第11章 集成运算放大器及其应用

上式表明，差动放大电路的差模电压放大倍数和 单管放大电路的电压放大倍数相同。多用一个放大管 后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂 的抑制。这正是差动放大电路的优点。
差动放大电路对共模输入信号的放大倍数叫做共 模电压放大倍数，用Auc表示，可以推出，当输入共 模信号时，Auc为
Au c u o u C1 u C 2 0 0 ui c ui1 ui1
由于集成运放的电压放大倍数Ao d和输入电阻Ri d 都非常大（理想情况下，两者约等于∞），于是可以 推得 u u
i i 0
注意：“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线 性区时的两个重要特点。这两个特点常常作为今后分 析运放应用电路的出发点，因此必须牢固掌握。
（2）集成运放工作在非线性区的特性 如果运放的工作信号超出了线性放大范围，则输 出电压与输入电压不再满足式（11-1），即uo不再随 差模输入电压（u+ - u -）线性增长，uo将达到饱和。 此时集成运放的输出电压uo只有两种取值：或等于运 放的正向最大输出电压+UOM，或等于其负向最大输 出电压-UOM，具体为 当u + ＞u - 时，uo = +UOM 当u + ＜u - 时，uo = -UOM 另外，因为集成运放的输入电阻Ri d很大，故在 非线性区仍满足输入电流等于零，即式（11-3）对非 线性工作区仍然成立。
有时，为了简化起见，常常不把恒流源式差动放 大电路中恒流管T3的具体电路画出，而采用一个简化 的恒流源符号来表示，如图11-7所示。
二、输出级——功率放大电路 集成运放的输出级是向负载提供一定的功率，属 于功率放大，一般采用互补对称的功率放大电路。 1. 功率放大电路的特点 （1）因为信号的幅度放大在前置电路中已经完成， 所以功率放大电路对电压放大倍数并无要求。由于射 极输出器的输出电流较大，能使负载获得较大输出功 率，并且它的输出电阻小，带负载能力强，因此通常 采用射极输出器作为基本的功率放大电路。不过单个 的射极输出器对信号正负半周的跟随能力不同，在实 用的功率放大电路中大多采用双管的互补对称电路形 式。
11.1 集成运算放大器的特性 11.2 集成运算放大器的组成
11.3 集成运算放大器应用电路
本章内容提要
重点：
（1）集成电路的发展及分类；
（2）集成运放的输入级——差动放大电路； （3）集成运放的输出级——功率放大电路； （4）集成运放的应用电路；
难点：
（1）理想运放的指标；
（2）“虚短”和“虚断”的含义及应用； （3） 运放应用电路的分析。
3. 集成运放的两种工作状态 在各种应用电路中集成运放的工作状态有线性和 非线性两种状态，在其传输特性曲线上对应两个区域， 即线性区和非线性区。 （1）集成运放工作在线性区的特性 当工作在线性区时，运放的输出电压与两个输入端电 压之间存在着线性放大关系，即
u o Aod (u u )
上式表明，差动放大电路对共模信号没有放大作 用。
由电压放大倍数可以看出，差动放大电路只对差 模信号有放大作用，而对共模信号没有放大作用，这 正是我们所希望的结果。因为共模信号就是由于外界 干扰而产生的有害信号，如零漂信号，必须加以抑制。 这里可以这样解释：差动放大电路具有对称结构，当 有外界干扰时，例如温度变化，对两只管子的影响完 全相同，因此在两输入端产生的输入信号也完全相同， 这就是共模输入信号。 综上所述，差动放大电路要想放大输入信号，必 须使两输入端的信号有差别，正所谓“输入有差别， 输出才有变动”，差动放大电路由此得名。
11.1 集成运算放大器的特性
集成电路概述：集成运算放大器简称集成运放，其内部实质上是
一个高放大倍数的直接耦合的多级放大电路。其内部包含数百 个晶体管、电阻和电容，但体积只有一个小功率晶体管那么大， 功耗也仅有几毫瓦至几百毫瓦，但功能很多。集成运放的放大 倍数取决于外接的反馈电阻，这给使用带来很大方便。集成运 放的种类有通用型运算放大器，如μA709、5G922、FC1、FC31、 F005、4E320、8FC2、SG006、BG305等；通用Ⅲ型有F748、 F108、XFC81、F008、4E322等；低功耗放大器Μpc253、7XC4、 5G26、F3078等；低噪声运算放大器，如F5037、XFC88；高速 运算放大器，如国产型号有F715、F722、4E321、F318，国外 型号有μA702；此外还有电流型、单电源型、跨导型、静电型 和程控型运算放大器等。
2
差模输入电路如图11-3所示。
在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、 极性相同的信号，即ui1 = ui2，这种输入方式称为 共模输入，所输入的信号称为共模输入信号，用ui c 表示。ui c与两输入端的输入信号有以下关系 uic = ui1 = ui 2 共模输入电路如图11-4所示。
I BQ VEE U BEQ R 2(1 ) RE
静态集电极电流和电位为 ICQ ≈IBQ
UCQ = VCC - ICQ Rc （对地)
静态基极电位为
UBQ = - IBQR （对地)
（2）动态分析 当输入差模信号时，由于两管的输入电压大小相 等、方向相反，流过两管的电流也大小相等、方向也 相反，结果使得长尾电阻Re上的电流变化为零，则uE = 0。可以认为：Re对差模信号呈短路状态。 当输入差模信号时，一管集电极电位降低，另一 管集电极电位升高，而且升高与降低的数值相等，于 是可以认为负载RL中点处的电位为零。也就是说，在 RL/2处相当于交流接地。 根据交流通路可得差模电压放大倍数为
11.2 集成运算放大器的组成
集成运放的内部通常包含4个基本组成部分，即输 入级、中间级、输出级和偏置电路，输入级的作用是 提供与输出端成同相和反相关系的两个输入端，通常 采用差动放大电路，对其要求是温漂要小，输入电阻 要大。中间级主要是完成电压放大任务，要求有较高 的电压增益，一般采用带有源负载的共射电压放大电 路。输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大， 一般采用互补对称的功率放大器。偏置电路是向各级 提供稳定的静态工作电流，一般采用电流源。下面主 要介绍输入级和输出级。
3. 恒流源式差动放大电路 在长尾式差动放大电路中，Re越大，抑制零漂的 能力越强。但Re的增大是有限的，原因有两个：一是 在集成电路中难于制作大电阻；二是在同样的工作电 流下Re 越大，所需VEE将越高。为此，可以考虑采用 一个三极管代替原来的长尾电阻Re 。 在三极管输出特性的恒流区，当集电极电压有一 个较大的变化量△uCE时，集电极电流iC基本不变。 u CE 此时三极管C-E之间的等效电阻 rCE 的值很大。 iC 用恒流三极管充当一个阻值很大的长尾电阻RE，既可 在不用大电阻的条件下有效地抑制零漂，又适合集成 电路制造工艺中用三极管代替大电阻的特点，因此， 这种方法在集成运放中被广泛采用。恒流源式差动放 大电路如图11-6所示。
2. 理想集成运放 在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中 的集成运放看成是一个理想的运算放大器。所谓理想 运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即认为 集成运放的各项指标为：开环电压放大倍数Ao d = ∞， 输入电阻Ri d = ∞，输出电阻Rod = 0，共模抑制比 KCMR = ∞，输入失调电压、失调电流以及它们的零 漂均为零。 实际的集成运放当然达不到上述理想化的技术指 标。但由于集成运放工艺水平的不断提高，集成运放 产品的的各项性能指标愈来愈好。因此，一般情况下， 在分析估算集成运放的应用电路时，将实际运放看成 理想运放所造成的误差，在工程上是允许的。后面的 分析中，如无特别说明，均将集成运放作为理想运放 进行讨论。
1. 基本差动放大电路 （1）两种类型的输入信号 将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组 合在一起，就成为差动放大电路的基本形式，如图112所示。
在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、 极性相反的信号，即ui1 = -ui 2，这种输入方式称为 差模输入。差模输入方式下，差动放大电路两输入端 总的输入信号称为差模输入信号，用ui d表示，ui d 为两输入端输入信号之差，即 ui d = u i 1 –u i 2 或者 1 ui1 =大电路 在图11-2的基础上，在两个放大管的发射极接入 一个发射极电阻Re，如图11-5所示。这个电阻像一条 “长尾”，所以这种电路称为长尾式差动放大电路。
长尾电阻Re对共模信号具有抑制作用。假设在电 路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电 流iC1、iC2同时增加，使流过发射极电阻R e的电流iE 增加，于是发射极电位uE升高，从而两管的uBE1、 uBE2降低，进而限制了iC1、iC2的增加。 但是对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅 度相等而极性相反，所以iC1增加多少，iC2就减少同 样的数量，因而流过R e的电流总量保持不变，即 △uE = 0，所以长尾R e对差模输入信号无影响。
一、输入级——差动放大电路 由于集成运放的内部实质上是一个高放大倍数的 直接耦合的多级放大电路，因此必须解决零漂问题， 电路才能实用。虽然集成电路中元器件参数分散性大， 但是相邻元器件参数的对称性却比较好。差动放大电 路就是利用这一特点，采用参数相同的三极管来进行 补偿，从而有效地抑制零漂。差动放大电路（也称差 分放大电路），就其功能来说，是放大两个输入信号 之差。在集成运放中多以差动放大电路作为输入级。 差动放大电路常见的形式有三种：基本形式、长 尾式和恒流源式。
Au d
' 2u C 1 RL u o u C1 u C 2 2u i 1 rbe R u id ui1 ui 2
其中RL/ = Rc//（RL/2）。 从两管输入端向里看，差模输入电阻为 R i d = 2（R + rbe ） 两管集电极之间的输出电阻为 Ro = 2R c
由以上分析可知，长尾电阻Re的接入使共模放大 倍数减小，降低了每个管子的零点漂移，但对差模放 大倍数没有影响，因此提高了电路的共模抑制比。Re 愈大，抑制零漂的效果愈好。但是，随着R e的增大， R e上的直流压降将愈来愈大。为此，在电路中引入 一个负电源VEE来补偿Re上的直流压降，以免输出电 压变化范围太小。引入VEE后，静态基极电流可由 VEE提供，因此可以不接基极电阻Rb，如图4-10所示。
（3）共模抑制比 差动放大电路的共模抑制比用符号KCMR表示，它 定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比， 一般用对数表示，单位为分贝（dB），即
K CMR 20 lg Au d Au c
共模抑制比描述差动放大电路对共模信号即零漂 的抑制能力。KCMR愈大，说明抑制零漂的能力愈强。 在理想情况下，差动放大电路两侧的参数完全对称， 两管输出端的零漂完全抵消，则共模电压放大倍数 Auc = 0，共模抑制比KCMR =∞。
（1）静态分析 当输入电压等于零时，由于电路结构对称，故设 IBQ1 = IBQ 2 = IBQ，ICQ1 = ICQ 2 = ICQ，UBEQ1 = UBEQ2 = UBEQ，UCQ1 = UCQ2 = UCQ，1 =2 =。 由三极管的基极回路可得 IBQR + UBEQ + 2 IE QRE = VEE 则静态基极电流为
不过单个的射极输出器对信号正负半周的跟随能力不同在实用的功率放大电路中大多采用双管的互补对称电路形2为了能获得足够大的不失真输出功率功率放大电路中的电压和电流的幅度都很大使输出信号容易产生非线性失真这就需要根据负载要求规定允许的失真度范围一般也不采用微变等效电路法进行分析
第11章 集成运算放大器及其应用
（2）电压放大倍数 差动放大电路对差模输入信号的放大倍数叫做差 模电压放大倍数，用Aud表示，假设两边单管放大电 路完全对称，且每一边单管放大电路的电压放大倍数 为Au1，可以推出当输入差模信号时，Aud为
Au d u o u C1 u C 2 2u C1 u C1 Au1 u id ui1 ui 2 2u i 1 u i 1
1. 集成运放的电路符号 集成运放除具有“+”、“-”输入端和输出端外， 还有“+”、“-”电源供电端、外接补偿电路端、调零 端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。图111所示为集成运放的电路符号。图中，1、2是信号输 入端，其中标有“+”号的是同相端，标有“-”号的是 反相端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信 号同相，反之则反相。5是输出端，3、4是工作电源 端。