《模拟电子技术》教案 第四章集成运算放大器 教学目的： 1、了解集成运放的组成及特点 2、了理集成运放的主要参数 3、掌握镜像电流源电路的分析与计算 教学重点： 电流源电路的分析 教学难点： 电流源电路的动态计算 §4-1概述 集成运算放大器=硅片十三极管+电阻+连接导线。 外形封装： 集成电路的特点： 1、元器件参数的绝对误差大，相对误差小，具有同向偏差，温度均一性好， 容易制成配对管或电阻。 2、不易制作太小和太大的电阻，一般在几十Ω到几十k2之间。大电阻多 用恒流源来代替，或外接电阻。集成电路中晶体管多而电阻少。 3、电容一般由PN结结电容构成，容量一般在几十pF以下，误差也较大。 必须用大电容时可以外接。电感更不易制作。级间耦合绝大多数采用直接耦合的 方式。 4、NPN管一般为纵向管，而PNP管只能是横向管，B值比较小。在分析时 PNP管的工作情况时由于B=1~5,B和B+1值差别比较大，不能认为近似相 等，IB和Ic相差不大，并且IB往往不能忽略。 总起来说，集成运放和分立器件构成的直流放大电路虽然在工作原理上基本 相同，但在电路的结构形式上二者有比较大的差别
《模拟电子技术》教案 1 第四章 集成运算放大器 教学目的： 1、了解集成运放的组成及特点 2、了理集成运放的主要参数 3、掌握镜像电流源电路的分析与计算 教学重点： 电流源电路的分析 教学难点： 电流源电路的动态计算 §4-1 概述 集成运算放大器＝硅片＋三极管＋电阻＋连接导线。 外形封装： 集成电路的特点： 1、元器件参数的绝对误差大，相对误差小，具有同向偏差，温度均一性好， 容易制成配对管或电阻。 2、不易制作太小和太大的电阻，一般在几十 Ω 到几十 kΩ 之间。大电阻多 用恒流源来代替，或外接电阻。集成电路中晶体管多而电阻少。 3、电容一般由 PN 结结电容构成，容量一般在几十 pF 以下，误差也较大。 必须用大电容时可以外接。电感更不易制作。级间耦合绝大多数采用直接耦合的 方式。 4、NPN 管一般为纵向管，而 PNP 管只能是横向管，β值比较小。在分析时 PNP 管的工作情况时由于β＝1～5，β和β＋1 值差别比较大，不能认为近似相 等，IB和 IC 相差不大，并且 IB往往不能忽略。 总起来说，集成运放和分立器件构成的直流放大电路虽然在工作原理上基本 相同，但在电路的结构形式上二者有比较大的差别
《模拟电子技术》教案 §4-2集成运放的基本组成及基本电路 集成运放内部电路通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间放大级、输 出级和直流偏置电路。 一、电流源电路 电流源电路在集成运放中主要应用在两个方面，一是构成集成运放的直流偏 置电路，二是作为放大电路的有源负载。 1.基本电流源电路 基本电流源电路一一固定偏流的三极管电路。 Vcc -UBE 电路中IB= 当晶体管处于放大工作区时Ic=BIB与负载电阻RL基本无关，即Ic不受R,变化 的影响，电路呈现电流源特性。恒流特性并不好（温度稳定性），实际应用并不 多 2.镜像电流源电路 镜像电流源是在集成运放中应用十分广泛的一种电流源电路。 基准电流IREF计算 Vcc-UBEL IREF=R 由于VT1和VT2对称，UBE1=UB2=UBE IB1=IB2=IB、IC1=IC2=Ic 1c2 则 IC2=ICI=IREF-2IB=IREF-2 6 1 2 1+ 所以 IC=IREF 6 当满足条件B>>2时，上式可简化为 Vcc -UBEI IC2≈IREF=R 由上式可知，输出电流Ic2与基准电流IF接近相等，镜像关系，故得名镜像电 流源。 优点：结构简单，而且具有一定的温度补偿作用。 缺点：(1)Ic2随电源电压Vcc变化。不适用电源电压变化范围宽的场合。 2
《模拟电子技术》教案 2 §4-2 集成运放的基本组成及基本电路 集成运放内部电路通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间放大级、输 出级和直流偏置电路。 一、电流源电路 电流源电路在集成运放中主要应用在两个方面，一是构成集成运放的直流偏 置电路，二是作为放大电路的有源负载。 1．基本电流源电路 基本电流源电路――固定偏流的三极管电路。 电路中 IB＝ 当晶体管处于放大工作区时 IC=βIB 与负载电阻 RL 基本无关，即 IC 不受 RL 变化 的影响，电路呈现电流源特性。恒流特性并不好（温度稳定性），实际应用并不 多 2．镜像电流源电路 镜像电流源是在集成运放中应用十分广泛的一种电流源电路。 基准电流 IREF 计算 IREF＝ 由于 VT1 和 VT2 对称，UBE1＝UBE2＝UBE IB1＝IB2＝IB 、IC1＝IC2＝IC 则 IC2＝IC1＝IREF－2IB＝IREF－2 所以 IC2＝IREF 当满足条件β>>2 时，上式可简化为 IC2≈IREF＝ 由上式可知，输出电流 IC2 与基准电流 IREF 接近相等，镜像关系，故得名镜像电 流源。 优点：结构简单，而且具有一定的温度补偿作用。 缺点：（1）IC2 随电源电压 VCC变化。不适用电源电压变化范围宽的场合
《模拟电子技术》教案 (2)要做到微安级，则R的阻值必须很大，而在IC中制作一个大电阻困 难。 (3)电路对温漂没有抑制作用，故Ic2受温度影响大。 (4)输出电阻Ro=rce2,理想电流源的输出电阻应趋向无穷大。 3.微电流源电路 UBE1-UBE2=IE2ReIc2Re 由二极管方程可知 UBE % Ic=ls(e所-1)≈se Ic Ic2 则 UBEI-UBE2≈UT(lns1-lns2)≈Ic2Re 设 Is1≈Is2 IeL 即得 UTIn-c2≈lc2Re 解上式即可由Ic1求出I。。但由于上式是一个超越方程，可用图解法或试探法求 解。实际中在集成电路的设计中，不是给定了Ia和Re来求Ic2,而是先选择合 适的Ic1,再根据所需的Ic2来求Re,这样计算起来非常容易。 与镜像电流源相比，微电流源有如下特点： (一切源自Re的负反馈) (1)提高了恒流源对电源变化的稳定性。 (2)提高了恒流源对温度变化的稳定性。 (3)提高了输出电阻。 4.多路电流源 用同一个参考电流IEF同时产生多路输出电流的电流源电路。 4.恒流源式差动放大电路 ·原因 由前面分析可知，Rc对差模增益无影响，对共模增益则Re愈大愈好。但Rε 增大受限。解决办法：采用恒流源，它在较小的直流电压下具有很大的动态电阻， 用它替代Re时，VEE不必很大，但动态时相当于接入一个很大的电阻一一恒流源 式差动放大电路。 (1)电路组成
《模拟电子技术》教案 3 （2）要做到微安级，则 R 的阻值必须很大，而在 IC 中制作一个大电阻困 难。 （3） 电路对温漂没有抑制作用，故 IC2 受温度影响大。 （4） 输出电阻 RO＝rce2，理想电流源的输出电阻应趋向无穷大。 3．微电流源电路 UBE1－UBE2＝IE2Re≈IC2Re 由二极管方程可知 IC＝IS（e ）≈IS e 则 UBE1－UBE2≈UT（ln －ln ）≈IC2Re 设 IS1≈IS2 即得 UTln ≈IC2Re 解上式即可由 IC1 求出 IC2。但由于上式是一个超越方程，可用图解法或试探法求 解。实际中在集成电路的设计中，不是给定了 IC1 和 Re 来求 IC2，而是先选择合 适的 IC1，再根据所需的 IC2 来求 Re，这样计算起来非常容易。 与镜像电流源相比，微电流源有如下特点： （一切源自 Re 的负反馈） （1）提高了恒流源对电源变化的稳定性。 （2）提高了恒流源对温度变化的稳定性。 （3）提高了输出电阻。 4．多路电流源 用同一个参考电流 IREF 同时产生多路输出电流的电流源电路。 4．恒流源式差动放大电路 ·原因 由前面分析可知，Re 对差模增益无影响，对共模增益则 Re 愈大愈好。但 Re 增大受限。解决办法：采用恒流源，它在较小的直流电压下具有很大的动态电阻， 用它替代 Re 时，VEE 不必很大，但动态时相当于接入一个很大的电阻――恒流源 式差动放大电路。 （1） 电路组成
《模拟电子技术》教案 ·i3≈ic3=2ic1=2ic2,所以ic和ic2将不会因温度的变化而同时增大或减 小。 恒流源的动态等效电阻很大，可有效抑制了共模信号的变化。这种差动 放大电路在电路、器件严格匹配的情况下，KCR可达104以上。 +V cc Rc VT: un R VT: R VT, VTi uo VD U (a) V亚 (2)静态分析 电路通常从确定恒流源的电电流开始。从VT3的发射结电路开始分析。 URe=Uz-UBE3 UUz-V Ic≈IE3=R。=R 1 Icol =Ico2=Ico=2 Ic3 Ico IBQI=IBQ2=B =IBQ UBQI=UBQ2=UBQ=-IBOR UEQ=UBQ-UBE Uco1 =UcQ2=UcQ=Vcc-IcoRc 这样就可很方便地计算出个静态值。 (3)动态分析 由于恒流三极管相当于一个阻值很大的射极电阻，对差模信号没有影响，所 以恒流源式差放的交流通路与射极耦合差放的交流通路相同。因而二者的差模电 压放大倍数Ad、差模输入电阻Rd和输出电阻Ro均相同。对共模信号而言，相 当于在射极上接有一个很大的电阻，所以共模电压放大倍数很小。 4
《模拟电子技术》教案 4 · iE3≈iC3＝2iC1＝2iC2，所以 iC1 和 iC2 将不会因温度的变化而同时增大或减 小。 · 恒流源的动态等效电阻很大，可有效抑制了共模信号的变化。这种差动 放大电路在电路、器件严格匹配的情况下，KCMR 可达 以上。 （2）静态分析 电路通常从确定恒流源的电电流开始。从 VT3 的发射结电路开始分析。 URe＝UZ－UBE3 IC3≈IE3＝ ＝ ICQ1＝ICQ2＝ICQ＝ IC3 IBQ1＝IBQ2＝ ＝IBQ UBQ1＝UBQ2＝UBQ＝－IBQR UEQ＝UBQ－UBE UCQ1＝UCQ2＝UCQ＝VCC－ICQRC 这样就可很方便地计算出个静态值。 （3）动态分析 由于恒流三极管相当于一个阻值很大的射极电阻，对差模信号没有影响，所 以恒流源式差放的交流通路与射极耦合差放的交流通路相同。因而二者的差模电 压放大倍数 Ad、差模输入电阻 Rid 和输出电阻 Ro 均相同。对共模信号而言，相 当于在射极上接有一个很大的电阻，所以共模电压放大倍数很小
《模拟电子技术》教案 三、有源负载 目的：提高Au;保证合适的Q点，用电流源来代替Rc 13 10。 1c2 V亚 Vcc -UBE3 由图即可确定放大电路的工作电流I= R Brce3 则有源负载的电压放大倍数为Au=一be 式中rce3为镜像电流源中VT3的输出电阻。可见，由于rce3的阻值很大，从而获 得了较大的电压放大倍数。 ·采用有源负载的差动放大电路 电路的静态工作电流由VT1、VT2发射极的恒流源决定。即电路对称时 1 IcI=Ic2=2I ·双端转单端原理 对输入信号而言，如果加上差模输入电压，如图4-2-22所示极性，则i1将增大， ic2将减小，而且可以认为△iC1=一△ic2。当VT3、VT4的B足够大时，可忽 略VT3、VT4的基极电流，认为△icI≈△ic3。而VT3、VT4又组成镜像电流源， 则△ic3≈△ic4,于是我们可得△iC2≈一△ic4,则输出电流为 △io=△ic4-△ic2=2△ic4 可见，电路虽然采用单端输出接法，却可以获得相当于双端输出时的电流变化量。 这种采用有源负载的差动放大电路，在集成运放中的应用十分广泛。 J
《模拟电子技术》教案 5 三、有源负载 目的：提高 Au；保证合适的 Q 点，用电流源来代替 Rc 由图即可确定放大电路的工作电流 I＝ 则有源负载的电压放大倍数为 Au＝－ 式中 rce3 为镜像电流源中 VT3 的输出电阻。可见，由于 rce3 的阻值很大，从而获 得了较大的电压放大倍数。 ·采用有源负载的差动放大电路 电路的静态工作电流由 VT1、VT2 发射极的恒流源决定。即电路对称时 IC1＝IC2＝ I ·双端转单端原理 对输入信号而言，如果加上差模输入电压，如图 4-2-22 所示极性，则 ic1 将增大， ic2 将减小，而且可以认为 ΔiC1＝－ΔiC2。当 VT3、VT4 的β足够大时，可忽 略 VT3、VT4 的基极电流，认为ΔiC1≈ΔiC3。而 VT3、VT4 又组成镜像电流源， 则ΔiC3≈ΔiC4，于是我们可得ΔiC2≈－ΔiC4，则输出电流为 ΔiO＝ΔiC4－ΔiC2＝2ΔiC4 可见，电路虽然采用单端输出接法，却可以获得相当于双端输出时的电流变化量。 这种采用有源负载的差动放大电路，在集成运放中的应用十分广泛
《模拟电子技术》教案 §4-3集成运放的典型电路及主要技术指标 集成运放电路是一种高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直流放大 电路，大多数的集成运放由42节介绍的基本电路组合而成。本节将简要地介绍 几种典型的集成运放电路。 一、双极型集成运放CF741 C℉741是第二代通用型集成运放，该运放的差模电压范围和共模电压范围 宽、增益高，负载能力强，在通用运放系列中除频带较窄外，其它性能全面改进。 此外，还采用内频率补偿，使用方便。因此在大多数应用中可取代其它通用运放， 目前应用比较广泛。它由输入级、偏置电路、中间级、输出级等构成。 简介工作原理。 二、主要技术指标 集成运放的输入级通常由差动放大电路组成，因此一般具有两个输入端及一 个输出端，还有其它用以连接电源电压等的引出端。两个输入端中，一个输入端 与输出端的相位关系相反，称为反相输入端，另一个输入端与输出端的相位关系 相同，称为同相输入端。 运算放大器的符号： 为了描述集成运放各方面的技术性能，提出了许多项技术指标，常用的有以 下十三种： 1.开环差模电压增益Aod Ad是指运放在无外加反馈状态下的差模电压放大倍数，一般用对数表示， 即 △Uo Aod=20lg AU,-AU (dB) 理想时Ad为无穷大。实际的运放一般Ad为100dB左右，高质量的运放Ad可 达140dB。 2.共模抑制比KCMR 6
《模拟电子技术》教案 6 §4-3 集成运放的典型电路及主要技术指标 集成运放电路是一种高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直流放大 电路，大多数的集成运放由 4.2 节介绍的基本电路组合而成。本节将简要地介绍 几种典型的集成运放电路。 一、双极型集成运放 CF741 CF741 是第二代通用型集成运放，该运放的差模电压范围和共模电压范围 宽、增益高，负载能力强，在通用运放系列中除频带较窄外，其它性能全面改进。 此外，还采用内频率补偿，使用方便。因此在大多数应用中可取代其它通用运放， 目前应用比较广泛。它由输入级、偏置电路、中间级、输出级等构成。 简介工作原理。 二、主要技术指标 集成运放的输入级通常由差动放大电路组成，因此一般具有两个输入端及一 个输出端，还有其它用以连接电源电压等的引出端。两个输入端中，一个输入端 与输出端的相位关系相反，称为反相输入端，另一个输入端与输出端的相位关系 相同，称为同相输入端。 运算放大器的符号： 为了描述集成运放各方面的技术性能，提出了许多项技术指标，常用的有以 下十三种： 1．开环差模电压增益 Aod Aod 是指运放在无外加反馈状态下的差模电压放大倍数，一般用对数表示， 即 Aod＝20lg (dB) 理想时 Aod 为无穷大。实际的运放一般 Aod 为 100dB 左右，高质量的运放 Aod可 达 140dB。 2．共模抑制比 KCMR
《模拟电子技术》教案 共模抑制比的定义是开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，一般也用 分贝表示，即 Aod KCMR=201g (dB) 多数集成运放的KcMR在80dB以上，高质量的运放可达l60dB
《模拟电子技术》教案 7 共模抑制比的定义是开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，一般也用 分贝表示，即 KCMR＝20lg （dB） 多数集成运放的 KCMR 在 80dB 以上，高质量的运放可达 160dB。 ……
《模拟电子技术》教案 §4-4理想集成运放 一、理想运放的技术指标 集成运放实际上是一个高性能的直流放大电路，如果我们将运放的各项指标 理想化，就得到了一个理想的运放模型。对于运放其各项理想指标为： 开环差模电压增益Aod=o∞： 差模输入电阻Rid=∞；输入偏置电流IB=O: 输出电阻ro=0: 共模抑制比KCMR=∞； 各种失调以及它们的温度漂移(Uo、aUIo、Io、aIo)均为零； 一3dB带宽fH=oo;SR=oo,等等。 在分析电路时，常将实际运放看成理想运放。而实际运放与理想运放间所引 起的误差，一般在容许的范围内，通常忽略。 在集成运放的应用中，我们一般将运用电路分为两大类：线性应用与非线性 应用，它们各自有不同点特点。 二、理想运放工作在线性工作区的特点 线性应用是运放工作在运放的线性工作区。当运放工作在线性工作区时，集 成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性关系，即 Uo=Aod (u+-u-) 式中uo是运放的输出电压；u+和u-分别是其同相输入端和反相输入端的输 入电压；Aod是其开环差模电压增益， u01 +U0理 1 理想特性 实际特性 11 U+ 0 U+-U- 理想运放工作在线性工作区时有两个重要特 -0og」 非线性区 非线性区 点： 线性区 1.理想运放的差模输入电压等于零 因理想运放的Aod=c∞，输出信号uo为有限值，所以可得 u+-u= u。=0 即 u+=u-
《模拟电子技术》教案 8 §4-4 理想集成运放 一、理想运放的技术指标 集成运放实际上是一个高性能的直流放大电路，如果我们将运放的各项指标 理想化，就得到了一个理想的运放模型。对于运放其各项理想指标为： 开环差模电压增益 Aod＝∞； 差模输入电阻 Rid＝∞；输入偏置电流 IIB＝0； 输出电阻 ro＝0； 共模抑制比 KCMR＝∞； 各种失调以及它们的温度漂移（UIO、αUIO、IIO、αIIO）均为零； －3dB 带宽 fH＝∞；SR＝∞，等等。 在分析电路时，常将实际运放看成理想运放。而实际运放与理想运放间所引 起的误差，一般在容许的范围内，通常忽略。 在集成运放的应用中，我们一般将运用电路分为两大类：线性应用与非线性 应用，它们各自有不同点特点。 二、理想运放工作在线性工作区的特点 线性应用是运放工作在运放的线性工作区。当运放工作在线性工作区时，集 成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性关系，即 uo＝Aod（u＋－u－） 式中 uo 是运放的输出电压；u＋和 u－分别是其同相输入端和反相输入端的输 入电压；Aod 是其开环差模电压增益， 理想运放工作在线性工作区时有两个重要特 点： ⒈ 理想运放的差模输入电压等于零 因理想运放的 Aod＝∞，输出信号 uo 为有限值，所以可得 即 u＋＝u－
《模拟电子技术》教案 上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路 一样。但并非真正的短路，故称其为“虚短”。 实际的运放Ad≠∞，因此u+与u-不可能完全相等。但是当Ad足够大时，则其 差模输入电压(u+一u-)的值很小，一般可以忽略不计。 2.理想运放输入电流等于零 由于理想运放的差模输入电阻Rid=∞，因此在其两个输入端的电流均为零， 即 i4=i-=0 此时运放的两个输入端的电流都等于零，如同被断开一样，故称其为“虚断”。 强调：“虚短”与“虚断”是理想运放工作在线性工作区时的两个重要结论。 是作为今后分析许多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢掌握。 三、理想运放工作在非线性工作区时的特点 如果运放的差动输入信号太大使得运放的工作范围超出了线性放大的范围， 则输出电压不再随输入电压线性增长，而将达到饱和，集成运放的电压传输特性 如图4-5-2所示。 两个重要特点：（非线性区） 1.理想运放的输出电压u只有两种可能的值，即等于正饱和的值十Uop 或等于负饱和值一Uopp,如图4-5-2中的实线所示，而运放的输入电压u+与u- 也不相等，即u+≠u-。也就是说，“虚短”现象将不存在。 当u+>u-时，o=十Uopp 当u+<u-时，uo=一Uopp 2.理想运放的输入电流等于零 在非线性工作区，由于理想运放的差模输入电阻Rid=o∞，虽然两个输入端 的电压不相等，因此在其两个输入端的电流仍然为零，即 i4=i-=0 此时理想运放仍然有“虚断”的特点。 说明：运放电压的传输特性曲线线性区、非线性区 强调：集成运放的线性应用与非线性应用的分析方法有很大的不同，因此在 分析电路时，首先应该区分清楚运放工作在线性工作区还是非线性工作区。 问题：如何区分？ 9
《模拟电子技术》教案 9 上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路 一样。但并非真正的短路，故称其为“虚短”。 实际的运放 Aod≠∞，因此 u＋与 u－不可能完全相等。但是当 Aod 足够大时，则其 差模输入电压（u＋－u－）的值很小，一般可以忽略不计。 ⒉ 理想运放输入电流等于零 由于理想运放的差模输入电阻 Rid＝∞，因此在其两个输入端的电流均为零， 即 i＋＝i－＝0 此时运放的两个输入端的电流都等于零，如同被断开一样，故称其为“虚断”。 强调：“虚短”与“虚断”是理想运放工作在线性工作区时的两个重要结论。 是作为今后分析许多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢掌握。 三、理想运放工作在非线性工作区时的特点 如果运放的差动输入信号太大使得运放的工作范围超出了线性放大的范围， 则输出电压不再随输入电压线性增长，而将达到饱和，集成运放的电压传输特性 如图 4-5-2 所示。 两个重要特点： （非线性区） ⒈ 理想运放的输出电压 uo只有两种可能的值，即等于正饱和的值＋Uopp， 或等于负饱和值－Uopp，如图 4-5-2 中的实线所示，而运放的输入电压 u＋与 u－ 也不相等，即 u＋≠u－。也就是说，“虚短”现象将不存在。 当 u＋＞u－时，uo＝＋Uopp 当 u＋＜u－时，uo＝－Uopp ⒉ 理想运放的输入电流等于零 在非线性工作区，由于理想运放的差模输入电阻 Rid＝∞，虽然两个输入端 的电压不相等，因此在其两个输入端的电流仍然为零，即 i＋＝i－＝0 此时理想运放仍然有“虚断”的特点。 说明：运放电压的传输特性曲线 线性区、非线性区 强调：集成运放的线性应用与非线性应用的分析方法有很大的不同，因此在 分析电路时，首先应该区分清楚运放工作在线性工作区还是非线性工作区。 问题：如何区分？
《模拟电子技术》教案 由于运放的开环差模增益A很大，在线性应用时，为了保证运放工作在线性工 作区，一般必须在电路中加入深度负反馈，以减小两个输入端的净输入信号差。 o
《模拟电子技术》教案 10 由于运放的开环差模增益 Aod 很大，在线性应用时，为了保证运放工作在线性工 作区，一般必须在电路中加入深度负反馈，以减小两个输入端的净输入信号差