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内容提要:在各类电子仪器和设备中,集成运算放大电路是应用最为普遍的电

子器件之一。本章从集成运算放大电路的基本组成入手,介绍集成运算

放大电路的各组成部分的结构特点及工作原理,以及集成运算放大电路

的主要性能指标参数,并简要介绍几种通用型集成运算放大器件。最后

引入了理想运放模型的概念,以及理想运放工作在线性区和非线性区的

特点。

学习目标与重点:• 了解集成运算放大电路的特点及主要技术指标,集成运算放大电

路的调零电路和保护电路;

• 掌握集成运算放大电路的基本组成以及各部分的作用;

• 熟悉集成运算放大电路中的电流源电路和差分放大电路;

• 理解理想运放的概念及其主要技术指标,熟练掌握理想运放工作

在线性区及非线性区的特点。

应用导入:用集成电路组成的放大电路既简单又可靠。连接一个音频放大电路,使用二十几个元

件和几十根导线,好不容易连接好了。调节了

好大一会儿,电路总算正常工作了,可是总有

杂音。又花费了好长时间才找出故障的原因,是接触不良。

用音频放大集成电路TDA1514就简单多

了,只接了几个元件就连接好了,不需要任何

调节,接好电源电路就能正常工作。使用集成

电路真方便呀!

第3章集成运算放大电路

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3.1 集成运算放大电路概述

集成电路(IntegratedCircuit,IC)是采用一定的生产工艺把一个电路中所需的三极管、场效应管、二极管、电阻等元件及它们之间的连线集成在一块半导体基片上,然后封装在一

个管壳内,成为一个完整的具有所需电路功能的器件。集成电路按其功能来划分,有模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路用来产生、

放大和处理各种模拟信号;数字集成电路用来产生、处理各种数字信号。模拟集成电包括运算放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环和其他模拟集成电

路等,其中运算放大器是应用最为广泛的集成电路。

1.集成运算放大器的特点

集成运算放大器具有高电压增益、高输入电阻、低输出电阻、零点漂移小的特点。(1)集成运算放大器级间采用直接耦合方式。由于集成电路中的电容是用PN结的结

电容构成的,所以只能制作几十皮法以下的小电容,因此,集成运放各级之间只能采用直接

耦合方式。(2)采用对称结构改善电路性能。电路中的元器件是在相同的工艺条件下制造的,邻

近的器件具有良好的一致性和同向偏差,因此,特别有利于实现对称结构的电路,抑制温度

漂移,有效地克服了直接耦合带来的零点漂移。(3)有源器件取代无源器件。用晶体管代替高阻值(几百千欧以上)电阻,因为大阻值

电阻占用硅片面积很大,而晶体管占用硅片面积很小,更能有效地利用硅片资源。(4)在模拟集成电路中,电流源被广泛应用。一方面,电流源可以作为偏置电路,为各

级提供小而稳定的偏置电流;另一方面,电流源可以作为动态电阻很大的有源负载,提高放

大电路的放大倍数。

2.集成运算放大电路的符号

集成运算放大器的国标符号如图3.1(a)所示,图3.1(b)为集成运放的通用符号。集成运放有两个输入端,一个输出端。图中标有“+”的输入端为同相输入端,该输入端

信号的相位与输出信号的相位相同;标有“-”的输入端为反相输入端,该输入端信号的相

位与输出信号的相位相反。集成运放的供电方式有双电源供电和单电源供电两种。双电源供电是指正电源+VCC

和负电源-VCC同时供电,如图3.2(a)所示;单电源供电是指集成运放电源端一端接电源,另一端接地,如图3.2(b)所示。

图3.1 集成运放的符号

图3.2 集成运放的供电方式

3.差模信号与共模信号

集成运放有两个输入端,输入信号加到两个输入端上,可以视为在同相输入端和地之

模拟电子技术基础

88

间,以及在反相输入端和地之间各接入一个信号,即接入一对输入信号。如果它们是一对电

压大小相等,方向相反的信号,称为差模信号,如图3.3(a)所示;如果它们是一对电压大小

相等,方向相同的信号,称为共模信号,如图3.3(b)所示。如果它们是一对电压大小不相等

的信号,可以视为差模信号与共模信号的叠加。例如,加到同相输入端的信号为uI1=+10mV,加到反相输入端的信号为uI2=-4mV,

可将其分解为差模信号与共模信号组合。差模信号为

uId =±(uI1-uI2)/2=±[10-(-4)]/2=±7mV 共模信号为

uIc= (uI1+uI2)/2= [10+(-4)]/2=3mV如图3.3(c)所示。

图3.3 差模信号与共模信号

4.集成运放的主要性能指标

1)开环差模电压增益Aod

开环差模电压增益Aod是表示运放在无反馈情况下的差模电压放大倍数。定义为集成

运放工作在线性区时,输出电压与差模输入电压之比,一般用对数表示,单位为分贝,即

Aod =20lg ΔuoΔu+-Δu-

(3.1)

一般运放的Aod在60~140dB。

2)差模输入电阻rid和差模输出电阻rod差模输入电阻rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。它定义为差模输入电压uId与

相应的输入电流iId的变化量之比,即

rid =ΔuIdΔiId(3.2)

差模输入电阻用以衡量集成运放从信号源索取电流的大小。rid越大,对信号源或前级

电路的影响越小。一般集成运放的差模输入电阻为几兆欧。

rod为集成运放的交流等效输出电阻,rod越小,表明运放带载能力越强。一般运放的rod为几十欧姆(Ω)。

3)共模抑制比KCMR

共模抑制比KCMR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值,即

KCMR = Aod

Aoc(3.3)

常用分贝表示,为20lgKCMR。共模抑制比表明运放对差模信号的放大能力和对共模信号的

抑制能力,KCMR越大,运放的性能越好,一般通用型运放KCMR为80~120dB。


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4)最大共模输入电压UIcm

最大共模输入电压是指运放允许输入的最大共模输入电压,超过此值时共模抑制比将

明显下降。

5)最大差模输入电压UIdm

最大差模输入电压是输入差模电压的极限值,当差模输入电压超过此值时,将导致输入

级差分对管中的一个管子的发射结可能被反向击穿。

6)输入偏置电流IIBIIB是指当输出电压等于零时,运放两输入端偏置电流的平均值,即

IIB = 12(IB1+IB2) (3.4)

IIB相当于IB1和IB2中的共模成分,将影响运放的温漂,因此,该参数越小越好。

7)输入失调电流IIO和输入失调电压UIO

输入失调电流IIO是指运放静态输出电压为零时,两输入端偏置电流之差的绝对值,即

IIO = IB1-IB2 (3.5)

输入失调电流用以描述差分对管输入电流的不对称情况。由于信号源内阻的存在,IIO会转换为一个输入电压,使运放静态时输出电压不为零。

输入失调电压UIO是指为了使输出电压为零,在输入端所需要加的补偿电压。

IIO和UIO越小表明运放输入级对称性越好。

8)上限截止频率fH 与单位增益带宽fC

上限截止频率fH 是指当运放差模增益下降3dB时的信号频率。由于运放的级数很

多,故fH 一般很低,通用型运放只有十几到几百赫兹(Hz)。单位增益带宽fC 是指Aod下降到1时,与之对应的信号频率。由于增益带宽之积近似

为常数,所以fH 与fC 的近似关系为

fC =fH·Aod (3.6)因此,fC 一般很大。

9)转换速率SR

转换速率是指放大电路在闭环状态下输入为大信号(如阶跃信号)时,放大电路输出电

压的最大变化速率,即

SR =duo(t)dt max

(3.7)

SR 越大表明运放的高频性能越好。

1.集成运放有两个输入端,一个叫端,另一个叫端。前者的极性与输出端 ,后者的极性与输出端。

2.大小相等、极性或相位一致的两个输入信号称为信号;大

小相等、极性或相位相反的两个输入信号称为信号。

3.集成运放的差模输入信号电压是两个输入端信号电压的 ,共模输入信号电压是两个输入端信号电压的。


90

4.集成运放的两个输入信号为uI1=500mV,uI2=200mV。则差模信

号为± mV,共模信号为 mV。

5.共模抑制比 KCMR是放大电路的和之比,电路的

KCMR越大,表明电路的能力越强。

6.集成运放的差模电压增益Aod越大,表示对信号的放大能力

越大;共模电压增益Aoc越大,表示对信号的抑制能力。

3.2 集成运放的基本组成

集成运放电路的种类繁多,电路功能也各不相同,但它们的基本组成通常都由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成,如图3.4所示。

图3.4 集成运放的基本组成

(1)输入级。输入级又称前置级,它的作用是提供与输出同相和反相的两个输入端,要求具有一定的电压增益和较高的输入电阻,较强的抑制干扰及零漂的能力。因此,输入级采

用差分放大电路。(2)中间级。中间级是整个放大电路的主放大器,它的作用是提供较高的电压放大倍

数,因而一般采用带有源负载的复合管共发射极放大电路。(3)输出级。输出级要为负载提供足够的功率,故要求输出级输出电阻低、带负载能力

强、能够输出足够大的电压和电流、波形失真小,因而一般采用互补对称电路,进行功率放

大,以驱动负载工作。(4)偏置电路。偏置电路为各级电路提供直流偏置电流,并使整个运放的静态工作点

稳定且功耗较小,一般采用电流源电路。

图3.5 镜像电流源

3.2.1 偏置电路

偏置电路的作用是向各级电路提供合适的工作电流。在集成电路中,通常用电流源电

路来构成偏置电路,保证各级的静态工作点稳定。常用电流源电路

有以下几种。

1.镜像电流源

镜像电流源电路如图3.5所示。设三极管VT1 和VT2 的参数

完全相同。电源VCC通过电阻R和VT1 产生一个基准电流IREF,即

IREF =VCC-UBE1

R 相应在VT2 的集电极得到电流IC2,作为提供给某个放大电路

的偏置电流。


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由于两管对称,有UBE1=UBE2=UBE,IB1=IB2=IB,IC1=IC2=IC。则

IREF =IC1+2IB =IC1+2IC1β

=IC1 1+2æ

èç

ö

ø÷

β=IC2 1+2æ

èç

ö

ø÷

β当满足β≫2时,近似有

IC2 ≈IREF =VCC-UBE1

R ≈VCC

R(3.8)

由于IC2和电流IREF相等,成镜像关系,所以称这种电路为镜像电流源。镜像电流源电

路只适用于较大工作电流(mA数量级)的场合,而且受电源变化的影响大,不适合在电源电

压变化的场合使用。

图3.6 比例电流源

2.比例电流源

比例电流源电路如图3.6所示。该电路是在镜像电流源的基

础上,在VT1 和VT2 的发射极增加了两个电阻R1 和R2。由图3.6可得

UBE1+IE1R1 =UBE2+IE2R2

由于两管对称,UBE1=UBE2,则

IE1R1 =IE2R2

如果忽略基极电流,由上式可得

IC1R1 =IC2R2

于是得到

IC2 =R1

R2IC1 ≈R1

R2IREF (3.9)

由于两个三极管集电极电流之比近似与它们发射极电阻成反比,故称为比例电流源。比例电流源提供的偏置电流比镜像电流源小,但还无法达到微安数量级。与镜像电流

源一样,受电源变化的影响大,不适合在电源电压变化的场合使用。

电路为图3.6所示的比例电流源电路,如果VCC=12V,R=20kΩ,

R1=2.2kΩ,β≫1。要供给IC2=0.1mA的静态电流,电阻R2 应选择多大?

图3.7 微电流源

3.微电流源

为了得到微安数量级的电流,可以在镜像电流源的基础上,在

VT2 的发射极接入一个电阻Re,成为微电流源电路,如图3.7所示。由图3.7可得

ΔUBE =UBE1-UBE2 =IE2Re≈IC2Re

IC2 ≈ΔUBE

Re(3.10)

由于ΔUBE的数值非常小,用阻值不大的Re 即可得到微小的偏

置电流。


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微电流源与镜像电流源、比例电流源相比,有以下优点。(1)可以提供微安级的偏置电流;(2)由于引入了电阻Re,微电流源的输出电阻大,使输出电流IC2更加稳定;(3)由于IC2基本由ΔUBE决定,与电源电压几乎无关,故电源电压的变化对IC2的影响

不大。【例3.1】电路如图3.7所示,已知VCC=12V,UBE1=0.7V,若测得IC2=16μA,IC1=

0.64mA,试估算电阻Re 和R 的值。解:由二极管的伏安特性方程可得

IC ≈IE =Is(eUBE/UT -1)≈IseUBE/UT

于是得到

UBE ≈UTlnICIs 由电路可得

UBE1-UBE2 ≈IC2Re

于是

IC2Re=UBE1-UBE2 =UT(lnIC1Is1 -lnIC2Is2)

因为有Is1=Is2,上式即为

IC2Re=UTlnIC1IC2 在IC2=16μA,IC1=0.64mA的条件下,有

Re=UTlnIC1IC2

IC2 =26ln0.640.0160.016 ≈6kΩ

R≈VCC-UBE1

IC1 =12-0.70.64 ≈18kΩ

图3.8 基本差分放大电路

3.2.2 差分放大输入级

直接耦合放大电路的主要问题是存在零点漂移,放大电路前级对输出的零点漂移影响

最大,因此集成运放的输入级采用了对温漂具有很强抑制作用的差分放大电路。

1.基本差分放大电路

基本差分放大电路如图3.8所示。

1)电路结构特点

(1)电路和元件对称。差分放大电路由两个完

全对称的共发射极放大电路组成。两个三极管的

参数完全一样,温度特性也完全相同,并且发射极

接有公共电阻Re。(2)双电源供电。为了使差分放大电路的两个

输入端的静态电压为零,采用正负电源供电。这

样,电源和信号源可以“共地”,同时扩大了输出的

动态范围。


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(3)信号的输入方式与输出方式灵活。如果输入信号同时加到两个输入端,称为“双端

输入”;如果输入信号只加到一个输入端,另一输入端接地,称为“单端输入”。同样,如果信

号从两个管子的集电极输出,称为“双端输出”;如果信号从一个管子的集电极和地输出,称为“单端输出”。

2)抑制零点漂移作用

由于电路左右对称,当静态时UCQ1=UCQ2,输出电压Uo=UCQ1-UCQ2=0。如果温度升

高使ICQ增大,UCQ减小,由于对称,两个管子集电极电位的变化相同,有ΔUCQ1=ΔUCQ2,继续保持Uo=0。很好地抑制了零漂。可见,正是由于差分放大电路电路和元件的“对称性”,实现了抑制零点漂移。

3)静态分析

基本差分放大电路的直流通路如图3.9所示。由于电路的对称性,有UBEQ1=UBEQ2=

图3.9 基本差分放大电路的直流通路

UBEQ,基极电流很小,Rb上的压降可以忽略,发射极

电位为

UEQ =-UBEQ (3.11)

流过公共电阻Re 的电流为

IEQ =VEE-UBEQ

Re(3.12)

由对称性得到

ICQ=ICQ1 =ICQ2 ≈ 12IEQ

=VEE-UBEQ

2Re(3.13)

两管的集电极电位为

UCQ =UCQ1 =UCQ2 ≈VCC-ICQRc (3.14)

4)对差模信号的放大

差分放大电路分为双端输出与单端输出两种连接方式进行分析。(1)双端输入双端输出的差分放大电路

图3.8所示的差分放大电路为双端输入双端输出的连接方式,在差模信号的作用下,当一个管子发射极电流增加时,另一个管子的发射极电流减小,且增加量与减少量相同,流过

Re 的电流不变,差模信号在Re 上没有电压降,因此在差模信号的交流通路中,Re 相当于短

路。负载电阻RL接在两管集电极之间,在差模信号的作用下,负载电阻的一端电位升高,另一端电位降低,负载电阻中点的电位不变,在差模信号的交流通路中负载电阻中点相当于接

地,即分配给每个管子的负载电阻为RL的一半。差模信号的交流通路如图3.10所示。

图3.10 基本差分放大电路双端输出的交流通路


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差模电压放大倍数:对于差模输入信号有uId2=-uId1,由于电路对称,输出信号有

uOd2=-uOd1,差分放大电路中的VT1、VT2 都为共发射极电路,双端输入双端输出差模电压

放大倍数为

Aud =uOd

uId =uOd1-uOd2

uId1-uId2 =2uOd1

2uId1 =uOd1

uId1 =-βRc∥ 12R

æ

èç

ö

ø÷L

Rb+rbe(3.15)

差模输入电阻:

rid =2(Rb+rbe) (3.16)

差模输出电阻:

rod =2Rc (3.17)

(2)双端输入单端输出的差分放大电路

差分放大电路为双端输入单端输出的电路如图3.11所示。其差模信号的交流通路如

图3.12所示。

图3.11 单端输出差分放大电路图3.12 单端输出差分放大电路的差模信号交流通路

差模电压放大倍数:

Aud =uOd

uId = uOd1

uId1-uId2 =uOd1

2uId1 =-β(Rc∥RL)2(Rb+rbe)

(3.18)

差模输入电阻:

rid =2(Rb+rbe) (3.19)

图3.13 例3.2电路

差模输出电阻:

rod =Rc (3.20)

【例3.2】图3.13为一个单端输入双端输出

的差分放大电路,已知两三极管β1=β2=β=100,

rbe1=rbe2=rbe=3kΩ,UBEQ1=UBEQ2=UBEQ=0.7V。试求:(1)该电路的静态工作点;(2)当输入电压

uId=30mV时,该电路的差模电压输出电压为多少?(3)该电路的差模输入电阻和差模输出电阻各为

多少?解:(1)静态时,忽略电阻Rb上的直流压降,电

阻Re 的静态电流为


95

IEQ =VEE-UBEQ

Re=12-0.7

20 =0.565mA

VT1、VT2 的静态集电极电流为

ICQ1 =ICQ2 ≈ 12IEQ ≈0.283mA

两管的静态集电极电位为

UCQ1 =UCQ2 ≈VCC-ICQ1Rc=9.17V (2)双端输出的差模电压放大倍数为

Aud =-βRc∥ 12R

æ

èç

ö

ø÷L

Rb+rbe =-100×(10∥5)2+3 ≈-66.67

差模输出电压为

uOd =Aud·uId =-66.67×30=-2000mV=-2V (3)差模输入电阻为

rid =2(Rb+rbe)=2×(2+3)=10kΩ 差模输出电阻为

rod =2Rc=20kΩ

电路为图3.8所示的差分放大电路,如果VCC=VEE=15V,UBEQ=0.6V,要使电路的静态工作点ICQ=0.3mA,UCQ=10.5V,电阻Re 与Rc 应

选择多大?

5)对共模信号的抑制

共模电压放大倍数Aoc定义为共模输出电压uOc与共模输入电压uIc之比。由于共模信

号是无用的干扰信号,应被抑制,所以Aoc应尽量小。由图3.8可见,在双端输出时,对于共模输入信号,两管的集电极电位同时上升或下降,

而且上升量和下降量相同,电路的输出为零,对共模信号在输出端完全被抑制,双端输出时

的共模电压放大倍数Aoc=0。在单端输出时,对于共模输入信号,单端输出有共模输出信号,共模电压放大倍数Aoc

不为零。由于两管的发射极电流同时增大或减小,在电阻Re 上有共模信号产生的压降,在共模信号的交流通路中存在电阻Re,并且折算到每个管子单独的电路中为2Re,其共模信号

的交流通路如图3.14所示。

图3.14 单端输出差分放大电路的共模信号交流通路


96

由于发射极电阻的存在,由第2章对发射极有电阻的共发射极放大电路的分析可知,其电压放大倍数为

Aoc=uOc

uIc =- β(Rc∥RL)Rb+rbe+2(1+β)Re

(3.21)

由于2(1+β)Re 很大,使得共模电压放大倍数很小,往往远小于1,共模输出很小,对共

模信号仍然具有很强的抑制作用。实质上是由于发射极电阻的存在,对共模信号产生非常

强的负反馈作用,大大削弱了共模信号的影响。

6)共模抑制比

共模抑制比是综合表示差分放大电路对差模信号的放大能力以及对共模信号抑制能力

的性能指标。

KCMR = Aod

Aoc

双端输出的差分放大电路的Aoc=0,因此,KCMR=∞。单端输出的差分放大电路的共模抑制比为

KCMR = Aod

Aoc≈ βRe

Rb+rbe(3.22)

由于βRe≫ (Rb+rbe),单端输出的差分放大电路的共模抑制比也是很大。

7)差分放大电路输入、输出接法

差分放大电路输入、输出端有4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、单端输入单端输出。4种接法的比较如表3.1所示。

表3.1 差分放大电路4种接法的比较

输入输出方式差模电压放大

倍数Aud

差模输入电阻Rid 差模输出电阻rod 共模抑制比KCMR

双入双出

单入双出

双入单出

单入单出

-β(Rc∥

RL

2)

Rb+rbe

-β(Rc∥RL)2(Rb+rbe)

2(Rb+rbe)

2Rc ∞

Rc 很大

由表可见,差分放大电路的性能指标只与输出方式有关,与输入方式无关;4种连接方

式的输入电阻都相同;4种连接方式的差模电压放大倍数和输出电阻不同。

在如图3.11所示的单端输出差分放大电路中,如果将发射极电阻Re

增大10倍,会对电路性能和工作状态产生什么影响?【分析】由式(3.21)和式(3.22)

Aoc=uOc

uIc =- β(Rc∥RL)Rb+rbe+2(1+β)Re

;KCMR = Aod

Aoc≈ βRe

Rb+rbe可知,将Re 增大10倍,可使共模放大倍数大约减小10倍,使共模抑制比大

约增大10倍。因此大大提高了单端输出差分放大电路抑制零点漂移的能

力,提高了放大电路的性能指标。


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增大Re 同时也会改变差分放大电路的静态工作点。由式(3.12)

IEQ =VEE-UBEQ

Re

可知,流过Re 的电流将减小10倍,时差分放大电路的静态电流ICQ1、ICQ2也减小到1/10,将使差分放大电路的静态工作点变得很低,接近于截止区,很容易出现截止失真,对差分放大电路放大差模信号非常不利。因此,发射极

电阻不能太大。

2.恒流源式差分放大电路

由上述分析可知,在基本差分放大电路中发射极电阻Re 越大抑制零漂的作用越好,但在集成电路中制作大电阻很困难,并且增大Re 使电路的静态工作点降低,会出现截止失

图3.15 恒流源式差分放大电路

真。用电流源电路代替发射极电阻是解决这

个矛盾的理想方案,恒流源式差分放大电路

如图3.15所示。电路中由三极管VT3、电阻

Rb1、Rb2、Re 组成电流源电路,为VT1、VT2 供

给合适的发射极电流,使其工作在放大状态。

1)电流源使电路的静态工作点稳定

由在图3.15中电流源电路可知,电流源

电流,即三极管VT3 的集电极电流为

URb2 = (VCC+VEE) Rb2

Rb1+Rb2

ICQ3 ≈IEQ3 =URb2 -UBEQ

Re

当URb2≫UBEQ时,上式近似为

ICQ3 ≈URb2

Re=(VCC+VEE)Rb2

(Rb1+Rb2)Re(3.23)

电阻和电源不受温度变化的影响,故电流源电流ICQ3基本上不随温度的变化而变化,保持稳定,因此,VT1、VT2 的静态电流ICQ1和ICQ2就不会随温度的变化发生改变,静态工作点

稳定。

2)电流源抑制零漂的作用

电流源具有非常大的动态电阻,理想电流源的动态电阻达到无穷大,在共模信号交流通

路中,相当于三极管的发射极电阻无穷大,即使在单端输出时,共模电压放大倍数也同样为

零。因此,无论是双端输出还是单端输出,输出端都不会有共模信号。电流源很好地抑制了

零漂。

3)差模信号放大的性能指标

电流源的电流对差模输入信号保持不变,在差模信号的交流通路中视为短路,因此,对差模信号放大不产生任何影响。故差模电压放大倍数、差模输入电阻、差模输出电阻的计算

公式与基本差分放大电路完全一样。


98

4)对电路不完全对称的调整

以上分析都是在电路和元件理想对称的前提下,输出信号中不会有共模信号,完全抑制

图3.16 可调零的差分放大电路

了零漂。但是在集成电路的实际制作中,元件

的参数总会有微小差异,电路很难做到完全对

称。为了弥补电路不完全对称的不足,对电路

进行改进,成为可以调零的差分放大电路,如图3.16所示。即在两个管子的发射极之间连

接一个阻值很小的电位器,如果静态时双端输

出电压不为零,可以通过调节电位器滑动端的

位置,使得静态时双端输出电压为零。该电位

器称为调零电位器,它可以使差分放大电路获

得更高的共模抑制比。

3.2.3 中间级和输出级

1.中间级

集成运放对中间级的要求是提供足够大的电压放大倍数,同时为了减小对前级的影响,还应具有较高的输入电阻。为此,集成运放的中间级经常采用有源负载,同时放大管为复合

管的结构形式。

1)有源负载

有源负载就是利用三极管或场效应管作为负载电阻。中间级的放大电路一般为共发射

极放大电路,集电极负载电阻Rc 越大,电压放大倍数也越大。当三极管工作在恒流区时,集电极与发射极之间的等效电阻rce很大,用三极管代替Rc,可以大大提高放大电路的电压放

大倍数。

图3.17 采用有源负载和复合管的

共发射极放大电路

2)复合管

放大电路的电压放大倍数与三极管的β值成正比,复合管的β值近似为组成复合管是

三极管β值的乘积,复合管具有非常高的β值,使得中间级的电压放大能力进一步提高。同

时复合管具有很高的输入电阻,也满足了使中间级具有较高输入电阻的要求。如图3.17所示为一个采用复合管为放大管,同时采用有源负载的共发射极放大电路。

其中由VT1 与VT2 组成NPN型复合管作为放大三极管,VT3 为有源负载。VT3 与VT4组成镜像电流源,作为偏置电路,基准电流IREF由

VCC、VT4 和R 支路产生,为

IREF =VCC-UBE4

R 放大管的工作电流近似等于基准电流IREF。2.输出级

集成运放对输出级的要求是提供足够的输出功

率,同时具有较低的输出电阻以增强带负载能力。为

此,输出级一般都采用互补对称电路,依据电源的要求

使用OCL电路或 OTL电路。互补对称电路的电路

组成,以及工作原理将在功率放大电路一章详细介绍。


99

1.集成运放内部各级之间电路采用 ,通常是输入级一般采

用电路,输出级常采用电路。

2.集成运放的中间级为了获得很大的电压增益,通常采用

和。

3.在集成运放中,常用的偏置电路有、、。

4.差分放大电路与其他放大器相比,其特点是能。

5.差分放大电路有个输入端,有个输出端,因此

有种不同的连接方式。如果负载电阻RL=∞,双端输出的差模电

压增益是单端输出的差模电压增益的 ,双端输出的差模输入电

阻单端输出的差模输入电阻,双端输出的差模输出电阻是单端输

出的差模输出电阻的。

3.3 集成运放的使用

3.3.1 几种常用的集成运放

1.双极型集成运放LM741 LM741是一种应用广泛的通用型集成运放,国内同类产品的型号有F007、5G24等,国外同类产品的型号有μA741、AD741、F741等。

1)主要技术指标

LM741的主要技术指标如表3.2所示。

表3.2 LM741的主要技术指标

参数测试条件单位典型

电压增益 US=±15V,UO=±10V V/mV 200000输出电压幅度 US=±15V,RL≥2kΩ V ±13输入电阻 US=±20V MΩ 2.0共模抑制比 RS≤10kΩ,Ucm=±12V dB 90输入失调电压 RS≤10kΩ mV 1.0输入失调电流 nA 200输入偏置电流 nA 80转换速率 V/μs 0.5电源电压 V ±22电源电流 mA 1.7单位增益带宽 MHz 1.5差模输入电压 V ±30

2)引脚和连接方法

LM741为双列直插式封装,共有8个引脚,如图3.18(a)所示。其中2脚和3脚分别为

反相输入端和同相输入端,6脚为输出端,7脚和4脚为正、负电源端,1脚和5脚为调零端,


100

引脚8为空。LM741的基本连接方法如图3.18(b)所示。

图3.18 LM741的引脚和连接示意图

2.CMOS集成四运放C14573C14573用CMOS工艺制作的通用型集成运放,片内有4个结构相同的运放放大器。

该运放具有输入电阻高,既可以用双电源,也可以用单电源,与CMOS、TTL电路兼容等

特点。

1)主要技术指标

C14573的主要技术指标如表3.3所示。

表3.3 C14573的主要技术指标

参数测试条件单位典型

开环差模电压增益 Iset=50μA dB 90输出电压峰-峰值 VDD=+7.5V,VSS=-7.5V,Iset=100μA V 12差模输入电阻 MΩ 104

共模抑制比 Iset=50μA dB 80输入失调电压 Iset=50μA mV 10输入失调电流 nA 0.1输入偏置电流 Iset=50μA nA 1单位增益带宽 VDD=+7.5V,VSS=-7.5V,Iset=100μA MHz 2转换速率 VDD=+10V,VSS=0V,Iset=50μA V/μs 2.5电源电压范围 V 5~15电源电流 VDD=+10V,VSS=0V,Rset=100kΩ mA 1.2最大共模输入电压 VDD=+7.5V,VSS=-7.5V,Iset=100μA V 12

图3.19 C14573的引脚排列图

2)引脚

C14573为双列直插式封装,共有16个引脚,其引脚排列如图3.19所示。

3.3.2 集成运放的使用和保护

1.集成运放的调零

集成运放在实际应用中都存在不同程度的零点

漂移现象,在要求运算精度较高时需要调零。调零

的方法是将输入信号置零,调整调零电位器,使输出

电压为零,如图3.20所示。调零电压加在同相输入

端,失调电压的调整范围为


101

ΔUIO =±VCCR5

R3+R5

在调零电路中对电阻R3、R5 的阻值要求不严格,只要R3≫R5,且R5 的阻值选在1kΩ以下即可。此种调零电路应用很广泛。

2.电源反接保护电路

集成运放的电源极性接反会造成集成运放立即被烧毁。利用二极管的单向导电性防止

电源反接损坏集成运放,电路如图3.21所示。当电源接反时,两个二极管都截止,电源断

路,起到了保护作用。

图3.20 集成运放调零电路图3.21 集成运放的电源保护

3.集成运放的输入保护

集成运放输入端的共模电压或差模电压过高,可能会使运放的输入级三极管被反向击

穿而损坏。输入保护电路如图3.22所示。图3.22(a)电路是防止差模输入信号过高的保

护电路,只要输入信号的正向电压或负向电压超过二极管的导通电压,二极管VD1、VD2 必

然有一个导通,从而限制了输入信号的幅度,起到保护作用。图3.22(b)电路是防止共模输入信号过高的保护电路,当共模信号超过±U 时,其中一

个二极管导通,从而限制了输入共模信号的幅度,起到保护作用。

4.集成运放的输出保护

如果集成运放的输出端错接外部电压上,可能会使集成运放过压被击穿,或输出端过流

被烧毁。集成运放的输出保护电路如图3.23所示,在集成运放的输出端并联两只反向串联

的稳压管。

图3.22 集成运放的输入保护图3.23 集成运放的输出保护

当输出电压小于稳压管的稳定电压时,稳压管不导通,保护电路不工作;当输出电压大

于稳压管的稳定电压时,稳压管导通,输出电压被限制在±(UZ+0.7)V,防止了输出电压过

高,保护了集成运放。


102

1.LM741是采用管工艺的集成运放,使用电源供电。

2.集成运放的调零作用是消除。

3.集成运放的电源接错保护电路是利用二极管的特性。

4.集成运放的输入保护电路和输出保护电路是利用二极管或稳压管

的作用。

3.4 理想运算放大器

理想运算放大器可以理解为实际运放的理想化模型,就是将集成运放的各项技术指标

理想化,得到一个理想的运算放大器。

3.4.1 理想运放的性能指标

理想运放的主要性能指标有:

• 开环差模电压放大倍数Aod=∞;

• 差模输入电阻rid=∞;

• 差模输出电阻rod=0;

• 共模抑制比KCMR=∞。此外理想运放没有失调电压和失调电流,没有失调温漂,带宽趋于无穷大等。尽管理想运放并不存在,但由于集成运放的技术指标都非常接近理想运放,在分析集成

运放的应用电路时,将集成运放理想化是允许的,带来的误差一般比较小,可以忽略不计。

3.4.2 集成运放的电压传输特性

集成运放在没有反馈时,差模输出电压uo 和差模输入电压(u+-u-)的关系为

uo =f(u+-u-) (3.24)将其称为集成运放的电压传输特性,如图3.24所示。

图3.24 集成运放的传输特性

当差模输入电压在一定范围内,差模输出电压和差模

输入电压之间为线性关系,运放对差模信号进行无失真的

放大,该区域为集成运放的线性区。当差模输入电压超过

规定范围,运放输出端出现饱和,集成运放进入非线性区,这时输出电压不再随输入电压变化,只能保持正向饱和输

出电压+UOm,或负向饱和输出电压-UOm。由于集成运放的开环电压放大倍数非常大,只有差模

输入电压非常小时,集成运放才处于线性区,因此,线性区

非常窄。

3.4.3 理想运放工作在线性区的特点

1.理想运放的差模输入电压等于零

集成运放在开环状态工作在线性区时,差模输出电压与差模输入电压的关系为

uo =Aod(u+-u-) (3.25)式中u+为同相输入端电压,u-为反相输入端电压。


103

当运放为理想运放时,有Aod=∞,uo 为有限值,有

u+-u-= uoAod

=0

即

u+=u- (3.26)

上式说明理想运放的差模输入电压等于零,同相输入端电压等于反相输入端电压。在

电路中理想运放的同相输入端与反相输入端实际上并未真正短路,但如同将两端短路一样。

这种现象称为同相输入端和反相输入端“虚短”。

如果理想运放的同相输入端接地,有u+=0,又由于同相输入端和反相输入端 “虚短”,

有u+=u-,于是得到u-=0,称为反相输入端“虚地”。“虚地”是“虚短”的一个特例。

2.理想运放的输入电流等于零

由于理想运放的差模输入电阻rid=∞,因此,流入运放两个输入端的电流都为零,即

i+=i-=0 (3.27)

式中i+为同相输入端电流,i-为反相输入端电流。

此时,运放的同相输入端和反相输入端电流都等于零,如同断开一样,这种现象称为同

相输入端和反相输入端“虚断”。

“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时两个重要的特点。在分析集成运放的应用

电路时,如果集成运放工作在线性区,正是依据理想运放工作在线性区的这两个特点,解决

电路问题。

3.4.4 理想运放工作在非线性区的特点

要使集成运放在输入电压的全部区间都工作在非线性区,集成运放必须处于开环状态

下工作。

理想运放工作在非线性区时,也有两个重要的特点。

1.理想运放的输出电压uo只有两种值

理想运放工作在非线性区时,输出电压不再随着输入电压的变化而变化,由图3.24所

示的传输特性可知,输出端达到饱和,理想运放的输出电压uo 或等于运放的正向饱和输出

电压+UOm,或等于运放的负向饱和输出电压-UOm。

当u+>u-时,uo=+UOm;当u+<u-时,uo=-UOm。此时,“虚短”的现象不复存在。

2.理想运放的输入电流等于零

在非线性区,虽然运放的两个输入端的电压不等,但因为理想运放的差模输入电阻

rid=∞,故理想运放的两个输入端的电流仍然等于零,即

i+=i-=0

此时,“虚断”的现象仍然存在。

由于理想运放工作在线性区或非线性区时,各有不同的特点,因此,在分析各种集成运

放的应用电路时,必须首先明确其中的集成运放的工作状态。


104

1.理想集成运放的主要性能指标:Aod= ∞,rid= ,

rod= 。

2.工作在线性区的理想集成运放有两个重要特点:和。

3.集成运放处于开环状态时,工作在区。

4.集成运放工作在线性区时,处于状态。

5.当集成运放工作在线性区时,可运用和的概念,而“虚地”是的特殊情况。

6.当集成运放工作在非线性区时, 概念已不存在,概念仍然成立。

本章小结

1.集成运放的特点是采用了直接耦合方式,器件之间参数的对称性好,输入级采用差

分放大电路,很好地抑制了零点漂移,常常用三极管代替大电阻,组成有源负载等。

2.集成运放的技术指标定量描述电路的性能,主要说明集成运算放大电路的放大能

力,抑制零点漂移的能力,从信号源获得信号的能力,带负载能力等。

3.集成运放实质上是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路。集成运算放大电路

通常包括四个组成部分,即输入级、中间级、输出级和偏置电路。

集成运放的输入级一般采用差分放大电路,差分放大电路引入一个共模负反馈,以提高

抑制零点漂移的能力。差分放大电路的输入、输出端有四种不同的连接方式。

集成运放的中间级主要提供电压放大能力,为了获得高增益,中间级采用了有源负载和

复合管。

集成运放的输出级主要提供足够大的功率输出,通常采用互补对称电路。

偏置电路的任务为各级提供偏置电流,通常采用镜像电流源、比例电流源、微电流源等

电流源电路。

4.集成运放在使用时,为了消除电路和元件的不对称性产生的零点漂移,通常接入

调零电路。常用的集成运放保护电路有输入保护电路、输出保护电路、电源反接保护电

路等。

5.理想运放是集成运放的理想化模型,是将集成运放的各项技术指标理想化,突出集

成运放的主要因素,大大简化了分析集成运放应用电路的过程。

理想运放有两个工作区域,即线性工作区和非线性工作区。

理想运放工作在线性区有两个重要的特点,即“虚短”和“虚断”。

理想运放工作在非线性区也有两个重要的特点,即“虚断”和输出电压只有两个值,正向

饱和电压和负向饱和电压。

理想运放在线性区和非线性区的特点,成为分析各种集成运放应用电路的依据。


105

本章知识结构

集成运放

主要技术指标

开环差模电压增益

共模抑制比

差模输入电阻

ì

î

í

ïï

ïï差模输出电阻等

集成运放的组成

输入级———差分放大电路基本差分放大电路

{恒流源式差分放大电路

中间级———电压放大电路

输出级———互补对称电路

偏置电路———电流源

镜像电流源

比例电流源{

ì

î

í

ïïï

ïïï

微电流源

典型集成运放LM741

{C14573

理想运放

理想运放的条件Aod=∞;rid=∞;rod=0;KCMR=∞等

理想运放在线性区的特点“虚短” u+=u-

“虚断” i+=i{-

理想运放在非线性区的特点输出电压只有两个值+UOm;-UOm

“虚断” i+=i{

ì

î

í

ïï

ïï

ì

î

í

ïïïïïïïïïï

ïïïïïïïïï

-

综合练习

3.1 填空题

(1)电流源电路是利用三极管输出特性的区,其特点是输出电流 ,直流等效电阻为 ,交流等效电阻。

(2)差分放大电路对输入信号具有良好的放大作用,对输入信号具

有很强的抑制作用,其零点漂移。(3)在双端输入的差分放大电路中,发射极电阻 Re 对信号无影响,

对信号具有抑制作用,故 Re 阻值越大, 电压增益越小,共模抑制

比 ;用电流源代替Re 后,电路的电压增益更小,理想时,共模抑制比趋

于。(4)采用复合管的电路可使输入电阻 ,采用有源负载可使电路获得更大

的。(5)理想运放工作在线性区时,两输入端电压近似 ,称为 ;两输入端

输入电流近似 ,称为。

3.2 单项选择题

(1)通用型集成运放的输入级采用差分放大电路,这是因为它的( )。

A.输入电阻高 B.输出电阻低 C.电压放大倍数大 D.共模抑制比大

(2)两个大小相等、极性或相位一致的信号称为( )信号;两个大小相等、极性或相

位相反的信号称为( )信号。


106

A.共模,差模 B.对称,非对称 C.同相,反相 D.一致,非一致

(3)集成运放电路有两个输入端,分别称为( )。

A.反相输入端和同相输入端 B.电压输入端和电流输入端

C.正输入端和负输入端 D.单输入端和双输入端

(4)直接耦合放大电路存在零点漂移的原因是( )。

A.电阻阻值有误差 B.晶体管参数的分散性

C.晶体管参数受温度影响 D.电源电压不稳定

(5)差分放大电路的共模抑制比KCMR越大表明电路( )。

A.放大倍数越稳定 B.抑制温漂能力越强,性能好

C.交流放大倍数越大 D.直流放大倍数越大

(6)差分放大电路的输出方式有( )。

A.共模输出 B.差模输出 C.电压输出 D.双端输出

(7)在单端输出的差分放大电路中,用恒流源代替发射极电阻Re 能够使( )。

A.差模电压放大倍数增大 B.抑制共模信号能力减弱

C.共模电压放大倍数增大 D.差模输入电阻增大

(8)差分放大电路的差模输入电阻与( )有关。

A.输出的连接方式 B.输入的连接方式

C.静态工作点 D.发射极公共电阻Re

3.3 判断题

(1)双端输出的差分放大电路是靠两个三极管参数的对称性来抑制温漂的。 ( )(2)双端输入的差分放大电路和单端输入的差分放大电路的差别在于,后者的输入信

号中既有差模信号又有共模信号。 ( )(3)单端输出具有电流源的差分放大电路中,电流源的作用为提高差模电压增益。

( )(4)在集成运放中采用直接耦合方式,是为了便于集成。 ( )(5)共模信号都是直流信号,差模信号都是交流信号。 ( )

3.4 差分放大电路两个输入电压为uI1=1.05V,uI2=0.95V,试求差分放大电路输入

端的差模信号与共模信号。

图 P3.1

3.5 电流源电路如图P3.1所示,设两管的参数相同,VCC=10V,R =15kΩ,β≫1。试求:

(1)R1=R2=1kΩ时的IC2;(2)R1=1kΩ,R2=5kΩ时的IC2。

3.6 电路如图P3.2所示,已知三极管β=100,rbe=10.3kΩ,

VCC=VEE=15V,Rc1=Rc2=36kΩ,Re=27kΩ,R1=R2=2.7kΩ,

RW=100Ω,RL=18kΩ。RW的滑动端在中点位置。试求:(1)静态

工作点;(2)差模电压放大倍数;(3)差模输入电阻;(4)差模输出

电阻。

3.7 差分放大电路如图P3.3所示,已知三极管β =30,

UBEQ=0.7V,VCC=VEE=9V,Rc1=Rc2=47kΩ,Re=13kΩ,R1=R2=10kΩ,Rb1=16kΩ,

Rb2=3.6kΩ,RL=20kΩ。试求:(1)静态工作点;(2)差模电压放大倍数;(3)差模输入电阻


107

与差模输出电阻;(4)共模电压放大倍数;(5)共模抑制比。

图 P3.2 图 P3.3

3.8 差分放大电路电路如图P3.4所示,设两管参数对称,β=80,rbe=5.4kΩ,VCC=VEE=15V,Rc=18kΩ,Re=18kΩ,Rb=2.7kΩ,RL=36kΩ。若uI1=75mV,试求:当输出电

压uO=570mV时,uI2为多大 ?

3.9 差分放大电路电路如图P3.5所示,设两管参数对称,β=100,UBEQ=0.7V,VCC=VEE=12V,Rc=4kΩ,Re=11.3kΩ,Rb=1kΩ,RL=4kΩ。试求uI=10mV时的uO1和uO 各

为多少 ?

图 P3.4 图 P3.5

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