第三章

集成運算放大電路一、概述二、集成運放中的電流源電路三、集成運放電路分析四、集成運放的主要性能指標五、集成運放的種類（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）用復雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路復雜并不增加制作工序。（3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4）采用復合管。

一、

集成運放的特點集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。3.1概述二、

集成運放電路的組成兩個輸入端一個輸出端

若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。集成運放電路四個組成部分的作用輸入級：前置級，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：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。三、

集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)

由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(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，集成運放的輸出不是＋UOM,就是－UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。一、單管電流源電路1、電路結構形式 由一個晶體管和相應的電阻組成的電流源電路。2、工作原理 如圖所示，合理選擇電路參數(shù)，使得電路滿足：IR1>>IB，電阻R2上的電壓為3.2集成運放的電流源電路晶體管發(fā)射極電流為由于IC=IE，從晶體管集電極來看，該電路可以等效為一個電流源。3、單管電流源電路的動態(tài)電阻求該電路動態(tài)電阻，作出其微變等效電路。電流源的動態(tài)電阻是相當大的。只要晶體管工作在放大狀態(tài)，該電路就是一個較為理想的恒流源電路。二、鏡像電流源電路1、電路結構形式 可分為基本鏡像電流源電路和改進型鏡像電流源電路。2、工作原理分析

T1與T2特性完全相同，則：IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC由于T1的UBE=UCE，故處于臨界放大狀態(tài)，滿足IC1=βIB1。3、電路特點

優(yōu)點：是電路結構簡單，且具有一定的溫度補償作用； 缺點：不能實現(xiàn)輸出電流與基準電流之間的比例調(diào)節(jié)。對于確定的電源電壓，當要求輸出電流較小時，必須增大電阻R的數(shù)值，這在某些情況下實現(xiàn)起來并不方便。三、比例電流源電路

---實現(xiàn)輸出電流與基準電流之間的比例調(diào)節(jié)1、電路結構形式2、工作原理分析

由右圖可得UBE1+IE1RE1=UBE2+IE2RE∵UBE1=UBE2∴IE1RE1≈IE2RE2當β>>1時，有

IE1≈IC1≈IR，IE2≈IC2則：

四、微電流源電路1、電路結構形式----要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。

2、工作原理分析 右圖可見，T2管的發(fā)射極電流為

T1、T2特性完全相同，則有 當β>>1時，有IE1≈IR，IE2≈IC2

則

基準電流為五、改進型電流源電路1、加射隨器隔離的電流源1）電路結構特點 在鏡像電流源T1管的集電極與基極之間加一只從射極輸出的晶體管T3。利用T3的電流放大作用，減小了基極電流IB1和IB2對基準電流IR的分流作用。2）工作原理分析 由于三個晶體管特性完全相同，則有β1=β2=β3=β，而由于UBE1=UBE2，IB1=IB2=IB，因此有

整理后可得：

即使β很小，也可以使輸出電流與基準電流保持很好的鏡像關系。 在實際電路中，有時在T1和T2管的基極與地之間加電阻RE3，用來增大T3管的工作電流，此時T3管發(fā)射極電流為2、負反饋型電流源--威爾遜電流源 由于三個晶體管特性完全相同，則有β1=β2=β3=β，由圖可得IC1=IC2IE3=IC3+IB3求解可得六、多路電流源電路1、基于鏡像電流源的多路電流源電路之一。2、基于微電流源的多路電流源電路

IRRE1≈IC2RE2≈IC3RE3

因此，當基準電流確定以后，只要選擇合適的各發(fā)射極電阻，即可得到所需要的輸出電流。3、多集電極管的多路電流源電路T通常為橫向PNP型管，當IB一定時，各集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。設各集電區(qū)的面積分別為S1、S2、S3。則有：

使用中通過R值調(diào)節(jié)IB值。分析電路可得：

4、MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。

MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長比。設寬長比W/L=S，且T1～T4的寬長比分別為S0、S1、S2、S3，則基準電流七、電流源電路作為有源負載

（1）用于共射放大電路哪只管子為放大管？其集電結靜態(tài)電流約為多少？靜態(tài)時UIQ為多少？（2）用于差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時iO約為多少？④動態(tài)時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的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動態(tài)：一、零點漂移現(xiàn)象零點漂移：當輸入信號為零時，輸出信號是一個隨時變化、漂移不定的非零信號。環(huán)境溫度變化、電源電壓的波動、器件老化等引起零點漂移。而溫度變化是引起零點飄移的主要因素---溫漂。抑制溫漂的主要方法：1、利用熱敏電阻等，進行溫度補償。2、采用負反饋的方法穩(wěn)定靜態(tài)工作點。3、采用具有對稱性的差動放大電路時抑制零點飄移的有效方法之一。8.3差動放大電路二、基本差動放大電路1、電路組成 特點是電路結構的對稱性； 左右兩邊各為一個直接耦合的共射基本放大電路。當輸入信號為零時，電路可以重畫如右圖所示。若環(huán)境溫度變化，由于電路的對稱性，溫度變化使得IB1(IC1)、IB2(IC2)產(chǎn)生相同的增量，此時，兩管集電極電壓增量也相同。由Uo=UC1-UC2可見，無論環(huán)境溫度如何變化，輸出電壓保持零值不變。2、抑制零點飄移的工作原理在正常輸入信號下，ui對于T1、T2的基極電流影響相反。例如：若ui增大，IB1、IC1增大，uC1減小；而IB2、IC2減小，uC2增加；

uC1≠uC2，uo=uC1-uC2。3、主要性能指標

兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。(1)共模信號:ui1=ui2大小相等、極性相同

差動電路抑制共模信號能力的大小，反映了它對零點漂移的抑制水平。兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，(2)

差模信號:

ui1=–ui2大小相等、極性相反uo=(VC1－

VC1

)－(VC2+

VC１)=－2

VC1即對差模信號有放大能力。(3)比較輸入：

ui1、ui2大小和極性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號差模信號

放大器只放大兩個輸入信號的差值信號—差動放大電路。這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。

(4)差模放大倍數(shù)(5)共模放大倍數(shù)(6)共模抑制比三、長尾式差動放大電路1、靜態(tài)分析 令ui1=ui2=0時，由圖可得:忽略前兩項：1）差模電壓放大倍數(shù) 考慮到電路的對稱性，rbe1=rbe2，令:則有2、動態(tài)分析差模電壓放大倍數(shù)

差動放大電路，在輸入共模電壓時，ui1=ui2=uic，可作出共模等效電路。由下圖可得由于所以，在理想對稱條件下uoc=0即2、共模電壓放大倍數(shù)3、共模抑制比

在理想對稱條件下，由于Auc=0，所以為無窮大。4、差模輸入電阻

由下圖可得5、輸出電阻 按照輸出電阻的定義，做出其等效電路，則有Ro=2RC四、差動放大電路的進一步改進形式1、具有恒流源的差動放大電路

采用恒流源代替長尾式差動放大電路中的電阻RE。

若UR2>>UBE3，則可以認為IC3為一恒定電流。2、具有調(diào)零功能的差動放大電路發(fā)射極調(diào)零電路。集電極調(diào)零電路。注意：差動放大電路的調(diào)零不可能跟蹤溫度的變化，因而不能消除溫漂，只能克服失調(diào)。五、差動放大電路的傳輸特性實驗及分析均表明：在靜態(tài)工作點附近，●當|uid|<UT時，uod與uid的關系是線性的，其斜率是差模放大倍數(shù)，這是差動放大電路的線性工作區(qū)?！癞攟uid|>4UT時，傳輸特性出現(xiàn)明顯的彎曲，而后趨于水平。這說明差動放大電路在大信號輸入時，具有良好的限幅特性。差分放大電路的四種接法

在實際應用時，信號源需要有“接地”點，以避免干擾；或負載需要有“接地”點，以安全工作。

根據(jù)信號源和負載的接地情況，差分放大電路有四種接法：六、差動放大電路舉例1、雙端輸入、雙端輸出電路；2、雙端輸入、單端輸出電路；3、單端輸入、雙端輸出電路；4、單端輸入、單端輸出電路。1.雙端輸入雙端輸出：2.雙端輸入單端輸出：1）Q點分析

由于輸入回路沒有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時一樣。,但是UCEQ1≠UCEQ2。

由于輸入回路沒有變化，所以IEQ、IBQ、ICQ與雙端輸出時一樣。,但是UCEQ1≠UCEQ2。2）動態(tài)分析

3.單端輸入雙端輸出共模輸入電壓差模輸入電壓輸入差模信號的同時總是伴隨著共模信號輸入：單端輸入雙端輸出差模輸出共模輸出1)靜態(tài)工作點2)動態(tài)參數(shù)與雙端輸入雙端輸出電路完全相同4.單端輸入單端輸出1)靜態(tài)工作點2)動態(tài)參數(shù)與雙端輸入單端輸出電路完全相同4.四種接法的比較：電路參數(shù)理想對稱條件下輸入方式：Ri均為2(Rb+rbe)；雙端輸入時無共模信號輸入，單端輸入時有共模信號輸入。輸出方式：Q點、Ad、Ac、KCMR、Ro均與之有關。例：一雙端輸入單端輸出放大電路如圖所示，T1與T2特性完全相同，試求：（1）電路的靜態(tài)工作電流ICQ1、ICQ2及電壓UCEQ1、UCEQ2；（2）差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、輸出電阻、共模電壓放大倍數(shù)、共模抑制比；

解：（1）作直流通道，分析靜態(tài)工作點。（2）動態(tài)參數(shù)分析

由于輸入回路對稱，在差模信號作用下，發(fā)射極交流接地。

共模信號作用時，恒流源的等效電阻為R’E則共模輸出電壓為共模放大倍數(shù)

共模抑制比

通用型集成運放F007(LM741)：第二代集成運放的代表3.4集成運算放大器一、偏置電路流過R5中的電流為基準電流，則有T10與T11構成微電源，T12與T13構成基本鏡像電路T8與T9構成基本鏡像電路，因為

所以二、中間級中間級是以T16與T17成的復合管為放大管，所形成的共射放大電路，具有很強的放大能力。三、輸出級輸出級是準互補電路，T18和T19復合而成的PNP型管與NPN型管T14構成互補形式，為了彌補它們的非對稱性。在發(fā)射極加了兩個阻值不同的電阻R8和R9。

R6和R7和T15構成UBE倍增電路，為輸出級設置合適的靜態(tài)工作點，以消除交越失真。D1和D2、R8和R9共同構成過流保護電路。T14導通時R7上的電壓與二極管D1上的電壓之和等于T14管b-e間電壓與R9上電壓之和，即uR7+uD1=uBE14+ioR9 當io未超過額定值時，uD1<Uon，D1截至；而當io過大時，R9上電壓過大使D1導通，為T14的基極分流，從而限制了T14的發(fā)射極電流，保護了T14管。同理，D2對T18、T19管也具有保護功能。四、主要技術指標1、輸人失調(diào)電壓UIO及輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)主要反映運放輸入極差動電路的對稱性。2、失調(diào)的溫漂 在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，UIO、IIO隨溫度的平均變化率稱之為失調(diào)電壓、電流溫漂，分別用表示。

3、輸入偏置電流IIB

4、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)5、共模抑制比6、差模輸入電阻、輸出電阻7、帶寬 運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)下降到直流電壓放大倍數(shù)的0.707倍時所對應的頻帶寬度，稱之為運放的-3dB帶寬，用BW表示。

8、輸入電壓范圍兩個輸入端之間能承受的最大電壓差，稱之為最大差模輸入電壓，用UIdmax表示。9、轉換速率 轉換速率是指運放在額定輸出電壓下，輸出電壓的最大變化率，即定義：五、低頻等效電路在低頻小信號下應用時，若僅分析對輸入差模電壓的放大作用，可以等效電路來描述集成運放。一、理想運放的條件與符號理想化的條件： 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞； 差模輸入電阻rid→∞； 開環(huán)輸出電阻Ro→0； 共模抑制比KCMR→∞；3.5集成運放的簡單應用電路虛短 當集成運放工作在線性區(qū)，輸出電壓為有限值，則差模輸入電壓虛斷 由于差模輸入電阻趨于無窮大，因而流進集成運放輸入端的電流也就趨于零，即理想運放的兩個特點：二、

同相比例器信號由同相端輸入，要求兩邊的輸入回路參數(shù)對稱以減小誤差，所以R=R1//Rf。

1、據(jù)“虛斷”，有

2、據(jù)“虛短”，有由此得出電路的電壓放大倍數(shù)電壓跟隨器 如果令Rf→0，R1→∞，則構成了電壓跟隨器。此時電壓放大倍數(shù)三、反相比例器1、據(jù)“虛斷”，有

2、據(jù)“虛短”，有電壓放大倍數(shù)四、兩級放大電路R1、R2、R3和A1組成同相比例器；R4、R5、R6和A2組成同相比例器。 則可得本章小結電流源電路 電流源電路的基本形式是鏡像電流源，當對輸出電流的精度要求較高或要求輸出微電流時，可采用各種改進型的電流源電路。差動放大電路 差動放大電路事實上是利用電路結構的對稱性進行溫度補償，來提高電路抑制溫漂的能力。長尾式電路及恒流源電路的引入進一步提高了差動放大電路的共模抑制能力。差動放大電路的主要技術指標有：Aud、Auc、KCMR等。集成運算放大器 集成運放是一種高性能的直接耦合放大電路，從外部看，可以等效成雙端輸入單端輸出的差動放大電路。集成運放通常由輸入級，中間級，輸出級和偏置電路等四部分組成。輸入級多采用差動放大電路；中間級為共發(fā)射極放大電路；輸出級為互補對稱射極跟隨器；電流源電路不僅作為偏置電路而且作為有源負載，從而大大提高了運放的增益。同相比例器和反相比例器是集成運放最基本的應用電路之一。

本章討論頻率響應的概念,晶體管的高頻等效模型，場效應管的高頻等效模型,單管放大電路的頻率響應以及多級放大電路的頻率響應。2、單管共射放大電路混合π模型等效電路圖、頻率響應的表達式及波特圖繪制。1、晶體管、場效應管的混合π模型。第四章放大電路的頻率響應重點：1.研究的問題：放大電路對信號頻率的適應程度，即信號頻率對放大倍數(shù)的影響。由于放大電路中耦合電容、旁路電容、半導體器件極間電容的存在，使放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)。在使用一個放大電路時應了解其信號頻率的適用范圍，在設計放大電路時，應滿足信號頻率的范圍要求。4.1頻率響應的概念

2.RC電路的頻率響應

（1）高通電路:信號頻率越高，輸出電壓越接近輸入電壓。（1）高通電路：頻率響應fL低頻段放大倍數(shù)表達式的特點？下限截止頻率的特征？f>>fL時放大倍數(shù)約為1（2）低通電路:

信號頻率越低，輸出電壓越接近輸入電壓。（2）低通電路：頻率響應fH低頻段放大倍數(shù)表達式的特點？上限截止頻率的特征？f<<fH時放大倍數(shù)約為1（3）幾個結論①電路低頻段的放大倍數(shù)需乘因子②當f=fL時放大倍數(shù)幅值約降到0.707倍，相角超前45o；當f=fH時放大倍數(shù)幅值也約降到0.707倍，相角滯后45o。③截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)電路高頻段的放大倍數(shù)需乘因子④頻率響應有幅頻特性和相頻特性兩條曲線。二、放大電路的頻率參數(shù)

在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。高通電路低通電路

在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。下限頻率上限頻率

在中頻區(qū)各種電容的影響均可以忽略不計，電壓放大倍數(shù)Au基本上不隨信號頻率而變化，保持常數(shù)。1.頻率響應

放大電路的電壓放大倍數(shù)Au是頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關系稱為放大電路的頻率響應或頻率特性。Au(f)表示電壓放大倍數(shù)的模與頻率f的關系，稱為幅頻響應。φ(f)表示放大電路輸出電壓與輸入電壓之間的相位差與頻率f的關系，稱為相頻響應。放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。2.通頻帶

在繪制頻率響應曲線時，常常采用對數(shù)坐標。幅頻特性的縱坐標為，單位為分貝（dB）。

相頻特性的縱坐標仍為φ，不取對數(shù)。這時得到的頻率響應曲線稱為對數(shù)頻率響應或波特圖。

在波特圖中，放大器的下限頻率fL和上限頻率fH也就是中頻電壓增益下降3dB時所對應的兩個頻率。3.幅頻失真和相頻失真

放大器不能使不同頻率的信號得到同樣的放大，使輸出波形產(chǎn)生失真，這種失真稱為頻率失真，又稱為線性失真。頻率失真又包括幅度失真和相位失真。

幅度失真：是由于放大器對不同頻率信號的放大倍數(shù)不同而引起輸出波形產(chǎn)生的失真。相位失真：是由于放大器對不同頻率信號的相位移不同而引起輸出波形產(chǎn)生的失真。

1.

混合π模型：形狀像Π，參數(shù)量綱各不相同結構：由體電阻、結電阻、結電容組成。rbb’：基區(qū)體電阻rb’e’：發(fā)射結電阻Cπ：發(fā)射結電容re：發(fā)射區(qū)體電阻rb’c’：集電結電阻Cμ：集電結電容rc：集電區(qū)體電阻因多子濃度高而阻值小因面積大而阻值小4.2晶體三極管的高頻等效模型

1）完整的混合

模型

---忽略小電阻，考慮集電極電流的受控關系因在放大區(qū)iC幾乎僅決定于iB而阻值大因在放大區(qū)承受反向電壓而阻值大2）簡化的混合模型

---忽略大電阻的分流Cμ連接了輸入回路和輸出回路，引入了反饋，信號傳遞有兩個方向，使電路的分析復雜化?；旌夕心Ｐ偷膯蜗蚧词剐盘枂蜗騻鬟f）等效變換后電流不變晶體管簡化的高頻等效電路＝？4.3

單管共發(fā)射極放大電路的頻率響應分析單管共射放大電路的頻率響應：

畫出混合晶體管混合π型等效模型式中

1、中頻電壓放大倍數(shù)Ausm2、低頻電壓放大倍數(shù)Ausl1）考慮C1對低頻段頻率響應的影響（等效電路如圖b）所示：在低頻區(qū)，由于容抗變大，則并聯(lián)的極間電容可忽略不計，視為開路，但耦合電容和旁路電容的影響應予以考慮，其等效電路如圖（a）所示。并令低頻段頻率響應分析：中頻段20dB/十倍頻由上面的推導可以看出，fL1與C1所在回路的時間常數(shù)成反比。同理，當只考慮C2的影響時，可以得出其下限截止頻率fL2為

2）考慮C2對低頻段頻率響應的影響：3）對分壓式偏置放大電路來說，還應考慮射極旁路電容Ce的影響。下限截止頻率fL3為：

在高頻區(qū)，由于容抗變小，則耦合電容和旁路電容可忽略不計，視為短路，但并聯(lián)的極間電容的影響應予以考慮，其等效電路如圖（a）所示。由于所在回路的時間常數(shù)比輸入回路Cπ的時間常數(shù)小得多，所以將C’μ忽略不計，如圖（b）所示。3、高頻電壓放大倍數(shù)Aush

高頻電壓放大倍數(shù)并令高頻段頻率響應分析：4、完整的頻率響應放大倍數(shù)在全部頻率范圍內(nèi)的表達式：單管共射放大電路的頻率響應（a）幅頻響應（b）相頻響應四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL

和

fH

；2.由三段直線構成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg

低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；

高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構成相頻特性。幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO

五、放大電路頻率響應的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應，應降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得

fL

＝0。2.為了改善單管放大電路的高頻特性，應增大上限頻率fH。3.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。說明：式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb

和Cb

c

的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，若將放大倍數(shù)提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb

和Cb

c

均小的高頻三極管。當提高增益時，帶寬將變窄；反之，增益降低，帶寬將變寬。4.4多級放大電路的頻率響應一、多級放大電路頻率特性的定性分析多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：1、對數(shù)幅頻特性為：

在多級放大電路中含有多個放大管，因而在高頻等效電路中有多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。6dB3dBfLfH≈0.643fH1fL>fL1，fH<fH1，頻帶變窄！兩級放大電路的波特圖：一個兩級放大電路每一級具有相同的頻率響應，則幅頻特性如圖所示。≈1.56fL1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO

-540o-180o-450o-90o一級二級多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。多級放大電路的總相位移為：二、多級放大電路的上限頻率和下限頻