端输入双端输出差动电路的差模电压放大倍数差模电压放大倍数为 第六章 集成运算放大器 235 Aud=u ou i=uo1-u o2 2u i1=Aud1=bebCrRR （6.2.5）与单管的电压放大倍数相同。可见，差动电路是为了抑制零点漂移，利用一只管子补偿了另一只管子，放大倍数没有提高。当输出端接有负载电阻 RL时，因两集电极电位一增一减，等大反相，故 RL的中点即为“地”，所以等效负载电阻 222/LCLCLLRRRRRRRC 此时电压放大倍数为 bebrRRALud （6.2.6）两输入端之间的差模输入电阻为 rid=2(Rb+rbe)（6.2.7）两集电极之间的输出电阻为 rod2RC （6.2.8）如果输入端不变，而由两个集电极输出改为由一个集电极输出时，图6.2.5所示电路就变为双端输入单端输出形式了。当双端输入单端输出时，显然，输出电压比双端输出时减半，即双端输入单端输出时的电压放大倍数为 beb21rRRALud （6.2.9）此时，等效负载电阻 LCL/RRR 输出电阻为 rodRC （6.2.10）输入电阻与双端输入双端输出方式相同，即 rid=2(Rb+rbe)（6.2.11）如果将一个输入端接地，从另一个输入端加入信号，则为单端输入方式，如图6.2.6所示电路为单端输入单端输出的差动放大电路。第六章 集成运算放大器 236 图 6.2.6 单端输入单端输出的差动放大电路 既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号吗？每只管子取得多大的信号呢？下面首先讨论这个问题。前面已讨论过，Re愈大，对共模信号即零点漂移的抑制能力也就愈强，所以，一般取的 Re值较大，远大于 Rb及 rbe之和。所以，在交流信号作用下，可视 Re开路，此时，输入回路交流等效电路如图6.2.7所示。可见对称条件下，ui的一半加在VT1的输入端，另一半加在VT2的输入端，两者极性相反，即 ui11 2 ui ui2-1 2 ui 由此可见，在单端输入的差动放大电路中，只要共模反馈电阻 Re足够大时，两管所取得的信号就可以认为是一对差模信号，也就是说，单端输入和双端输入的效果一样。图 6.2.7 Re断路时单端输入的等效输入电路 第六章 集成运算放大器 237 差动放大电路有4种输入输出方式：双端输入双端输出；双端输入单端输出；单端输入双端输出；单端输入单端输出。其动态参数如下：无论什么输入方式，均有 rid=2(Rb+r be)双端输出时，有 bebrRRALud rod2RC 式中 2/LCLRRR 单端输出时，有 beb21rRRALud 式中 LCL/RRR 电压增益的符号，可正可负，从第一支管子基极输入信号为正时，从另一支管子基极输入信号一定为负，所以，两个输入端中一个为同相输入端，一个为反相输入端。rodR C（3）共模抑制比 KCMRR 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，对差模信号应有较大的放大倍数，而对共模信号则放大倍数愈小愈好，愈小说明对零点漂移的抑制能力就愈强。实际上对共模信号也有一定的放大倍数，特别是单端输出情况，设输入的共模信号为 uiC时，输出电压为 uOC，则共模放大倍数为 icocucuuA 差模电压放大倍数 Aud与共模电压放大倍数 Auc之比，称为差动放大电路的共模抑制比共模抑制比，用 KCMRR表示，即 KCMRR=A ud A uc （6.2.12）第六章 集成运算放大器 238 或用对数形式表示：KCMR=20lgA ud A uc （6.2.13）共模抑制比可以视为有用的信号和干扰信号的对比。共模抑制比越大，差动放大电路分辨所需要的差模信号的能力越强，而受共模信号的影响越小。理想情况 KCMRR。（4）带恒流源的长尾式差动放大电路 为了提高共模抑制比，可采用的途径有：一方面是使电路参数尽量对称，另一方面可尽量加大共模反馈电阻 Re。对于单端输出的差动放大电路来说，它主要的手段是加大 Re，但 Re不可能是任意大，当大到一定程度，所需电源 EE也就过大，故 Re的值是受限的。这可以用一个直流压降不大，动态电阻很大的元件电流源来替代 Re，构成采用恒流源的长尾式差动放大电路，如图6.2.8所示。图 6.2.8 带恒流源的差动放大电路 图中VT3管和电阻321RRR、组成了三极管电流源。VT3管的基极偏置电压基本固定不变，因电路的恒流特性，所以C3I保持不变。而C2C1E2E1C3IIIII,所以C2C1II、也基本为恒定值。这种带恒流源的差动放大电路，比前面介绍的电路具有更高的共模抑制比。在高输入阻抗集成运算放大器中，常采用输入阻抗高、偏置电流小的FET差动放大电路。它的电路结构、工作原理、分析计算等与上述BJT差动放大电路的近似，在此不再赘述。例6.2.1 电 路 如 图6.2.9所 示。设KRReC10,100PbRR,第六章 集成运算放大器 239 VVCC12,VEVEEE12，5021,调 零 电 位 器PR位 于 中 间，VUBE7.0,300bbr。（1）计算差模电压放大倍数udA及共模抑制比CMRK；（2）当VUUii02.021时，求双端输出电压oU；（3）当双端输出端接入负载电阻KRL20时，求流过负载的电流LI；（4）求差模输入电阻idR和输出电阻odR分别是多少。图 6.2.9 例 6.2.1 的图 解：(1)mARRUVRRRUVIePBEQEEePbBEQEECQ56.01021.05.07.01225.0)25.0)(1(1 KIrrEQbbbe67.256.0265130026)1(所以，差模增益为 941.025167.21.010505.0)1(PbebCudRrRRA 因为电路对称，所以共模增益为 0ucA 第六章 集成运算放大器 240 共模抑制比为 CMRK(2)双端输出电压为 941.025167.21.010505.0)1(PbebCudRrRRAVUAUUAUAUiudiiudidudO76.302.0)94(22)(121(3)当双端输出端接入负载电阻KRL20时的差模增益为 475.0)1()2/(PbebLCudRrRRRA 而输入差模电压为 VUUUUiiiid04.002.022121 输出电压即负载两端的电压为 VUAUidudO88.104.047 所以，流过负载的电流为 mARUILOL094.02088.1(4)差模输入电阻为 KRrRRPbebid6.1021)1(2 差模输出电阻为 KRRCod202 例6.2.2电 路 如 图6.2.10所 示。已 知KRReC1.5,KRb10,VVCC6,VVEE6，5021,VUBE7.0，300bbr，微电流表的内阻KRM2,满偏电流为uA100。（1）当0iU时，估算CBII和各为多少？第六章 集成运算放大器 241（2）不接电流表时，双端输出的电压增益udA是多少？（3）接入电流表后，双端输出的电压增益udA是多少？（4）接入电流表后，要使其指针满偏，需要多大的输入电压iU？图 6.2.10 例 6.2.2 的图 解：（1）设0IU时，VUBQ0，则VUUBEQEQ7.0 所以 mAIIICQCQCQ52.01.527.0621 uAIIIICQBQBQBQ1021（2）KIrrEQbbbe9.252.0265130026)1(不接入电流表时的电压增益为 209.2101.550bebCudrRRA（3）接入电流表时的电压增益为 24.39.21011.511.550)2/(bebMCudrRRRA（4）电流表满偏时输出电压为 第六章 集成运算放大器 242 VRIUMMO2.021.0 需要输入电压iU为 mVAUUudOi6124.32.0 第六章 集成运算放大器 243 山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 十四 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：6.2.2 电流源电路 6.2.3 采用复合管和有源负载的中间放大级 6.2.4 输出级中的过载保护电路 6.3 典型集成运算放大器介绍 6.3.1 BJT 通用型集成运算放大器 A741 6.3.2 MOS 通用型集成运算放大器 ICL7614 6.3.3 特殊集成运算放大器 重点：电流源电路的工作原理及计算 难点：镜像电流源、微电流源电路 教学目的要求：1.掌握镜像电流源、微电流源电路工作原理及参数计算 2理解比例电流源工作原理 教学方法和教学手段：板书和多媒体教学相结合，以教师讲授为主，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.什么是镜像电流源、什么是微电流源?作业：6.5 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 2001 年 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 2001 年 第六章 集成运算放大器 244 6.2.2 电流源电路电流源电路 在模拟集成电路中，广泛使用电流源电路来作为放大电路的偏置电路以及有源负载等。下面介绍几种常见的电流源电路。1.镜像电流源镜像电流源 镜像电流源电路如图6.2.11所示。VT1和VT2两个BJT是完全对称的，两个管子的基极接在一起，VT1的基极和集电极也连接在一起。所以有 BEBEBEUUU21 BBBIII21 21CCII。图 6.2.11 镜像电流源 从图中可以看出，基准电流为 RUVIBECCREF （6.2.14）)21(211CBCREFIIII 一般，12，所以 REFCCIII12 （6.2.15）第六章 集成运算放大器 245 这说明输出电流2CI与基准电流REFI相等，我们把输出电流2CI看作是基准电流REFI的镜像，故称为镜像电流源镜像电流源。由式6.2.14可知，其大小取决于电源电压CCV和电阻R。2.比例电流源比例电流源 比例电流源如图6.2.12所示，因两管的和BEU相同，且1，所以有 22111eCeREFeCRIRIRI 即 REFeeCIRRI212 （6.2.16）显然，改变1eR和2eR的阻值，可改变2CI和REFI的比例关系。图 6.2.12 比例电流源 利用比例电流源可以构成多支路电流源如图6.2.13所示。由图可知 REFBREFCIIII01 因为各管的BEU相同，则 eREFeEeEeEeERIRIRIRIRI332211 所以 REFeeECIRRII111 （6.2.17）第六章 集成运算放大器 246 REFeeECIRRII222 （6.2.18）REFeeECIRRII333 （6.2.19）上式表明，各支路电流321CCCIII、仅取决于REFI和各电阻的比值，具有很好的恒流特性。改变各射极电阻，可获得不同比例的电流输出。图 6.2.13 多支路电流源 3.微电流源微电流源 在模拟集成电路中，器件的工作电流很小，一般在微安以下，由于很难集成大电阻，所以镜像电流源很难提供如此小的电流。如果在图6.2.2所示的电路中，取01eR即可得到产生这种微电流的电流源微电流的电流源，微电流源如图6.2.14所示。由图可知 222221eCeEBEBERIRIUU 根据二极管方程，当mVUBE100时有 eCUUSCRIeIITBE2)1(即 SCTBEIIUUln 设两三极管参数相同，TTTSSSUUUIII2121,，则 第六章 集成运算放大器 247 21221121ln)ln(lnCCTSCSCTBEBEIIUIIIIUUU 所以 2221lneCCCTRIIIU （6.2.20）当基准电流1CREFII和所需电流2CI为已知时，可以按照上式确定电阻2eR。图 6.2.14 微电流源 微电流源电路工作原理也可以简单说明如下：当1时，22122eBEBEECRUUII 式中（21BEBEUU）只有几十毫伏，甚至更小，因此2eR只要几千欧就可得到几十微安的电流2CI。微电流源电路中，因为电阻2eR引入了电流负反馈，所以提高了输出电阻，增强了输出电流2CI的稳定性等。4.威尔逊（威尔逊（Wilson）电流源）电流源 威尔逊电流源电路如图6.2.15所示。图中，321VTVTVT、的参数都相同。由图可知 C1C3C1C2REFIIIII 第六章 集成运算放大器 248 C3C3E12III 1E1C1II 联立求解上述方程有 REFREFC1)221III（6.2.21）威尔逊电流源与镜像电流源比较，多采用了一个三极管，提高了与基准电流相等的精度，同时因为引入了电流负反馈，所以提高了输出电阻，稳定了输出电流C1I，具有很好的恒流特性。电流C1I的自动稳定过程如下：12B1C2B2C3C1)(CCREFIIIIIIII 最终C1I基本不变。图 6.2.15 威尔逊电流源 例6.2.3 电路如图6.2.16所示，设三极管VT1和VT2的参数完全相同且值足够大。（1）VT1、VT2和R组成什么电路？（2）2CI与RI有什么关系？写出2CI的表达式。第六章 集成运算放大器 249 图 6.2.16 例 6.2.3 的图 解：（1）VT1、VT2和R组成镜像电流源，作为放大管VT3的集电极有源负载。（2）2CI与RI存在镜像关系，所以 RUVIIBECCRC12 例6.2.4 如图6.2.14所示的电流源中，已知VV15CC,两管特性对称且1，VU6.0BE。若要求uAI5C2，试确定电阻R和Re2的大小。解：这是一个电路设计问题，据式6.2.20 2221lneCCCTRIIIU 选取 uAIIICC2505021REF 则 KIURREFBE6.5725.06.015VCC KIIIURCREFCT34.20005.025.0ln005.026ln22e2 取标称值KRR20,57Ke2。第六章 集成运算放大器 250 6.2.3 采用复合管和有源负载的中间放大级采用复合管和有源负载的中间放大级 运算放大器中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，所以要求这一级不仅有高的电压放大倍数，同时为了减少对前级的影响，还应有较高的输入电阻。中间级经常利用三极管作为有源负载以提高增益，同时，有些集成运放的中间级放大管采用复合管复合管的结构形式，如图6.2.17所示。显然图6.2.17所示电路为共射极放大电路。其中三极管VT1和VT2构成复合管，复合管的2121,beberr，从而电压增益和输入电阻都比较大。而三极管VT3和VT4构成镜像电流源，其电流C3I作为复合管的集电极有源负载，进一步提高中间级的电压增益。图 6.2.17 采用复合管和有源负载的共射放大中间级 6.2.4 输出级中的过载保护电路输出级中的过载保护电路 在集成运放的输出级，通常有过载保护电路，它的作用是当负载电流超过规定值时，保护输出级的功率管，以保证安全。常用的过载保护电路有二极管保护电路和三极管保护电路等。1.二极管过载保护电路二极管过载保护电路 二极管过载保护电路如图6.2.18所示。甲乙类OCL互补对称电路中接入二极管3VD、4VD和电阻21ReeR、组成过载保护电路。当输出正常电流时，二极管3VD、4VD均截止，不起作用，电路OCL互补输出。若流过三极管1VT的电流过大，则 第六章 集成运算放大器 251 电阻1Re上压降升高而使得二极管3VD导通，流过三极管1VT基极的电流一部分被分流到3VD，3VD的导通限制了1VT基极电流的增加，从而保护了三极管1VT。同理，若流过三极管2VT的电流过大，则电阻2Re上压降升高而使得二极管4VD导通，流过三极管2VT基极的电流一部分被分流到4VD，4VD的导通限制了2VT基极电流的增加，从而保护了三极管2VT。图 6.2.18 二极管过载保护电路 2.三极管过载保护电路三极管过载保护电路 三极管过载保护电路如图6.2.19所示。三极管3VT、4VT和电阻21ReeR、组成过载保护电路。保护原理基本上同二极管保护电路，若流过三极管1VT的电流过大，则电阻1Re上压降升高而使得3VT导通，流过三极管1VT基极的电流一部分被分流，使得1VT基极电流减小，从而保护了三极管1VT。同理，若流过三极管2VT的电流过大，则电阻2Re上压降升高而使得二极管4VT导通，流过三极管2VT基极电流减小，从而保护了三极管2VT。第六章 集成运算放大器 252 图 6.2.19 三极管过载保护电路 假设上面两电路中二极管的导通压降DU和三极管导通时的BEU都为0.7V，由上述二电路可知，当取eeeRRR21时，允许通过功率管1VT、2VT的最大输出电流约为 eEmRVI7.0 （6.2.22）由上式可见，电阻eR越大，则EmI就越小。另外，上式还表明：上述二电路中，由于温度升高时，其DU或BEU随温度的增高而减小，EmI也随之减小，因此，在温度升高时，电路可自动减小保护动作电流，更有利于保护在高温条件下工作的集成运放。【练习与思考】【练习与思考】6.2.1 什么是共模信号、差模信号？6.2.2 对于如图6.2.2所示的长尾式差动放大电路，RE是否越大越好？6.2.3 什么是共模增益、差模增益、共模抑制比？6.2.4 差动放大电路共有多少种输入输出方式？分别是什么？6.2.5 何为同相输入端和反相输入端？6.2.6 如果某差动放大电路的两输入端接入信号分别为mVui71,mVui32,第六章 集成运算放大器 253 求差模输入信号idu和共模输入信号icu分别是多少？6.2.7 电流源在模拟集成电路中经常起什么作用？为什么用它作为放大器的有源负载？6.2.8 集成运放经常采用的过载保护有哪些？6.3 典型集成运算放大器介绍典型集成运算放大器介绍 多年来，集成运算放大器一直向着高精度、高速度、多功能的方向发展。早期的运放全部由BJT构成，随后又出现了MOS集成运放以及电流模型集成运放。在了解集成运放基本组成的基础上，本节首先简要地介绍A741和ICL7614两种典型的通用型集成运算放大器，然后又介绍了特殊的集成运算放大器。6.3.1 BJT 通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器 A741 通用型集成运放A741的内部原理电路如图6.3.1所示。它由偏置电路、输入级、中间级和输出级四部分组成。1.偏置电路偏置电路 A741的偏置电路主要由VT8VT13、R5和R4等组成，如图6.3.2所示。主偏置电路的基准电流为 51112)(RUUVVIBEBEEECCREF 其他电流源均与该基准电流有关。VT10、R4和VT11等组成微电流源，VT8和VT9组成镜像电流源，为差动输入级放大电路提供偏置电流。VT12和VT13组成双支路电流源，其中VT13管是双集电极三极管，其集电极电流IC13A作为输出级的偏置电流，而IC13B作为中间级的有源负载。2.输入级输入级 VT1、VT2和VT3、VT4管组成共集-共基复合差动输入电路，为双端输入单端输出形式，从VT1、VT2两基极输入，从VT4的集电极输出送到VT16管的基极（中间级）。其中VT1和VT2管作为射极输出器，输入电阻高。VT3和VT4管是横向PNP管，发射极反向击穿电压高，可使输入差模信号电压达到30V以上，同时，VT5 第六章 集成运算放大器 254 和VT6管组成镜像电流源，分别作为VT3和VT4管的集电极有源负载，可以得到很高的电压增益。而且共基极接法还使频率响应得到改善。三极管VT7与2R组成射极输出器，一方面向恒流管VT5和VT6提供偏流，同时将VT3集电极的电压变化传递到VT6管的基极，使在单端输出条件下仍能得到相当于双端输出的电压放大倍数。设在VT1和VT2管的两基极输入差模信号，则有对称性可知 43CCii 又VT5和VT6管组成镜像电流源，所以 653CCCiii 因此 46412CCCoiiii 即单端输出方式得到了双端输出的电流。由于657BBBIII,因此，接入VT7还使VT3和VT4管的集电极负载趋于平衡。由图6.3.1可见，恒流源4,3910IIICC，假设由于温度升高使1CI和2CI增大，则8CI也增大，而镜像电流9CI也随之增大。因为10CI是一个恒定电流，所以4,3I减小，从而3CI和4CI也减小，保持1CI和2CI的稳定。可见，这种接法组成了一个共模负反馈，减小了温漂，提高了共模抑制比。输入级的增益约50dB。另外，在65VTVT、和负电源EEV的两发射极之间可以外接调零电位器PR以保持输入级的对称。3.中间级中间级 如图6.3.1所示，中间级由1716VTVT、和76RR、等元件组成。其中1716VTVT和是复合管，其输入电阻很大，对前级影响很小。恒流源13VT作为复合管的有源负载，使中间级的增益达到55dB。电容C的作用是为了防止产生自激振荡。第六章 集成运算放大器 255 4.输出级输出级 14VT和20VT管组成互补对称输出级，1918VTVT、和8R为其提供静态偏置以克服交越失真。915RVT、1021RVT、和23VT组成三极管过载保护电路。24VT组成射极输出器为输出推动级，为互补输出提供较大的基极推动电流。输出级的电压增益为0dB，运放总的增益为105dB左右。图 6.3.1 A741 的内部原理电路 图 6.3.2 A741 的电流源电路 VT1 VT2 R2 VT8 VT9VT12VT13VT14 VT3 VT4 VT7 VT5 VT6 VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19 VT20 R3 R1 R7R4R5R8R10 R9 R12R1150k 1k 1k 7.5k4.5k50k5k5039k50 25 C130pF3 5 2 1 4-VEE-15V6 第六章 集成运算放大器 256 通用型集成运放A741有圆壳式和双列直插式两种外形，它有8个外引脚，外引线排列图如图6.3.3所示。其中8个管脚中有7个与外电路相连，第8管脚为空脚，外接调零电位器PR（通常为10K）的两个端子接1和5管脚，中间抽头接第4脚，2脚为反向输入端，3脚为同向输入端，6脚为输出端，7脚为正电源端，4脚为负电源端。（a）圆壳式 （b）双列直插式 图 6.3.3 A741 的外引线排列图 由上分析可知，A741完全是由BJT器件构成，所以称为BJT运放。集成BJT运放型号很多，还有双运放（2个运放集成于一个芯片）和四运放（4个运放集成于一个芯片），如LM系列的LM324、LM358等等。BJT运放应用非常广泛。6.3.2 MOS 通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器 ICL7614 由于MOS器件具有工艺简单，集成度高，输入阻抗高，功耗低，抗辐射能力强，价格低等突出优点，在中大规模和超大规模集成电路中起到了很大作用。特别是随着MOS工艺的改进，逐步克服了MOS管因跨导小导致运放增益低、因匹配性差导致运放的失调电压较高、低频噪声大等缺点，制造出性能与BJT产品相当的MOS集成运放，得到了推广使用。CMOS运放由NMOS和PMOS互补器件 第六章 集成运算放大器 257 组成，更具有线性度好，温度特性较好、电路结构简单等优点，而且可以把BJ