前知识回顾：

第六章集成运算放大器

前知识回顾：1 、基本放大电路及分析；

2、放大电路的频率特性；

3、场效应管及放大电路；

4、多级放大电路及分析；

5、负反馈放大器及类型分析；

6、负反馈放大器对性能指标的改善；

7、直接耦合放大器中的零点漂移问题及抑制；



6.1 零点漂移

6.2 差动放大电路

6.3 电流源电路

6.4 集成运算放大器介绍

6.5 集成运放的性能指标


一、概述 1 、集成电路：在一个很小的硅片中，集成包括许多有源器件和无源器件的整体电路称为集成电路。它是将元件和电路集于一体并有一定功能的电子电路。

2 、集成电路的分类：半导体集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，模拟集成电路中主要有集成运放、集成稳压器、集成功放器、专用集成电路等。

3 、集成电路的特点：

（ 1 ）元件的参数精度较差，误差较大，但对称性较好，适用于差分电路。

（ 2 ）制作三极管很容易，所以尽量使用三极管。

本章序言：

第六章集成运算放大器（ 3 ）只能制作几十欧至几千欧的电阻，更大的电阻用恒流源代替。

（ 4 ）制作电感很困难，只能制作几十皮法以下的电容，大电容也不能制作，所以采用直接耦合的方式。根据以上特点，集成电路在设计上：（ 1 ）尽量用三极管，少用电阻电容；（ 2 ）电路形式上尽量用差分电路、有源负载、恒流源电路、直接耦合的方式，将对单个元件精度的要求转化为对两个元件参数对称性的要求。

1 、概念：集成运放大器简称集成运放。它实际上是一个高放大倍数的直接耦合的多级放大器，该电路最初用于数的运算中随着电子技术的发展，它的应用早已不限于运算，在电路中使用时，已成为一种通用性较强的功能性器件，一般不去深究它的内部结构，把它视为一个器件使用，一般用如下符号表示：

二、集成运算放大器及组成


图 6-1 集成运放框图

2 、集成运放的组成：


U o

tO

图 6 – 2 零点漂移

§6.1 零点漂移把放大器输入为零时，而输出不一定为零，且在原值的基础上随时间缓慢变化的现象称为零点漂移。通常将偏离值按放大器的放大倍数折算到输入端的干扰信号的大小去衡量。这种漂移随着环境温度的发生变化而变化。


( 引言 : 集成运算放大器是一种性能优良的多级直接耦合放大器，它又是一种通用性很强的多功能部件。而集成运算放大器的关键的组成部分就是差动放大器。而差动放大器的电路特点是对称性，它的最大优点是对零点漂移具有很强地抑制作用。

§6.2 差动放大电路一、基本差分放大器

1 、基本原理电路及特点：

R c

U o£« £

V1 V2

R c

U i U i

R sR s

R b Rb

U CC

c1 c2

2

21

1

1

1 2

2

（ 1 ）电路特点：

对称性。

图 6 – 3 差分放大电路的基本形式


（ 2 ）差模信号：把一对大小相等，极性相反的信号叫做差模信号。电路中所加的有用信号就是差模信号。

（ 3 ）共模信号：把一对大小相等，极性相同的信号叫做共模信号。电路中的干扰信号、零点漂移等都可视为共模信号。

R c

U o£« £

V1 V2

R c

R sR s

Rb Rb

£«U CC

c1 c2

2

£«

£

U i

R c

£«£

R c

R sR s

Rb Rb

£«U CC

c1 c2

2

£«

£

(a ) 共模信号

£«£«

U o

U o

£ 1

U o2

£

11

1

U i1

U id

£«

U i2

£

U id2

1

£«

£

U id21

V2V1

(b ) 差模信号

1 2

2 1

RL

2

2

1

图 3 – 2 差分电路的两种输入信号

21 iiid UUU icicic UUU21


2 、工作原理：（由电路分析）结论：对差模信号较大的放大作用；对共模信号有较强的抑制作用。

icicic UUU21 由图：共模信号：

21

21

ididid

id21

idid

UUU

UUU

差模信号：

（ 1 ）共模电压放大倍数 Auc

0ic

ocuc U

UA

0UUU

UU

UU

21

21

21

ooo

oo

icic


（ 2 ）差模电压放大倍数 Aud

单uuu AAA 21

)(2121

221121

iiuiuiu

iuiuooo

UUAUAUA

UAUAUUU

单单单

bes

Lu

ii

iiu

id

oud rR

RA

UU

UUA

U

UA

'

21

21)(

单单

其中： 2R

CLLRR ∥


£

£«

U od1

£«

£

U od2

£« £

RL

2R

L

2V

2V1

£«£«

Uid1

Uid2

£ £ U id

£«£

RC

RC

U od

图 6-4 对差模信号的放大作用


二、长尾式差动放大电路在单端输出的情况下：对称性得不到利用。因此增加共模反馈电阻 Re ，通过负反馈来抑制零点漂移，为了满足静态的要求，增加负电源 VEE ，因而得到如下电路：

£«

R c

£«U CC

c1 c2U o

U i1

V2V1

£

RL

R s2

£ U EE

R e

U i2

R c1 2

R s1

图 6 – 5 长尾式差动放大电路


1 、静态计算：由于电路对称，只计算一边即可：

静态时 , 输入短路 , 由于流过电阻 Re 的电流为 IE1 和 IE2之和 ,

且电路对称 ,IE1=IE2

,故

由负电源和基极回路有：

£«

R c

£«U CC

c1 c2U o

U i1

V2V1

£

RL

R s2

£ U EE

R e

U i2

R c1 2

R s1

112 sBeEBEEE RIRIUU

11

1

EB

II

sss RRR 21

eS

BEEEB R2)1(R

UUI1

即： IC1=IC2=βIB1

UC1=UC2=UCC-IC1RC1

为集电极对地的电位。


2 、差模电压放大倍数：

对差模信号：

id21

idid UUU21

因此在两管中产生的信号电流方向正好相反，在 Re 上产生的电流方向相反，即在 Re 上总的信号电流为零，即没有压降，因此可由如下电路进行分析：

对双端输入，双端输出：

bes

'L

1u

id

od

idid

odod

id

odud

rR

RA

U2

U2

UU

UU

U

UA

1

1

21

21

单 RL' 为 RC 和 RL/2 的并联


即：差分放大器的电压放大倍数与单管共射放大器的电压放大倍数一样。对双端输入，单端输出：

bes

'L

1u

id

od

idid

od

id

odud

rR

R21A

21

U2

U

UU

U

U

UA

1

1

21

1

单

其中： RL' 为 RC 和 RL 的并联可见：单端输出的情况下：电压放大倍数约为双短输出的一半。总之，差分放大器对差模信号（即有用信号）有较大的放大作用。


3 、共模电压放大倍数：对共模信号： icicic UUU

21

因此在两管中产生的共模信号电流方向正好相同，在 Re

上产生的共模信号电流方向相同，即在 Re产生的压降为：

（ IE1+IE2 ） Re=2IE1Re 因此可由如下电路进行分析：

R c R c

U i1

V1

R s 2

R e

U i2

R s1

V2

U e共£«

£

£«

£ Ie c1

Ie c2

R cR c

V1

R s 2R s1

V2

2R e 2R e

c1 c2

(a ) 共模信号交流通路形式之一 (b ) 共模信号交流通路形式之二

1 2 1 2


对双端输入，双端输出：

0UUU

UU

UUU

21

21

21

oooc

oo

icicic

0ic

ocuc U

UA

即：双端输出的情况下，仅靠电路的对称性即可完全抑制零点漂移。


对双端输入，单端输出：

R c R c

U i1

V1

R s 2

R e

U i2

R s1

V2

U e共£«

£

£«

£ Ie c1

Ie c2

R cR c

V1

R s 2R s1

V2

2R e 2R e

c1 c2

(a ) 共模信号交流通路形式之一 (b ) 共模信号交流通路形式之二

1 2 1 2

1

21

oco

icic

UU

UU

e

ebes

'L

ic

ocuc

R2

'L

R

R2)1(rR

R

U

UA

1

1

其值很小。

即：在单端输出的情况下，靠共模反馈电阻 Re 抑制零点漂移。


三、差动放大器的主要指标

id

odud U

UA

2 、共模电压放大倍数 Auc

ic

ocuc U

UA

1 、差模电压放大倍数 Aud

3 、共模抑制比 CMRR

)(201 dBA

AgCMR

A

ACMRR

uc

ud

uc

ud

或者


4 、差模输入电阻 rid

id

Idid I

Ur

5 、差模输出电阻 rod do

dood I

Ur

0

6 、共模输入电阻 ric

ic

icic I

Ur


【例 1】设图 6 - 5 所示长尾式差动电路绝对对称 ,

求其 Aud, Auc, CMRR , rid, rod 和 ric 。

解由图 6 - 7(b) 所示差模交流通路得

bes

Lc

bes

L

besb

Lb

i

ou

id

odud

rR

RR

rR

R

rRI

RI

U

UA

U

UA

)21

//(

)(

''

1

1

1

1

单


因为电路绝对对称 , 所以在共模输入信号作用下 , , 因此

21 cc UU

uc

ud

icic

cc

ic

ocuc

A

ACMRR

UU

UU

U

UA 0

021

由差模交流通路可注意到 Ib1d=-Ib2d,

则

)(2)()(

)()(

1

11

1

21

1

21

besdb

besdbbesdb

db

besdbbesdb

db

ii

id

idid

rRI

rRIrRI

I

rRIrRI

I

UU

I

Ur


若共模输入信号的接入方式如图 6 - 8(a), 则

cbcb

ecbcbbescb

cbcb

ic

ic

icic II

RIIrRI

II

U

I

Ur

21

211

21

))(1()(

因为 , 在共模信号作用下 , Ib1c=Ib2c, 所

以 ebesic RrRr )1()(

2

1


若共模输入信号的接入方式如图 6 - 8(b), 则

ebes

ic

eicbescb

ic

ic

ic

icic

RrR

I

RIrRI

I

U

I

Ur

)1(2

)1(2)(1

利用外加电源法 , 可以求得该电路的差模输出电阻 rod 和共模输出电阻 roc, 它们分别为

coc

cod

Rr

Rr

2

2


R c

£«

R c

£«U CC

c1 c2

U o

U ic

V2V1

£

£ U EE

R e

£«

£

R cR c

R s1

U ic

V2V1

R s2

£ U EE

U ic

£«

£

£«

£

(a ) 两输入端连在一起 (b ) 输入端分开

R s1

Ib c R s2

Ib c

I ic I icI ic

c1 c2

£«U CC

1 2 12

R e

1

2

图 6 – 8 两种共模信号接入方式


总结：

1 、直接耦合放大器的零点漂移问题；

2 、差动放大器的电路结构特点及功能；

3 、带有共模反馈电阻的差动放器的电路结构及静态计算；

4 、差模信号、共模信号；

5 、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数；

6 、差动放大器的主要指标。

作业： P148 1—9 参考题 10习题


上节内容复习：

1 、直接耦合放大器的零点漂移问题；

2 、差动放大器的电路结构特点及功能；

3 、带有共模反馈电阻的差动放器的电路结构及静态计算；

4 、差模信号、共模信号；

5 、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数；

6 、差动放大器的主要指标。


四、具有调零电路的差动放大器

V2V1

£ U EE

£«

£

£«

£

(a ) 发射极调零

c1 c2

£«U CC

£« £ U o

R e

RW

R cR c

R s 1V2V1

R s2

£ U EE

U i

£«

£

£«

£

c1 c2

£«U CC

£« £ U o

R e

RW

2U i1

(b ) 集电极调零

1 2R c 1

R c 2

R s1R s 2

U i1

U i2

图 6 – 9 具有调零电路的差动电路

为了克服两个差分对管及电路参数不对称造成的输出直流电压不为零的现象，可增加静态调零电路，有如下两种形式。


2)1(

'

Wbes

Lud R

rR

RA

]2

)1([2 Wbesid

RrRr

eW

sbeic RR

Rrr )1(]2

)1([2

1

差模放大倍数 Aud

差模输入电阻 rid

eW

sbeic RR

Rrr 2)1(2

)1(

共模输入电阻 ric( 对应图 6 - 8(a))

或者为 ( 对应图 6 - 8(b) )

对射极上增加调零电阻 RW后，前面的公式将修改为：


五、恒流源差动放大电路

O

¢ñ

U U

I£½ 0

U

¢ñ

图 6 – 10 恒流源的电流、电压特性

I

UR

I

Ur

,电压在很大范围内变化时，而集电极电流变化很小，即交流电阻很大。而直流电阻（工作点处的集电极电压与集电极电流的比值）又不太大。

三极管的集电极电压在很大范围内变化时，而集电极电流几乎不变的性质称为它的恒流作用。将三极管的 CE 代替 Re 作为共模反馈电阻，即可得到带有恒流源的差分放大器。

1 、问题的提出：为了进一步提高共模抑制比，就必须增大 Re ，而增大 Re ，就必须要增加电源的值，所以必须设法使之 Re 上有较高的交流电阻，而又有不太高的直流电阻。三极管正好有这样一种性质，三极管工作在放大区时，其集电极


R C

U C2

R C

U C1

U i1

V 1 V 2

£ £«U

oc

£ U EE

V 3

U B3R 1

R 2R 3

U i2

(a ) (b )

U CCR CR C

U i1

V 1 V 2

£ £«U

o

U i2

£ U EE

I

U CC

图 6–11 具有恒流源的差分放大器电路

(a) 用单管电流源代替 RE 的差动电路； (b) 电路的简化表示

2 、电路形式：


3 、 CE 间的电阻计算：将 V3 组成的恒流源电路等效为如下图，即可推出 CE之间的交流电阻的表达式：

obe

b

bobeb

boceboo

o

oo

IRRRr

RI

RIIRRrI

RIIrIIU

I

Ur

213

3

321

3

//

0)()//(

)()(

3

33

33

3

cebe

becebeo

oo

rRRRr

R

RRrRrRRRr

R

I

Ur

213

3

213213

3

//1

)////()//

1(3


设 β=80, rce=100kΩ, rbe=1kΩ, R1=R2=6kΩ, R3=5kΩ, 则 ro3≈4.

5MΩ 。用如此大的电阻作为 Re, 可大大提高其对共模信号的抑制能力。而此时 , 恒流源所呈现的直流电阻并不高，即所要求的电源电压不高。此电路的静态计算可以从 V3 管入手，由负电源到它的基极回路计算出 IE3

即得两差分管的集电极电流为： IC1=IC2=1/2 IE3


六、一般输入信号情况

21 iiid UUU

)(2

1

2

12121 iiididid UUUUU

2

UUU 21 ii

ic

12

11

idici

idici

UUU

UUU

icucidudo UAUAU

当差动放大电路的输入信号既不是差模信号，也不是共模信号，即两输入端的信号大小不等时，可将其分解成一对共模信号和一对茶模信号共同作用在放大电路的两端来处理。

差模信号：

则每管的输入为：

共模信号为：

由上可得：则输出电压为：


【例 2 】在图 6 - 5 电路中 , 已知差模增益为 48dB, 共模抑制比为 67dB, Ui1

=5V, Ui2=5.01V ，试求输出电压 Uo 。

解因为 20lg|Aud|=48dB, 故 Aud≈-251, 而 CMR=67dB, 故 CMRR≈2239, 所以

V

UAUAU

CMRR

AA

icucidudo

uduc

06.32

01.5511.0)01.55(251

11.02239

251


七、差动放大电路四种接法 1 、双端输入、双端输出

2//'

'

LcL

bes

L

i

oud

RRR

rR

R

U

UA

差模电压放大倍数为

其中

差动输入电阻 rid 和输出电阻 rod

为 codbesid RrrRr 2),(2

共模电压放大倍数为： 0ic

ocuc U

UA

共模抑制比为： CMRR


£«

£

R c

U oV1 V2

R c

R s

£«U CC

I

RL

£ U EE

£« £

£«

£

U i

R c

U o

V1 V2

R c

R s

£«U CC

I

RL

R s

£ U EE

£«

£

U i

R c

U o

V1

R c

R s

£«U CC

I

RL

R s

£ U EE

£« £

£«

£ R s

£«

£

R c

U o

V1 V2

R c

R s

£«U CC

I

RL

£ U EE

£«

£ R s

(a ) 双端输入、双端输出 (b ) 双端输入、单端输出

(c ) 单端输入、双端输出 (d ) 单端输入、单端输出

U i1

U i2

U i1

U i2

V2

图 6 – 12 差动放大电路的四种接法


2 、双端输入、单端输出

Lc'L

bes

'L

ud

R//RR

rR

R

2

1A

单

)(2 besid rRr

cod Rr

esbe

Luc RRr

RA

2)1(

'

单

bes

e

bes

ebes

uc

ud

rR

R

rR

RrR

A

ACMRR

)(2

2)1(


3 、单端输入、双端输出

iii

ic

iiiid

UUU

U

UUUU

2

1

221

121

idiidici

idiidici

UUUUU

UUUUU

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

由公式： icucidudo UAUAU 忽略共模放大作用，其单端输入、双端输出的电压放大倍数等结论跟双端输入、双端输出的结论一样。

同理，单端输入、单端输出的电压放大倍数等结论跟双端输入、单端输出的结论一样。

4. 单端输入、单端输出

12

11

idici

idici

UUU

UUU


这种接法的特点是：它比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力 , 而且可根据不同的输出端 , 得到同相或反相关系。

综上所述 , 差动放大电路电压放大倍数仅与输出形式有关 , 只要是双端输出 , 它的差模电压放大倍数与单管基本放大电路相同 ; 如为单端输出 , 它的差模电压放大倍数是单管基本电压放大倍数的一半 , 输入电阻都是相同的。


【例 3】电路如图 6 - 13 所示 , 设 UCC=UEE=12V,β1=β2=50, Rc

1=Rc2

=100kΩ, RW=200Ω, R3=33kΩ, R2=6.8kΩ, R1=2.2kΩ, Rs1=Rs20

=1

0kΩ 。 (1) 求静态工作点。

(2) 求差模电压放大倍数。

(3) 求 RL=100kΩ 时 , 差模电压放大倍数。

(4) 从 V1 管集电极输出 , 求差模电压放大倍数和共模抑制比CMRR( 设 rce3

=50 kΩ) 。图 6 – 13 例 3 电路图


解 (1) 静态工作点 :

VUURR

RU EECCR 87.524

8.62.2

2.2)(

21

11

设 UBE3=0.6V, 则

VUR 27.56.087.5

3

所以

VRIUUU

IIIIAIII

AmAR

UI

ccCCcc

cEcEEEE

RE

410008.012

,,802

1

16016.033

27.5

1121

2211321

3

3

3


VmVRIUU

AI

II

sBBB

cBB

016.01610106.1

6.150

80

46

1

1121

1

21

所以一般估算时 , 认为 UB≈0 。

VUUUU

VVVUUUU

EcCECE

BBEEE

4.3616.04

616.0)016.06.0()(

1121

1121


(2) 差模电压放大倍数 :

2)1( 1

'1

11

Wbes

Lud R

rR

RA

其中

1561.0519.1610

10050

9.1608.0

2651300

26)1(

1

'1 1

'

ud

Ebbbe

cL

A

kI

rr

RR


(3) 当 RL=100 kΩ 时：

521.0519.1610

3.3350

3.3350//1002

//1

'

ud

LcL

A

kR

RR


(4) 当单端输出时 (从 V1 管 c1 极输出 ):

2)1(2

1

1

'

Wbes

Lud R

rR

RA

单

kRRR LcL 50//'其中

391.0519.1610

5050

2

1

单udA

单端输出时 , 共模电压放大倍数为

)22

)(1(311

'

oW

bes

Luc

rR

rR

RA

单


式中

cebe

o

LcL

rRRRr

Rr

kRRR

213

3

'

//1

50//

3

3

而 k

Irr

Ebbbe 6.8

16.0

2651300

26)1(

3

'3

所以

61096.1507.1336.8

33501

3or


故

013.03800519.1610

5050

单ucA

其共模抑制比为

dBgA

AgCMR

A

ACMRR

uc

ud

uc

ud

5.693000201201

3000013.0

39

单

单

单

单


总结：

1 、长尾巴差动放大电路的特点及静态计算；

2 、长尾巴差动放大电路的有管参书性能计算；

3 、带有恒流源的差动放大电路的特点及静态计算；

4 、差动放大电路的四种接法。

作业： P148 11 、 12 、 13 习题


前知识回顾：1 、基本的差动放大电路及有关计算；

2 、带有恒流源的差动放大电路；

3 、差动放大电路的四种接法。

§6.3 电流源电路（引言：集成电路中大电阻不易制作，供给个级的直流的偏置电路由恒流源电路代替。模拟集成电路中广泛采用恒流源作偏置电路，基极偏置电流都是由恒流源电路来提供，而集电极负载电阻由恒流源来代替，称为有源负载。根据形式及输出电流的关系不同，分为以下几种。


一、镜像电流源电路

IR

£«U CC

R2IB

RL

£«U CC

IB1

IB2

IE1IE2

IC 1

V1 V2

IR

£«U CC

R RL

£«U CC

IC 2£½Io

IB2

ID E 1

IE2

V2

VDE 1

(a ) 镜像电流源 (b ) 镜像电流等效电路

IC2£½Io

图 6 – 14 镜像电流源及等效电路


因为 V1 管的集电极和基极之间短路 , 所以 V1 管仅仅

相当于一个由其发射结构成的二极管 , 将其记作 VDE1,

因此 , 图 6 - 14(a) 可以等效为图 6 - 14(b) 。由第一章公式(1 - 1) 可知 , PN 结的伏安特性方程为。所以流过 V1 管与 V2 管发射结的电流分别为

1kT

qU

sD eII

1eII 1

1BE

11

kT

qU

sDE

1eII 2

2BE

22

kT

qU

sE


222

2222221

21

2CCC

BBCBEBDER

III

IIIIIIII

当 β>>2 时 ,

R

UUI

II

BECCR

CR

2

2

又因为

所以当 UCC>>UBE2时 ,

R

UI CC

R

当 β>>2, UCC>>UBE2时 , 则：

R

UIII CC

RCo 2


二、威尔逊电流源

IR

£«U CC

R RL

£«U CC

IC 3£½Io

IB1IB 2

IE 3

IC 1

V1 V2

(a ) 威尔逊电流源 (b ) Íþ¶ûÑ·µÈÐ§µçÂ·

2IB

V3

IB 3

IC 2

IR

£«U CC £«U CC

IC3£½Io

IE 3

V1

V3

IB3

IDE2

IE 1

IC1 IB1

VDE2

R RL

图 6 – 15 威尔逊电流源及等效电路

镜像恒流源中，当 β 值较小时，输出电流不能成镜像关系，因此得出如下威尔逊电流源：


12 EDE II

111

11111213

22 CCB

CBBEBDEBE

III

IIIIIIII

333 1 EEC III

113 1

22

1 CCC III

331

1CRBRC IIIII

)22

21(

23

RCo III


当 (β2+2β+2)>>2 时 ,

RCo

RCo

III

III

3

3 22

21

2

由如下例子可以比较两电流源产生的误差大小：

当 β=20 时 , 威尔逊电流源的输出电流 Io与参考电流 IR

之间的相对误差是： %45.0

442

2

22

222

R

Ro

R

o

I

II

I

I


%1.922

2

2

2

I

II

I

I

R

Ro

R

o

而图 6 - 14 的输出电流 Io与参考电流 IR之间的相对误差是：

R

UUUIII BEBECC

RCo23

3

32 ceo rr

由于：2CR I

21I

2

1III RCo 2

可见后者误差远大于前者，且对威尔逊电流源来说， β 变化对输出电流的影响很小。

由于：UBE 对 IO影响较大。

其动态电阻为：


三、比例电流源

IR

£«U CC

R RL

£«U CC

IC 2£½Io

V1 V2

IE 2R e 1

R e 2IE1

IB2

图 6 – 16 比例电流源

其输出电流跟参考电流成一定比例：

当 β>>1 时：2

1

e

e

R

o

R

R

I

I

11

1

e

CC

e

BECCR RR

U

RR

UUI

12

1

2

1

e

CC

e

eR

e

eo RR

U

R

RI

R

RI

上式只有在：时才成立。

101.0 R

o

I

I


四、微电流源

图 6 – 17 微电流源

由图：

2E

1E

e

T2BE1BE

e2E I

Iln

R

U)UU(

R

1I

22

当 β1>> 时， IE1≈IR, IE2≈IC2 ，由此可得：

2C

R

2C

T2 I

Iln

I

UR

为了得到很小的输出电流，在 V2 的射极电路中增加电阻 R2 ，此时的输出电流 IO （即： IC2 ）与基准电流 IR 不再成镜像关系。

R

U

R

UUI CCBECC

R

1


【例 4 】在图 6- 17 电路中 , UCC=15V, IR=1mA, Io=IC2

=10 μA, 常温下 , UT=26mV, 请确定 Re2及 R 的值。

解：由公式 (6 - 55) 得

knI

In

I

UR

o

R

o

Te 12

1010

1011

1010

10261

6

3

6

3

2

kI

U

I

UUR

R

CC

R

BECC 15101

153

1

由公式 (6 - 56) 得

假如用镜像恒流源，要得到 10 μA 的电流， R 的值将达到 1.5MΩ。


五、多路电流源

IR£½706 A

1.5 k IC 3

688 A

IC 447 A

8.6 A

1.45 k

0.6 A

V2

V3V4

0.5 A

1.74 k

42 AIC 1

V1

£½ 80

696.5 A8.6 A

图 6 – 18 多路电流源

用一个参考电流去控制多个输出电流，即可得到多路恒流源：


六、作为有源负载的电流源电路

IRR

V3

V1 RL

R b

U s

£«

£ U BB

IC2

V2

£«U CC

图 6 – 19 有源负载共射放大器


【例 5】图 6 - 20 是集成运放 F007 中的一部分电路 , 它们组成电流源电路 (各元器件的编号均与 F007 电路图中的编号相同 ),

试计算各个管子的电流 , 其中 V12 和 V13 是横向 PNP 管 , β12=β13=2 。

V10 和 V11 是 NPN型管。

mA

R

UUUUI BEBEEECC

R

73.039

6.28

5

1112

V1 3

V11

R5IR

V1 2

U CC £½15 V

39 k

R 4

3 k

IC10

£ U EE £½£ 15 V

V10

IC13

解流过电阻 R5 的电流就是参考电流 IR, 即

第六章集成运算放大器 V10 、 V11 构成微电流源 ,

根据式 (6 - 55) 得：

410

10

1 RII

InU C

C

RT

IC10的单位为微安 , 利用作图法或试探法

求得 IC10≈28μA 。

V12 和 V13 组成镜像电流源 , 由于 β 较小 ,则利用式 (6–40) 得

10

10

7302613

CC I

nI

1213365.073.0

22

2

213

13CRC ImAII

V1 3

V11

R5IR

V1 2

U CC £½15 V

39 k

R 4

3 k

IC10

£ U EE £½£ 15 V

V10

IC13


§6.4 集成运算放大器介绍

集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路，一般由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成。为了抑制零点漂移 , 所以对温漂影响最大的输入级毫无例外地采用了差动放大电路。为了提高放大倍数 , 中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路 ( 将在第九章中讲述 ), 为提高此电路的带负载能力 , 多采用互补对称输出级电路。用镜像恒流源、微恒流源、多路恒流源等构成偏置电路。

一、概述：

二、电路结构


£ 15 V

V2V1

V3 V4

V5 V6

V7

R1

R 2 R3

¢Ù

¢Û

¢Ü

¢Ý

¢Þ

IC

V8 V9

I34

R 4

V12

V17

V16V11V10

V13

R 5

IR

30 pF

R7

R8

V15

V18

V19

V14

VD1

VD2

R 9

R10

¢ß

£«15 V

8

¢Ú

£«

£ u i

IC

1 k 50 k

Rw

3 k

39 k C

4.5 k

7.5 k

50 k

25 k

u o

外接调零电位器

输入级偏置电路中间级输出级

9

IC10

1 k

图 6 – 21 F007 的电路原理图


1 、偏置电路

图 6 - 22 F007 的偏置电路

参考电流：

5

1112

R

UUUUI BEBEEECC

R

34910III CC


2 、输入级

图 6 - 23 F007 的输入级电路

V8 和 V9

不仅是镜像电流源 , 而且还与 V10 、 V11 组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定 IC1

、IC2

, 从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下 :


91098

1

234 CCCC

I

I IIIIIT C

C

( 因为 IC10是恒定电流 )

1

2

C

C

I

I3

4

C

C

I

I


6.4.3 中间级

图 6 - 24 F007 的中间级电路


4 、输出级和过载保护

图 6 - 25 F007 的输出级电路


§6.5 集成运放的性能指标一、开环差模电压放大倍数 Aod

Aod 是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放

大倍数 , 即

id

ood U

UA

对于集成运放而言 , 希望 Aod 大 , 且稳定。目前高增益集成运放的 Aod 可高达 140dB(107 倍 ), 理想集成运放认为 A

od 为无穷大。


二、最大输出电压 U op-p

0.1 0.2 0.3 0.4 U id / mV£ 0.1

£ 0.2

£ 0.3

£ 0.4

10

£ 10

线性区

U o / V

£«

£ ¡Þ

£«U id

0

图 6 – 26 集成运放的传输特性


rid 的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流

的大小。要求 rid愈大愈好 , 一般集成运放 rid 为几百千欧至几兆欧 ,

故输入级常采用场效应管来提高输入电阻 rid 。 F007 的 rid=2 MΩ 。

认为理想集成运放的 rid 为无穷大。

三、差模输入电阻 rid

ro 的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时

只用最大输出电流 Io max 表示它的极限负载能力。认为理想集成运

放的 ro 为零。

四、输出电阻 ro


共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力 , 其定义同差动放大电路。 CMRR愈大愈好 , 理想集成运放的 CMR

R 为无穷大。

五、共模抑制比 CMRR

六、最大差模输入电压 Uid max

从集成运放输入端看进去 , 一般都有两个或两个以上的发射

结相串联 , 若输入端的差模电压过高 , 会使发射结击穿。 NPN

管 e 结击穿电压仅有几伏 , PNP横向管的 e 结击穿电压则可达数

十伏 , 如 F007 的 U id max 为 ±30V 。


输入端共模信号超过一定数值后 , 集成运放工作不正常 , 失去差模放大能力。 F007 的 Uic max 值为 ±13V 。

七、最大共模输入电压 U ic max

该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压 ( 去掉外接调零电位器 ), 它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时 , 输出也为零 , 但实际中往往输出不为零 , 将此电压折合到集成运放的输入端的电压 ,

常称为输入失调电压 UIO 。其值在 1~10mV范围 , 要求愈小愈好。

八、输入失调电压 UIO


九、输入偏置电流 IIB 和输入失调电流 IIO

)(2

1211 BBB III

211 BBO III

输入偏置电流是指输入差放管的基极 (栅极 ) 偏置电流 , 用表示 ;

　　 IIB 和 IIO愈小 , 它们的影响也愈小。 IIB 的数值通常为十

分之几微安 , 则 IIO 更小。 F007 的 IIB=200nA, IIO 为 50~100nA 。

而将 IB1、 IB2

之差的绝对值称为输入失调电流 IIO, 即


十、输入失调电压温漂和输入失调电流温漂

它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的

办法可以补偿 UIO 、 IIB 、 IIO 的影响 , 使直流输出电压调

至零伏 , 但却很难补偿其温度漂移。低温漂型集成运放

可做到 0.9μV/℃以下 , 可做到 0.009μA/℃以下。 F

007 的

dT

dU o1

dT

dI o1

dT

dU o1

dT

dI o1

CnAdT

dICV

dT

dU Oo /1,/30~20 11


　　在第三章“频率特性”中我们已讲过 , 随着输入信号频率上升 , 放大电路的电压放大倍数将下降 , 当 Aod 下降到中频时的 0.707 倍时为截止频率 , 用分贝表示正好下降了 3dB, 故对应此时的频率 fh 称为上限截止频率 , 又常称为 -3dB带宽。

当输入信号频率继续增大时 , Aod继续下降；当 Aod=1 时 , 与此对应的频率 fc 称为单位增益带宽。 F007 的 fc=1MHz 。

十一、 -3dB 带宽 fh


　　频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中 ,

有时需要集成运放工作在大信号情况 ( 输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压 U op-p), 此时用转换速率表示其特性

dt

dUSR o

直流指标 : 。、、、、dT

dI

dT

dUIIU OO

IBOO11

11

小信号指标 : choidod ffCMRRrrA 、、、、、

大信号指标 : 。、、、、 SRUUIU icidopop maxmaxmax

十二、转换速率 SR


总结：

作业：　 P149 12 、 13 14 习题

1 、差分放大电路的电路结构及功能特点；

2 、长尾巴差分放大器的有关计算；

3 、带有恒流源差分放大器的有关计算；

4 、差分放大器的四中连接形式及有关结论；

5 、电流源电路的基本概念及几种形式；

6 、集成运放的基本特点及组成；

7 、典型集成运放 F007 的内部电路结构及功能；

8 、集成运放的性能指标。

前知识回顾：

Documents

Transcript of 前知识回顾：