第5章〓集成运算放大器 内容提要： 集成运算放大器是模拟电路中应用十分广泛的一类器件。本章首先介绍集成运算放大器的基本概念，引出 “零点漂移”问题，进而介绍差动放大电路，然后探讨集成运算放大器中的单元电路，尤其是电流源的应用，在此基础上介绍集成运算放大器的工作原理及使用方法、主要参数和不同类型，最后简单讨论了集成运放的电路模型、电压传输特性和理想运放模型。 学习目标： 1． 理解“零点漂移”产生的原因和克服“零点漂移”的方法。 2． 掌握不同差动放大电路的工作原理和指标计算方法。 3． 理解集成运放中各单元电路的作用和工作原理。 4． 了解集成运放的主要参数及其使用方法。 5． 掌握理想运放的指标和模型。 重点内容： 1． 差动放大电路的工作原理和指标计算。 2． 电流源在集成运放中的应用。 3． 理想运放模型。 5．1概述 前面几章讨论的那些由电阻、电容、二极管、BJT、场效应管等元器件组成的电路，称为分立元件电路。20世纪60年代，用半导体制造工艺把整个电路中的元器件制作在一块半导体硅片上，构成具有特定功能的电子电路，称为集成电路。集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路的种类很多，有集成运算放大器、集成功率放大器、集成模拟乘法器、集成锁相环、集成稳压器等。集成运算放大器是最重要、用途最广的一种模拟集成电路。实际上，集成运算放大器是一种高增益的直接耦合的多级放大电路。在早期的模拟计算机中广泛使用这种器件来完成诸如比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等运算，因而得名运算放大器，简称运放。虽然现在的运放已经超出了运算的应用范畴，但习惯上仍称为运算放大器。 5．1．1集成电路的特点 集成电路要将大量的元器件集成在同一片硅片上，其生产工艺及其他各个方面对元器件的要求均比分立元件高得多。与分立元件电路相比，集成电路中的元器件具有以下特点： (1) 元器件参数一致性好。由于元器件在相同的工艺条件下制成在同一硅片上，虽然元器件参数具有分散性，但同一硅片上的元器件参数具有良好的一致性和同向偏差，容易制成两个特性相同的管子或两个阻值相等的电阻。 (2) 用有源器件代替无源器件。集成电路中的电阻是使用半导体材料的体电阻制成的，因而很难制造大的电阻。在需要使用几百千欧姆以上的大电阻时，往往使用有源负载电路。 (3) 采用复合结构的电路。由于复合结构电路的性能较佳，因而在集成电路中多采用复合管、共集共基等组合电路。 (4) 级间采用直接耦合方式。集成电路中的电容是用PN结的结电容做的，只能制作几十皮法以下的小电容，因此，在集成电路内部，各级放大电路之间都采用直接耦合方式。如果需要使用大电容，那么只能采用外接方式。 (5) 集成电路中不能制造电感，如果需要也只能采用外接方式。 5．1．2直接耦合放大电路的零点漂移 集成运放是直接耦合的多级放大电路，在2.7节中对直接耦合的特点做了说明，这里主要讨论直接耦合放大电路的零点漂移问题。 当直接耦合放大电路的输入信号为零而输出端不为零时，有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离零点而上下波动，如图5．1．1所示，这种现象就称为零点漂移，简称零漂。 图5．1．1直接耦合放大电路的 零点漂移 在直接耦合放大电路中，零点漂移往往是由于温度变化引起的，温度变化会使BJT的UBE、β、ICEO发生变化，从而引起放大器静态工作点的变化。当第一级放大电路的静态工作点受温度影响发生微小而又缓慢的变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移，因而零点漂移也叫温漂。当这种漂移电压大到一定程度时，就无法与正常放大的信号加以区别，使得放大电路不能正常工作。 为了克服零点漂移，可以采用多种方法。例如，在第2章介绍的使用温度补偿技术和直流负反馈技术稳定静态工作点。再比如，在集成运放中，输入级通常采用差动放大电路来克服零点漂移，这也是诸多方法中最有效的一种方法。 5．1．3集成运放的基本结构 集成运放的内部电路尽管有很多不同，但从总体结构来看，有着许多共同之处，其内部基本结构示意图如图5．1．2所示。 图5．1．2集成运放的内部基本结构示意图 从图5.1.2中可以看出，集成运放通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。 输入级需具有较高的输入电阻和抑制干扰与零点漂移的能力，一般采用高性能的差动放大电路。 中间级的主要任务是实现电压放大，要具有很高的电压增益，因而常采用共射放大电路或共源放大电路，并选用复合管作放大管，使用电流源作有源负载以提高放大能力。 输出级应具有较强的带负载能力，需具有较小的输出电阻和较大的动态输出范围，一般采用甲乙类互补对称功率放大电路，并增加必要的过流保护、过压保护等电路，来提高运放的可靠性。 偏置电路主要为以上各级电路提供必要的直流偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小，大多是由各种电流源组成。 下面将逐一介绍构成集成运放的单元电路，首先从输入级开始探讨差动放大电路的工作原理及其应用。 5．2差动放大电路 差动放大电路也称为差分放大电路，是将放大电路两个输入端信号之差作为输入信号。所谓“差动”，是指只有当两个输入端信号有差别时输出电压才有变动。下面详细讨论差动放大电路的工作原理和主要参数的计算方法。 5．2．1差动放大电路的工作原理 图5．2．1是一个典型差动放大电路。其中，T1管和T2管参数对称，即UBE1=UBE2=UBE，β1=β2=β，ICEO1=ICEO2=ICEO。电路两边参数完全对称，即Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc。两管的发射极连在一起，并接同一个发射极电阻Re。由于Re接负电源-VEE，像是拖着一个长尾巴，因此该电路又称为长尾式差动放大电路。 图5．2．1基本差动放大电路 1． 差模输入信号和共模输入信号 从图5．2．1中可以看到，差动放大电路有两个输入端，两个输入信号分别表示为uI1和uI2； 有两个输出端，若输出信号分别表示为uO1和uO2，则uO=uO1-uO2。 在实际应用中，两个输入信号之差是有用信号，称为差模输入信号(Differencemode signal)，即 uId=uI1-uI2(5．1．1) 两个输入信号的平均值称为共模输入信号(Commonmode signal)，即 uIc=12(uI1+uI2)(5．1．2) 这样，用uId和uIc来表示uI1和uI2，可得 uI1=uIc+12uId(5．1．3) uI2=uIc-12uId(5．1．4) 由式(5．1．3)和式(5．1．4)可见，输入信号包括差模信号和共模信号两种类型，差模信号是差动放大电路两个输入端所加的大小相等、极性相反的信号； 共模信号是差动放大电路两个输入端所加的相同的输入信号，即大小相等、极性相同。 2． 电路的静态分析 在静态时，uI1=uI2=0，由于电路两边完全对称，因此T1和T2的静态工作点相同，下面只讨论T1管的静态工作点计算。 对T1管的输入回路列KVL方程得 VEE-UBE=IB1Rb+2IE1Re(5．1．5) 由式（5.1.5）可求出IB1或IE1，从而求出静态工作点。通常情况下，Rb的阻值很小(很多情况下Rb为信号源内阻)，并且IB1IE1，所以Rb上的电压可以忽略不计，由此可知UB1=UB2=UB≈0V，UE≈-UBE，从而求得 IE1=IE2=IE=VEE-UBE2Re IC1=IC2=IC≈IE IB1=IB2=IB=IE1+β UCE1=UCE2=UCE=VCC-ICRc+UBE 对于T1和T2的集电极电位有UC1=UC2=UC=VCC-ICRc，可知输出电压为 uO=UC1-UC2=0(5．1．6) 3． 电路的动态分析 1) 差动放大电路对差模信号的放大作用 差动放大电路如图5.2.2(a)所示。当在输入端加一个差模信号ΔuId时，由于电路参数的对称性，ΔuId经分压后，加在T1管的输入信号是ΔuId/2，加在T2管的输入信号是-ΔuId/2，即ΔuI1=-ΔuI2=ΔuId/2。 图5．2．2差动放大电路的动态分析 T1管在ΔuId/2的作用下，发射极电流产生了一个正的增量(+ΔiE1)； T2管在-ΔuId/2的作用下，发射极电流产生了一个负的增量(-ΔiE2)。由于这两个增量的大小相等、极性相反，互相抵消，因此，流过电阻Re的电流保持不变，电阻Re两端的电压也保持不变。所以，对差模信号而言，Re不起作用，相当于交流短路。由于负载电阻RL中点的电位在差模信号下也保持不变，相当于接“地”，故可将RL分为两个相等的部分。因此，可以画出差模信号作用下的等效电路，如图5．2．2(b)所示。需要注意的是，在图5.2.2（b）中，由电路参数对称以及静态电流相同很容易可以推出，ΔiB1=ΔiB2=ΔiB，rbe1=rbe2=rbe。 由图5．2．2(b)可知，因为电路两边完全对称，又有ΔuI1=-ΔuI2，所以两管输出电压ΔuOd1、ΔuOd2也是大小相等、方向相反，即ΔuOd1=-ΔuOd2，故ΔuOd=ΔuOd1-ΔuOd2=2ΔuOd1。在图5.2.2（b）中，ΔuI1=ΔiB(Rb+rbe)，ΔuOd1=-βΔiBRc∥RL2，因此可求得差模电压放大倍数为 Aud=ΔuOdΔuId=2ΔuOd12ΔuI1=ΔuOd1ΔuI1=-βRc∥RL2Rb+rbe(5．1．7) 通过分析，可以看出差动放大电路使用了两倍的元器件，只得到了相当于单管共射放大电路的放大倍数。这实质上是通过牺牲一个管子的放大倍数，换得了良好的温度漂移特性。 从图5．2．2(b)可以看出，电路的差模输入电阻为 Ri=ΔuIdΔiId=2(Rb+rbe)(5．1．8) 电路的输出电阻为 Ro=2Rc(5．1．9) 2) 差动放大电路对共模信号的抑制作用 在实际应用中，差模信号是需要被放大的有用信号，而伴随着有用信号同时会有加到放大电路输入端的干扰信号，或者是零点漂移折算到输入端的等效信号，这些信号是需要剔除的共模信号，为了便于分析，看作是给差动放大电路加共模输入信号。当差动放大电路输入端所加的信号为共模输入信号时，即ΔuI1=ΔuI2=ΔuIc。由于电路的对称特性，T1和T2管的基极电流和集电极电流的变化量也相等，即ΔiB1=ΔiB2，ΔiC1=ΔiC2，因此两管的集电极电位产生了相等的增量，即ΔuOc1=ΔuOc2，因而共模输出电压ΔuOc=ΔuOc1-ΔuOc2=0V，从而求得共模电压放大倍数为 Auc=ΔuOcΔuIc=0(5．1．10) 如前所述，温度的变化会使直接耦合放大电路产生严重的零点漂移。对于差动放大电路来说，温度变化对电路左右两边的影响是相同的，可以看成是加了一对共模输入信号，如果电路是完全对称的，那么共模电压放大倍数Auc为0，其共模输出电压ΔuOc=0。也就是说，利用电路的对称特性克服了温度对其产生的不利影响，抑制了零点漂移。当然，这是一种理想情况。实际上电路两边的参数不可能做到绝对对称，共模电压放大倍数Auc也不可能为0，因此共模输出信号也不可能为0。如果电路不是完全对称的，由于发射极电阻Re的负反馈作用(参见2．4节)，也能够减小集电极电位的漂移，即单端输出时的零点漂移也非常小。因此，可以说差动放大电路是利用电路的对称性和发射极电阻Re的负反馈抑制了零点漂移。由于集成电路中相邻元器件的特性一致性很好，因而集成运放中的差动放大电路比较接近理想情况下的对称状态，所以，Auc的数值一般很小，共模输出电压ΔuOc也很小。对于某些外界干扰信号，如果它们对差动放大电路两边的影响相同，则可以看成是一种共模输入信号，差动放大电路对这些信号也有很强的抑制作用。 3) 共模抑制比 差模电压放大倍数Aud反映了差动放大电路放大有用信号的能力，当然希望它大一些； 共模电压放大倍数Auc反映了抑制共模信号的能力，其值越小越好。为了全面衡量差动放大电路性能的好坏，定义共模抑制比KCMR为 KCMR=AudAuc(5．1．11) KCMR的值也可以用对数形式表示为 KCMR=20lgAudAuc(5．1．12) 由定义可知，KCMR的值越大，表明差动放大电路的性能越好。在电路理想对称的情况下，由于Auc=0，因此KCMR=∞。 5．2．2差动放大电路的四种接法 差动放大电路有两个输入端和两个输出端。当信号从两个输入端送入时，称为双端输入方式； 如果信号从一个输入端送入，另一个输入端接地，则称为单端输入方式。如果输出信号从两个BJT的集电极之间取出，则称为双端输出方式； 如果信号从一个BJT的集电极对地之间输出，则称为单端输出方式。前面所讲电路为双端输入、双端输出方式，Aud、Auc和KCMR均是这种方式下的参数。下面介绍其他三种方式电路的原理与参数计算。 1． 双端输入、单端输出方式 图5．2．3为双端输入、单端输出方式的差动放大电路，与图5．2．1所示的双端输入、双端输出方式相比，不同之处在于只使用一个输出端，即从T1的集电极对地之间输出。 1) 电路的静态分析 从图5.2.3中可以看出，电路的输出回路不再对称，因此，两管的静态工作点也不再完全相同。对于T1管的集电极，使用戴维南定理可以求得等效直流电源V′CC=RLRc+RLVCC和等效电阻R′c=Rc∥RL，从而画出电路的直流通路，如图5．2．4所示。 图5．2．3双端输入、单端输出方式的差动放大电路 图5．2．4图5．2．3所示电路的直流通路 由图5．2．4可知，由于电路的输入回路是对称的，因此基极电流和集电极电流是相等的，仍然可以用前面的方法求得，即 IE1=IE2=IE=VEE-UBE2Re IC1=IC2=IC≈IE IB1=IB2=IB=IE1+β 可分别求出UCE1、UCE2，即 UCE1=V′CC-ICR′c+UBE UCE2=VCC-ICRc+UBE 2) 电路的动态分析 (1) 加入差模输入信号。 根据图5．2．3可画出加入差模信号的等效电路，如图5．2．5所示。当加入差模输入信号时，输入回路的参数与双端输出的电路参数相同，负载电阻仅从T1管的集电极对地输出，与双端输出相比，差模放大倍数必然会减小。由图5．2．5可知，ΔuId=2ΔiB(Rb+rbe)，ΔuOd=ΔuOd1=-βΔiB(Rc∥RL)，因此可求得差模放大倍数为 Aud=ΔuOdΔuId=-12β(Rc∥RL)Rb+rbe(5．1．13) 图5．2．5图5．2．3所示电路加差模信号的等效电路 由此可见，输出电压由T1管的集电极取出，差模电压放大倍数为负值，即输入和输出反相。如果输出电压从T2管的集电极取出，输入信号不变，则ΔuOd=ΔuOd2=-ΔuOd1，因此差模电压放大倍数为 Aud=ΔuOdΔuId=12β(Rc∥RL)Rb+rbe(5．1．14) Aud为正值，即输入和输出同相。 由于电路的输入回路没有变化，输入电阻没有变化，即 Ri=2(Rb+rbe)(5．1．15) 电路的输出电阻为 Ro=Rc(5．1．16) (2) 加入共模输入信号。 图5．2．6(a)是双端输入、单端输出工作方式下加入共模输入信号的差动放大电路。若在T1和T2管的输入端加共模信号ΔuIc，则产生了相同的发射极电流变化量，即ΔiE1=ΔiE2=ΔiE，流过Re的发射极电流变化量为2ΔiE，发射极电位的变化量为2ΔiERe，或者可以说，对每个BJT而言，相当于发射极电阻变成了2Re，图5．2．6(b)给出了与输出电压相关的T1管的等效电路。根据等效电路，可以求得共模放大倍数为 Auc=ΔuOcΔuIc=-β(Rc∥RL)Rb+rbe+2(1+β)Re(5．1．17) 从式（5.1.17）可以看出，由于2(1+β)Re很大，即Auc很小，因此单端输出时的温漂也很小。 图5．2．6图5．2．3所示电路加共模信号的等效电路 (3) 共模抑制比。 由式(5．1．13)和式(5．1．17)可求得共模抑制比为 KCMR=AudAuc=Rb+rbe+2(1+β)Re2(Rb+rbe)(5．1．18) 由式(5．1．17)和式(5．1．18)可以看出，发射极电阻Re越大，则Auc越小，KCMR越大，电路的性能也就越好。因此，增大发射极电阻Re可以提高共模抑制能力，改善电路性能，但由于受到静态电流和电源电压的限制，Re也不可能取得太大。 2． 单端输入、双端输出方式 在实际工作中，经常需要使差动放大电路采用单端输入方式，即从一个输入端送入输入信号，而另一个输入端接地。图5．2．7所示电路就是单端输入、双端输出的差动放大电路。 在静态时，图5．2．7和图5．2．1的电路相同，其分析方法和静态工作点的计算结果都是一样的，此处不再赘述。 在动态时，单端输入方式可以看成双端输入方式的一种特殊情况，可以将输入信号进行等效变换。在加信号的输入端，将输入信号ΔuI等效为两个极性相同、电压值为ΔuI/2的信号源串联； 在另一接地输入端，输入信号则等效为两个极性相反、电压值为ΔuI/2的信号源串联，如图5．2．8所示。可以看出，同双端输入时一样，两个输入端的差模信号仍为±ΔuI/2，但同时输入了ΔuI/2的共模信号。因此，在共模放大倍数不为零时，输出端不仅有差模输出电压，还有共模输出电压，即输出电压为 ΔuO=ΔuOd+ΔuOc=AudΔuI+AucΔuI2(5．1．19) 图5．2．7单端输入、双端输出差动放大电路 图5．2．8图5．2．7所示电路的等效电路 在电路理想对称的情况下，由于Auc=0，因此ΔuO=AudΔuI，此时KCMR=∞。 由以上分析可知，单端输入、双端输出方式与双端输入、双端输出方式完全一样，Aud、Ri、Ro的计算方法也完全相同，在此不再详述。 图5．2．9单端输入、双端输出差动 放大电路 3． 单端输入、单端输出方式 图5．2．9所示电路为单端输入、单端输出方式的差动放大电路。由于可以等效为双端输入、单端输出方式，该电路的静态分析和动态分析与图5．2．3所示的双端输入、单端输出方式的差动放大电路分析方法相同，主要参数的计算结果也是相等的，在此不再重复说明。需要指出的是，对于单端输出方式，由于不影响电路性能参数，常将不输出信号的BJT的集电极电阻省掉，例如，图5．2．9所示电路省去了T2的集电极电阻。 综上，对于四种接法电路的动态参数，归纳总结如下： (1) 差模电压放大倍数Aud仅与输出方式有关，与输入方式无关。双端输出时，Aud=-βRc∥RL2Rb+rbe； 单端输出时，Aud=±12β(Rc∥RL)Rb+rbe。需要注意的是，单端输出时，从不同的BJT集电极输出，放大倍数的符号不同。 (2) 共模电压放大倍数Auc也仅与输出方式有关。双端输出时，Auc=0； 单端输出时，Auc=-β(Rc∥RL)Rb+rbe+2(1+β)Re。 (3) 差模输入电阻Ri都是相等的，Ri=2(Rb+rbe)。 (4) 输出电阻Ro与输出方式有关，双端输出时，Ro=2Rc； 单端输出时,Ro=Rc。 (5) 共模抑制比KCMR仅与输出方式有关。双端输出时，KCMR等于无穷大(理想差动放大电路)； 单端输出时，KCMR=Rb+rbe+2(1+β)Re2(Rb+rbe)≈(1+β)ReRb+rbe。 5．2．3差动放大电路的改进 通过前面的分析可以看出，增大发射极电阻Re可以提高电路的共模抑制能力，尤其是对应单端输出方式的差动放大电路。但是，Re的增大是有限度的。如果Re增大得太多，电源电压不变，则静态电流IC、IB太小，会影响电路的正常工作； 如果要保持IC、IB不变，则电源电压就很高。因而希望用一种直流电阻不大、但交流电阻很大的电路来代替Re以解决以上问题，具有这样特点的电路就是恒流源。 图5．2．10(a)是一种带有恒流源的差动放大电路。根据第2章介绍的内容，三极管T3管和电阻R1、R2、R3组成了电流源，它的直流电阻很小而交流电阻很大。电路中，电流IC3≈iC1+iC2，由于IC3保持不变，iC1=iC2=IC32也为恒定值。在静态时，合理选择R1、R2、R3的阻值以及T3的参数，使差动放大电路有合适的静态工作点； 在动态时，恒流源的交流等效电阻代替了原来的Re，由于恒流源的交流电阻很大，因此这种带恒流源的差动放大电路具有更高的共模抑制比。电流源的具体电路有很多种，常用恒流源符号取代电路，如图5．2．10(b)所示。 图5．2．10带恒流源的差动放大电路 图5．2．11例5．2．1图 【例5．2．1】差动放大电路及其参数如图5．2．11所示，T1管和T2管的特性一致，rbb′=200Ω，β=50，UBE=0．7V，Rb1=Rb2=Rb=1kΩ，Rc1=Rc2=Rc=5．1kΩ，Re=5．1kΩ，RW=100Ω，RL=100kΩ，总的差模输入信号uId=50mV，共模干扰信号uIc=1V，试求： (1) T1管和T2管的静态工作点。 (2) 输出电压信号ΔuO和共模抑制比KCMR。 (3) 差模输入电阻Ri和输出电阻Ro。 解： 图5.2.11中RW是调零电位器，如果电路完全对称，那么RW可以不要，实际上电路两边参数不可能完全对称，因此,需要利用RW调整静态工作点，使输入电压信号为零时输出电压也为零。为了便于计算，在计算电路各项指标时，一般设RW的滑动端在中间位置。 (1) 由T1管的输入回路可得 VEE-UBE=IB1Rb+(1+β)RW2+2(1+β)Re 因Rb+(1+β)RW2远小于2(1+β)Re，故 VEE-UBE=2(1+β)ReIB1 因电路两边完全对称，所以可求得 IB1=IB2=IB≈21．7（μA） IC1=IC2=IC=βIB≈1．1（mA） UCE1=UCE2=UCE=VCC-ICRc+UBE≈7．1（V） (2) 根据题意可得 IE1=IE2=IE≈IC=1．1（mA） rbe=rbb′+(1+β)26IE≈1．4（kΩ） Aud=ΔuOdΔuId=-βRc∥RL2Rb+rbe+(1+β)RW2≈-46．7 Auc=ΔuOcΔuIc=0 ΔuO=AudΔuId+AucΔuIc≈-2．34（V） KCMR=AudAuc=∞ (3) 差模输入电阻和输出电阻分别为 Ri=2Rb+rbe+(1+β)RW2=9．9（kΩ） Ro=2Rc=10．2（kΩ） 5．3集成运放中的单元电路 多年来，集成运算放大器一直向着高精度、高速度和多功能的方向发展。早期的运放全部由BJT构成，以后又出现了MOS集成运放，以及双极型工艺和MOS工艺相结合的集成运放。随着半导体生产工艺水平的提高，品种繁多、性能优异的运放大量推出。本节主要讨论集成运放内部的单元电路。因中间级的放大电路已经在第2章及第3章详细讨论过，故本节不再赘述。 5．3．1电流源电路 电流源电路在集成运放和其他模拟电路中起到相当重要的作用。它一方面可以为各级电路提供合适的静态电流，另一方面可以作为放大电路的有源负载，提高放大电路的放大能力。 1． 镜像电流源 镜像电流源电路如图5．3．1所示，T1和T2是具有完全相同特性的两个管子，即UBE1=UBE2=UBE，β1=β2=β，两管的基极接在一起并与T1管的集电极相连，集电结零偏置，保证T1管工作在放大状态，而不会进入饱和状态，故IC1=βIB1。同时，两管的发射极都接地，因此，两管基极与发射极之间的电压相等，从而基极电流和集电极电流也相等，即IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IC=βIB。 从图5.3.1中可以看出，流过R的基准电流为 IR=VCC-UBER(5．2．1) IR=IC+2IB=IC1+2β(5．2．2) 所以 IC=ββ+2IR(5．2．3) 当β2时，有 IC2=IC≈IR(5．2．4) 这说明，镜像电流源的输出电流IC2与基准电流IR相等，如同“镜子”一样，因而称为镜像电流源，其大小仅仅取决于VCC和R。 在上述镜像电流源电路中，当β2时式(5．2．4)才成立，即忽略了基极电流对IC1的影响，若β不足够大，例如，若β=10，则根据式(5．2．3)可求得IC2≈0．833IR，与式(5．2．4)相差比较大，为了减少基极电流的影响，提高输出电流的精度，可以对图5．3．1所示电路进行改进。 图5．3．2是通过增加射极输出器对镜像电流源进行改进的，T1、T2和T3是具有完全相同特性的管子，β1=β2=β3=β，利用T3管的电流放大作用，减小了基极电流对基准电流IR的分流。 图5．3．1镜像电流源 图5．3．2加射极输出器的镜像电流源 由于IB1=IB2=IB，因此输出电流为 IC2=IC1=IR-IB3=IR-IE31+β=IR-2IB1+β=IR-2IC2β(1+β)(5．2．5) 由式（5.2.5）求得 IC2=IR1+2β(1+β)=IR1+2β2+β≈IR(5．2．6) 从式(5．2．6)中可以看出，由于β2+β2，因此可以大大提高输出电流的精度。若β=10，则可求得IC2≈0．982IR，与IR相差很小。如图5．3．2中虚线标注部分所示，在实际电路中，有时加一电阻Re3来增大T3管的工作电流，从而增大β，使输出电流的精度更高。 图5．3．3微电流源 2． 微电流源 在模拟集成电路中，器件的工作电流很小，往往在微安级以下。如果使用镜像电流源，则要求电阻R达到几百千欧以上，如此大的电阻在集成电路中是很难做到的。如果在图5．3．1中T2管的发射极接一个几千欧的电阻，就能够得到产生这种微电流的电流源，称之为微电流源，电路如图5．3．3所示。 对BJT来说，发射极电流 IE≈IESeUBEUT(5．2．7) 其中，IES为流过发射结的反向饱和电流，由式（5.2.7）可知，UBE1=UTlnIE1IES1，UBE2=UTlnIE2IES2。因为T1和T2两管对称，可以认为IES1=IES2，所以可求得 ΔUBE=UBE1-UBE2=UTlnIE1IE2(5．2．8) 电路中IR≈IE1，IC2≈IE2，因此可得 Re2=ΔUBEIE2=UTIC2lnIRIC2(5．2．9) 根据IR和IC2的值，由式（5.2.9）可以计算出Re2，由此可见，电阻Re2与电流比值的对数成比例，因此就能够使用小阻值的电阻得到很小的电流。例如，已知IR=0．72mA，Re2=3kΩ，则可使用试探法求得IC2≈28μA。 另外，由于 IR=VCC-UBER≈VCCR(5．2．10) 所以式(5．2．9)还可写成 IC2=UTRe2lnVCCIC2R(5．2．11) 可以看出，微电流的输出电流IC2受电源电压VCC的变化影响很小。 3． 多支路比例电流源 在实际应用中，有时需要两个或两个以上电流值相差较大，但又有一定比例关系的电流源。在镜像电流源的基础上，给BJT增加发射极电阻，在满足一定条件时，集电极输出电流与基准电流IR呈一定的比例关系，从而得到比例电流源。在此基础上稍加扩展，就可以构成多支路比例电流源，如图5．3．4所示。 图5．3．4多支路比例电流源 在图5．3．4中，T0、T1管和电阻R、Re0、Re1构成了比例电流源。由KVL定律可得 IE0Re0+UBE0=IE1Re1+UBE1(5．2．12) 当BJT的β足够大时，IE0≈IC0≈IR，IE1≈IC1，UBE0=UBE1，因此可求得 IC1≈Re0Re1IR(5．2．13) 从式（5.2.13）可以看出，比例电流源的输出电流IC1与参考电流IR呈线性关系，其比例系数由两个电阻的比值确定。以此类推，可求得其他支路上与IR成比例的电流IC2和IC3，IC2≈Re0Re2IR，IC3≈Re0Re3IR。只要选择合适的电阻，就可以得到所需的电流。 除了使用BJT构成多支路比例电流源外，还可以使用多发射极三极管。 图5．3．5多发射极BJT多支路 比例电流源 图5．3．5所示电路为多发射极三极管构成的多支路比例电流源，T为横向PNP管。集电极电流之比等于集电区面积之比，可通过设计不同的集电区面积实现不同的多路电流输出。设各集电区面积分别为S0、S1、S2，则IC1IC0=S1S0，IC2IC0=S2S0，因此可得 IC1=S1S0IC0，IC2=S2S0IC0(5．2．14) 在电路中，IC0≈IR=VCC-UBER≈VCCR，故式（5.2.14）可写为 IC1=S1S0VCCR，IC2=S2S0VCCR(5．2．15) 除了前面介绍的由BJT构成的电流源，还可以采用MOS管构成电流源。例如，图5．3．6(a)所示电路是由增强型NMOS管构成的镜像电流源，图5．3．6(b)所示电路是由增强型NMOS管构成的多支路比例电流源。 图5．3．6由MOS管构成的多支路比例电流源 在图5．3．6(a)中，如果T0和T1是对称的，则有 ID1=IR=VDD-UGSR(5．2．16) 即构成了MOS管镜像电流源。对于NMOS管，有 ID=μC02WL(UGS-UT)2(5．2．17) 式中，μ为多数载流子的迁移率，C0为单位面积的栅极电容，L为沟道长度，W为沟道宽度，UGS为NMOS管栅源间电压，UT为NMOS管的开启电压。 如果T0和T1参数不对称，则在UGS和UT相同的条件下，有 ID1ID0=W1L1W0L0=S1S0(5．2．18) 其中，S1=W1L1，S0=W0L0，分别为T0和T1的导电沟道宽长比。由此可见，ID1与ID0成比例关系，改变管子导电沟道的宽长比S1和S0，很容易就得到了不同输出的比例电流源。在这个电路的基础上稍加扩展，就可以构成MOS多支路比例电流源，如图5．3．6(b)所示，此处不再赘述。 4． 电流源作有源负载 1) 有源负载共射放大电路 图5．3．7有源负载共射放大电路 由第2章的讨论可知，在共射放大电路中，电压放大倍数与R′L成正比，R′L=Rc∥RL。由于RL是负载电阻，其大小是确定的，因此可以通过增大Rc来提高电压放大倍数。在集成运放中，为了获得更大的等效电阻Rc，常用电流源电路作为有源负载取代Rc，这样既可以获得合适的静态电流，动态时又可以获得很大的等效电阻Rc。 图5．3．7所示为有源负载共射放大电路，T1组成共射放大电路，T2与T3构成镜像电流源，T2是T1的有源负载。 在静态时，电流源基准电流为 IR=VCC-UBER≈VCCR 空载时T1的静态集电极电流为 IC1=IC2=IC3≈IR 因此对于直流偏置电路，T2与T3构成的镜像电流源给T1提供合适的静态电流IC1。在图5.3.7中，输入电压uI中应含有直流分量，为T1提供静态基极电流IB1，IB1应等于IC1β1，与电流源提供的IC2不产生冲突。需要指出的是，带负载RL时，由于RL的分流作用，IC1将有所减小。 在动态时，由于电流源的等效电阻非常大，RL远小于它，因此,如图5.3.7所示电路的电压放大倍数为 Au≈-β1RLRb+rbe1(5．2．19) 2) 有源负载差动放大电路 利用电流源作有源负载的放大电路可以得到很高的单级电压增益。在集成运放中，差动放大电路也常接入有源负载，它不仅提高了电压增益，还具有其他功能。 图5．3．8有源负载差动放大电路 图5．3．8所示为有源负载差动放大电路，T1、T2和电流源IEE构成差动放大电路，T3和T4管组成的镜像电流源作为T1、T2的有源负载，负载电阻RL实际上是下一级的输入电阻。 在静态时，有 IC1=IC2=IC3=IC4=IEE/2 当输入差模信号ΔuId时，T1管在ΔuId/2的作用下，基极电流的变化量为ΔiB1，T2管在-ΔuId/2的作用下，基极电流的变化量为ΔiB2，且ΔiB1=-ΔiB2。因此，T1和T2的集电极电流变化量ΔiC1=-ΔiC2，而ΔiC3=ΔiC1。由于T3和T4的镜像关系，因而ΔiC4=ΔiC3=ΔiC1。所以，ΔiO=ΔiC4-ΔiC2=ΔiC1-(-ΔiC1)=2ΔiC1。由此可见，在负载电阻RL上的电流变化量为2ΔiC1。换句话说，RL得到的电流变化量是5．2节所述单端输出方式的差动放大电路的两倍，恰好是双端输出电路的电流变化量。这就表明图5.3.8中的有源负载差动放大电路可以把原来的双端输出电路转换成单端输出电路，其增益同双端输出电路相当。又因为RL远小于电流源的等效电阻，所以电路的电压放大倍数为 Au≈-βRLrbe(5．2．20) 式中，β=β1=β2，rbe=rbe1=rbe2。 在图5．3．8中，T1和T2的集电极电位仅比电源电压VCC低一个管压降，可以获得较高的共模输入电压范围。差动放大电路的正向共模输入电压要受差动放大管的饱和限制，两管的集电极电位高，就可以使电路的正向共模输入电压接近电源电压。 在集成运放中，一般只有输入级和中间级两级放大，电压增益要求达到10万倍以上。因此，在这个两级放大电路中，一般都采用有源负载。级数减少了，对于提高运放的稳定性、简化校正补偿电路都是有利的。 5．3．2差动输入级电路 集成运放的性能与输入级有很重要的关系，因此运放输入级都是采用高性能的差动放大电路。除了前面介绍的电路，这里介绍几种在集成运放中常见的差动放大电路。 图5．3．9共集共基复合差动放大级 1． 共集共基差动放大电路 图5．3．9所示为共集共基复合差动放大级，T1、T2管为高增益的NPN管，T3和T4为横向PNP管。 电流源IBB为T3和T4提供基极电流。这种电路为共集输入方式，可以获得较高的输入电阻； T3和T4组成的共基极放大电路，与共射极放大电路的放大能力相当，但输出与输入极性相同。横向PNP管的耐压高，可承受几十伏的反向电压，因而可承受高的共模和差模输入电压，提高了最大差模输入电压范围。在实际应用中，用电流源作为有源负载代替Rc1和Rc2可以进一步提高电路的放大能力。 2． MOS管差动放大电路 图5．3．10、图5．3．11所示是由MOS管组成的差动放大电路，具有很高的输入电阻。 图5．3．10MOS管差动放大电路 图5．3．11MOS管有源负载差动放大电路 图5．3．10所示电路是全部由增强型NMOS管组成的。T1、T2管是起放大作用的差动对管。T5是差动放大电路使用的电流源，其栅极接一固定电位UG。T3和T4管分别作T1和T2管的有源负载，这时，它们的漏极和源极分别连接在一起，T3和T4管工作在线性放大的饱和区。在这个区域内，FET具有很好的恒流特性，可以作为电流源，为T1、T2管提供恒定的漏极电流。差动放大电路接上有源负载，可以得到较大的电压放大倍数。 图5．3．11所示电路是在T1、T2管构成差动放大电路的基础上，使用P沟道增强型MOS管T3和T4构成镜像电流源作为有源负载。该电路与前面由BJT构成的有源负载差动放大电路相似，其分析方法也与之相同。需要指出的是，使用镜像电流源作有源负载，该单端输出电路可以获得与双端输出时相同的放大能力。 5．3．3输出级电路 集成运放输出级的输入电阻应该比较高，以减小对电压放大级输出信号的影响； 输出电阻应该比较小，以便能向负载提供足够大的输出信号，提高带负载能力； 其输出功率不能太小，输出效率也应该比较高。 在运放中，输出级一般采用甲乙类互补对称功率放大电路，图5．3．12就是其中一种电路，该电路的原理与分析方法在第4章已详细介绍过，在此不再讨论。 除了由BJT构成的互补型功率放大电路，由P沟道MOS管和N沟道MOS管也可以组成互补型共漏极功率放大电路，如图5．3．13所示，这种电路在由MOS管构成的集成运放中具有广泛的应用。在图5.3.13中，两MOS管的源极相连接在一起作为输出端，由于MOS管组成的共漏放大电路与BJT组成的共集放大电路相似，因此，该电路对应由射极输出器组成的互补对称功率放大电路，其电压增益、阻抗特性也与由BJT组成的甲乙类互补对称功率放大电路相同，故在此不再赘述。 图5．3．12甲乙类互补对称功放电路 图5．3．13由MOS管组成的互补对称功放电路 5．4集成运放 集成运放是一种最为通用的模拟集成电路，其种类繁多，内部电路结构与性能参数差异较大。本节首先以通用型BJT运放和场效应管运放为例分析内部电路，然后对集成运放的主要参数以及特殊类型集成运放的特点进行简单介绍。 5．4．1通用型集成运放 集成运放包括BJT运放、双极型场效应管组合运放和全MOS运放。由于双极型工艺发展较早，非常成熟，在众多型号的运放系列中，BJT运放占有很大比例，特别是通用型运放大多都是BJT运放。国产通用型集成运放F007，与集成运放μA741的电路结构相同，是性价比较高的一种BJT集成运放，在实际中应用广泛。 F007集成运放内部有24个BJT、10个电阻和1个电容，图5．4．1给出了其内部原理图。从图5.4.1中可以看出，整个电路分为偏置电路、输入级、中间级和输出级四个部分，下面分别介绍各部分的电路结构。 图5．4．1F007内部原理电路 1． 偏置电路 在电路中，T12、R5和T11构成了主偏置电路，主偏置电路的基准电流为 IREF=VCC-(-VEE)-UBE12-UBE11R5 其他偏置电流都与IREF有关。T10、T11和R4组成微电流源，T8和T9组成的镜像电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和T13构成多支路电流源。T13是多集电极三极管，构成多支路比例电流源，其集电极电流IC13A和IC13B的大小比例为3∶1。IC13A一路为输出级提供偏置电流，IC13B一路作为中间级的有源负载。 2． 输入级 T1、T2和T3、T4组成共集共基复合差动输入电路。其中T1和T2作为射极输出器，输入电阻高。T3和T4是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。 T5、T6、T7和R1、R2、R3组成镜像电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高差动输入电路的增益。当有差模信号输入时，ΔiC3=-ΔiC4，ΔiC5≈ΔiC3，ΔiC5=ΔiC6，因而ΔiC6≈-ΔiC4，所以ΔiB16=ΔiC4-ΔiC6≈2ΔiC4，差动输出级的输出电流加倍，从而使输出电压放大倍数增大。由此可见，当输入差模信号时，单端输出方式的放大倍数近似等于双端输出时的放大倍数。当有共模信号输入时，ΔiC3=ΔiC4，ΔiC6=ΔiC5≈ΔiC3，所以ΔiB16=ΔiC4-ΔiC6≈0，由此可见，共模信号对下一级基本没有影响，电流源电路提高了共模抑制比。 此外，输入级能够稳定静态工作点。例如，当某种原因导致输入级静态电流增大时，T8与T9的集电极电流会增大，但IC10=IC9+IB3+IB4，因T10与T11组成微电流源，故IC10基本恒定，所以IC9增大将使IB3、IB4减小，从而使输入级静态电流IC1、IC2、IC3、IC4减小，使它们保持基本不变。 3． 中间级 T16、T17和R6、R7组成中间电压放大级，T16和T17是复合管，其输入电阻很高，对前一级影响小。T13管作为这一级的集电极有源负载，这一级就可以达到55dB的增益。中间级同时包含一个约30pF的相位补偿电容C，用于防止产生自激振荡。T24接成共集电路以减小对中间级的负载影响。 4． 输出级 T14和T20组成互补对称输出极，T18、T19和R8为其提供静态偏置以克服交越失真。 T15和R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。T21、T23、T22和R10保护T20管在负向电流过大时不致烧坏。 图5．4．2运放调零电路 在集成运放F007的1脚和5脚之间外加一个调零电位器，可使输入为零时，输出电压也为零，电路如图5．4．2所示。 在实际电路分析中，通常省略直流电源和调零电路部分，将运放简化为一个三端器件，其符号如图5．4．3所示。图5．4．3(a)是国家标准规定的符号，图5．4．3(b)是国际通用的符号，本书采用图5．4．3(a)所示的国标符号。可以看出，运放有两个输入端，即同相输入端u+和反相输入端u-，有一个输出端uO。同相输入端标有“+”号，表示在该端加输入信号时，输出端得到与它同相的信号； 反相输入端标有“-”号，表示在该端加输入信号时，输出端得到与它反相的信号。 图5．4．3集成运放的符号 5．4．2场效应管集成运放 除了上面介绍的BJT集成运放外，还有数量不少的由MOS管构成的集成运放。 MC14573内部电路如图5．4．4所示，与前面介绍的双极型晶体管集成运放相比，所用器件较少，电路相对简单，但其组成结构是相似的，分析方法也基本相同。由图5．4．4可知，MC14573全部由增强型的MOS管构成。其中，偏置电路主要由T5、T6、T8和电阻R组成，它们构成了多支路比例电流源，在已知T5开启电压UT的情况下，通过外接电阻R可以确定偏置电路的基准电流IREF，进而得到T6漏极和T8源极的电流。其中T6为T1、T2提供偏置电流，T8在为T7提供偏置的同时作为T7的有源负载。 MC14573的放大电路只有两级。第一级为输入级，P沟道MOS管T1、T2为放大管，组成共源差动放大电路，信号由T2的漏极输出，因此输入级是一个双端输入单端输出的差动放大电路。N沟道MOS管T3、T4构成电流源电路，作为差动放大电路的有源负载，从而使单端输出电路的电压增益近似等于双端输出时的情况，同时，第二级的输入为T7的栅极，其输入电阻很大，所以第一级有较强的电压放大能力。第二级为输出级，以N沟道MOS管T7为放大管构成共源放大电路，T8所构成的电流源电路作为有源负载，故也具有较强的放大能力。由于T8构成的电流源的动态电阻很大，因此，电路的输出电阻很大，带负载能力较弱，因此MC14573是为高阻抗负载而设计的，适用于以场效应管为负载的场合。另外，电容C起相位补偿的作用。 图5．4．4MC14573的内部电路图 基于场效应管的集成运放的特点是输入阻抗高(可达1010Ω以上)、功耗小，可在低电压下工作，因此特别适合于需要高输入电阻、低功耗的测量电路。另外，从工艺上讲，同时制作N沟道和P沟道互补对管工艺(Complementary MetalOxideSemiconductor，CMOS)实现容易，且占用芯片面积小、集成度高，因此CMOS技术广泛用于集成电路中。 5．4．3集成运放的主要参数 为了能合理选择和正确使用集成运放，就必须正确理解集成运放的各种参数的含义，下面介绍一些常用的主要参数。 1． 直流参数 1) 输入失调电压UIO 对于一个理想的集成运放，当输入端为零时，输出电压也应该为零。但实际上它的差动输入级很难做到完全对称，因此使得输入端为零时输出电压不为零。因此，为了使集成运放的输出电压为零，在两输入端之间加一补偿电压，称之为输入失调电压。UIO反映了集成运放输入级的对称程度，其值越小，说明电路参数对称性越好。一般运放的UIO为毫伏数量级，对于高精度、低漂移的集成运放，其值为微伏数量级。 2) 输入失调电压的温漂dUIOdT 输入失调电压UIO并不是固定不变的值。当温度发生变化时，它也随之改变。输入失调电压的温漂是指在一定的温度变化范围内，输入失调电压的变化量与温度变化量之比。一般运放的dUIOdT为(10~20)μV/℃，对于高精度、低漂移运放，其值在1μV/℃以下。 3) 输入偏置电流IIB 当运放的输出电压为零时，两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即 IIB=12(IIB1+IIB2)(5．4．1) 式中，IIB1和IIB2分别为两输入端的偏置电流。IIB越小，信号源内阻对集成运放的静态工作点的影响越小。而通常IIB越小，往往IIO也越小。因此，IIB应该尽量小一些。一般运放的IIB为10nA~1μA，对于高精度、低漂移运放，其值为皮安数量级。 4) 输入失调电流IIO 当运放输出电压为零时，两输入端偏置电流之差称为输入失调电流，即 IIO=|IIB1-IIB2|(5．4．2) 产生输入失调电流的主要原因是输入级差动对管的β不相等。IIO越小越好，典型值为几十纳安左右，对于高精度、低漂移运放，其值为皮安数量级。 5) 输入失调电流的温漂dIIOdT dIIOdT与dUIOdT的含义类似。它是IIO的温度系数，典型值为1nA/℃数量级，对于高精度、低漂移运放，其值为1pA/℃数量级。 2． 差模特性参数 1) 开环差模电压放大倍数Aod 运放在没有外加反馈情况下的差模电压放大倍数称为开环差模电压放大倍数。Aod的大小常用对数形式表示为20lg|Aod|（dB），一般运放的Aod为100~120dB，高增益运放可达140dB。 2) 差模输入电阻rid 运放加差模输入信号时的输入电阻称为差模输入电阻。rid越大，对信号源的影响越小。双极型管输入级rid为105~106Ω，场效应管输入级可达109Ω。 3) 最大差模输入电压UIdmax 运放两输入端之间所能承受的最大差模输入电压，主要受输入级差动对管反向击穿电压的限制。UIdmax一般为几伏至几十伏。F007的输入级采用了横向PNP 管，UIdmax=±30V。 3． 共模特性参数 1) 共模抑制比KCMR 运放共模抑制比KCMR的定义与差动放大电路相同。其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。 2) 最大共模输入电压UIcmax 当运放的共模输入电压大到一定程度时，会使输出级进入饱和或截止状态，共模抑制特性显著下降。一般定义KCMR下降6dB时的共模输入电压为最大共模输入电压UIcmax。F007的UIcmax=±13V。 4． 其他动态参数 1) 开环带宽(-3dB带宽)fH 集成运放是一种高增益的直接耦合的多级放大电路，不但可以放大交流信号，也可以放大直流信号，故其下限截止频率fL=0，它的上限截止频率fH就是其开环带宽。fH是20lg|Aod|下降3dB(即Aod下降到约0．707倍)时的信号频率。 2) 单位增益带宽fc 使Aod下降到0dB(即Aod=1)时的信号频率，称为单位增益带宽fc，与BJT的特征频率fT相类似。 3) 转换速率SR 转换速率SR是指运放在额定负载及输入阶跃大信号时，输出电压变化的最大速率，即 SR=duOdtmax(5．4．3) SR也称为压摆率，反映了运放对于高速变化的输入信号的响应程度，常用单位是(V/μs)。当输入信号变化率的绝对值小于SR时，运放输出才有可能按线性规律变化。 若在运放的输入端加一正弦交流信号ui=Uimsin（ωt），输出电压uo=Uomsin（ωt），则输出电压的最大变化速率为 duOdtt=0=Uomωcos（ωt）|t=0=2πfUom(5．4．4) 为了使输出电压波形不因转换速率的限制而产生失真，要求SR必须满足 SR≥2πfUom(5．4．5) 以F007为例，SR=0．5V/μs，当Uom=10V时，它的最大不失真频率约为8kHz。 5．4．4特殊类型的集成运放 反映集成运放性能的好坏有几十个指标参数。由于制造工艺和性价比等方面的原因，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广、没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。下面简要介绍几种特殊类型的集成运放。 1． 高输入阻抗型 在测量电路中，由于许多传感器的输出电阻很大或输出电流很小，要求放大器具有很高的输入阻抗。这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109Ω，输入偏置电流通常为皮安数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超β管与BJT结合的电路，构成差动输入级。典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。 2． 高精度、低漂移型 在高精度模拟信号处理、高精度信号测量领域中，信号一般为毫伏或微伏数量级，要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般dUIOdT<2μV/℃，dIIOdT<200pA/℃，KCMR≥110dB。 高精度、低漂移型运放的主要精度指标在很大程度上取决于差动输入级。这一级大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP77、OPA177等。 另外，有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。典型产品有ICL7650、AD508、OP27等。 3． 高速型 通用型集成运放的转换速度较低，如μA741，其转换速率为0．5V/μs，单位增益带宽为10Hz左右，这种集成运放不能适应信号高速变化的要求。高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏/微秒，单位增益带宽大于10MHz，主要应用在高速数据采集系统、高速A/D和D/A转换器、高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率可达到几千伏/微秒。高速型运放的典型产品有μA715、AD845、AD9618、SL541等。 4． 低功耗型 低功耗型运放一般应用在对电源功率有严格限制的场合，如便携式仪器、遥测遥感、生物医学和外层空间使用的设备等，要求其功耗为微瓦数量级，电流在几十微安以下，电源电压在几伏以下。典型产品有CA3078、μPC253、ICL7641等。 5． 大功率型 随着半导体工艺的不断发展，集成运放的输出功率范围也在不断扩大。一般大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦。典型产品有LH0021、HA2645、LM143等。 除了上述特殊性能指标的运放，还有为了适应单电源供电的要求而专门设计的单电源运放。典型产品有LM158/258/358、LM124/224/324、LM2902等。 5．5集成运放的模型 集成运放内部的电路结构比较复杂，在分析由运放构成的各种应用电路时，如果直接对运放内部电路及整个应用电路进行分析，是不够简明方便的。一般首先要根据运放的特点建立运放模型，然后在模型的基础上进一步对应用电路进行分析。 5．5．1集成运放的低频等效电路 集成运放作为一个器件出现在电子电路中，与BJT、场效应管等器件相似，也可根据电路分析的需要建立其等效电路。在低频情况下，如果仅研究差模信号的放大问题，不考虑偏置电流IIB、失调电压UIO、失调电流IIO、温漂和共模放大倍数的影响，差模输入信号uI=u+-u-，则运放的输入端口可用差模输入电阻rid等效，输出端口可用差模输出电压uO=AoduI、输出电阻ro等效，如图5．5．1所示。 5．5．2集成运放的电压传输特性 集成运放的输出电压uO与输入电压uI之间的关系曲线称为电压传输特性。集成运放的电压传输特性如图5．5．2所示。 图5．5．1集成运放的低频等效电路 图5．5．2集成运放的电压传输特性 从图5．5．2可以看出，当uI为小信号，其大小为-uIm~+uIm时，输出与输入呈线性关系，这时运放工作在线性区域，有 uO=AoduI=Aod(u+-u-)(5．5．1) 当uI超过上述范围时，运放输出级达到饱和，输出分别为正向和负向的最大值+UOm和-UOm，这时运放工作在非线性区域。 -uIm与+uIm以及+UOm与-UOm的大小同运放的开环差模电压放大倍数Aod、电源电压以及运放输出级管子的饱和压降有关。举例来说，如果Aod=105，电源电压为±12V，输出级管子的饱和压降等于2V。那么，输出电压最大值约为±10V，因此，当uI在±0．1mV范围内时，运放工作在线性状态，若超出这个范围，运放就进入了非线性状态了。 5．5．3理想集成运放模型 集成运放可以构成形式多样、种类繁多的应用电路。在这些应用电路中，有相当一部分电路对精度的要求并不高。集成运放本身的参数误差与外电路的电压、电流相比很小，对于一般的工程计算来说是可以忽略不计的。这样，就可以进一步简化电路分析，把集成运放的参数理想化，建立起理想集成运放的模型。 1． 理想集成运放的参数特征 理想集成运放具有理想化的技术性能指标，主要参数指标如下： (1) 开环差模电压增益Aod→∞。 (2) 差模输入电阻rid→∞。 (3) 共模抑制比KCMR→∞。 (4) 输出电阻ro→0。 (5) 开环带宽fH→∞。 (6) 输入失调电压、输入失调电流及其温漂均为零。 由于理想集成运放的开环差模电压放大倍数为无穷大，所以标注放大倍数时用“∞”表示，图5．5．3所示为理想集成运放的符号。本书后续章节的有关电路分析中，均将集成运放作为理想运放来考虑。 2． 运放的线性工作区 图5．5．4所示为理想集成运放的电压传输特性。集成运放工作在线性状态时，可以推出以下两条结论。 图5．5．3理想集成运放的符号 图5．5．4理想集成运放的电压传输特性 （1) 运放两输入端之间的电压为零。 由于运放的输出电压为有限值，而理想运放的Aod→∞，因而两输入端之间的电压 uI=u+-u-→0(5．5．2) 或 u+=u-(5．5．3) 从式（5.5.3）可以看到，运放两输入端好像短路一样，但并不是真正短路，只是表面上其电性能等效为短路，因而称为“虚短”。实际集成运放的Aod≠∞，故u+和u-不可能完全相等，但只要Aod足够大，运放差模输入电压uI就很小，一般可以忽略不计。运放输入端的线性区域非常小，当开环工作时，是不可能工作在线性状态的，因此，也就不能使用“虚短”进行分析。只有在运放引入负反馈后，保证运放工作在线性放大状态，才能够谈到“虚短”。 （2) 运放两输入端的输入电流为零。 由于运放的输入电阻rid→∞，因而流入两个输入端的电流为零，即 i+=i-=0(5．5．4) 式中，i+和i-分别为运放同相端和反相端的电流。从式（5.5.4）可以看到，运放输入端好像是断路，但并不是真正断路，称为“虚断”。 需要指出的是，“虚短”和“虚断”是理想集成运放工作在线性状态的重要性质，也是后续章节分析由理想集成运放构成的线性电路的重要依据。由于集成运放的开环差模放大倍数通常很大，为了使运放能够稳定地工作在线性状态，必须引入深度负反馈，以减小加在运放输入端的净输入信号。运放的线性应用将在第6章和第7章介绍。 3． 运放的非线性工作区 集成运放工作在非线性状态时，不再满足式(5．5．1)给出的线性关系，其工作状态有以下两个特点。 (1) 输出电压或者达到+UOm，或者达到-UOm，两者必居其一。两个输入端的电压也不相等，如果u+>u-，则输出为+UOm； 如果u+<u-，则输出为-UOm。 (2) 由于运放的输入电阻rid→∞，即使运放输出端处于饱和状态，它的两个输入端的实际电流非常小，也完全可以忽略不计，因而输入端依然满足“虚断”特性。 以上两个特点是分析运放工作在非线性电路的主要依据。电压比较器中的运放属于非线性应用，具体将在第8章讨论。 小结 （1） 集成运算放大器是一个高增益的直接耦合的多级放大电路。对于直接耦合的多级放大电路，一个严重的问题是零点漂移，差动放大电路可以有效地解决这一问题。差动放大电路主要利用电路的对称性克服零点漂移，它对差模信号有较大的放大能力，对共模信号有较强的抑制能力。 （2） 差动放大电路既能放大直流信号又能放大交流信号，按照输入和输出方式不同分为四种基本电路，它们都可以等效为两个对称的共射放大电路，利用半边等效电路来计算静态工作点和动态性能指标。 （3） 电流源是集成运放中的基本单元电路，其特点是直流电阻小、交流电阻大，不仅能够给放大电路提供稳定的直流偏置，而且可作为放大电路的有源负载。常用的电流源有镜像电流源、微电流源和多支路比例电流源。 （4） 集成运放通常输入级采用差动放大电路，中间级采用共射放大电路，输出级采用互补对称射极或源极输出电路，使用电流源电路为各级电路提供偏置电流，并作为放大电路的有源负载。 （5） 集成运放的主要类型是BJT集成运放、FET集成运放以及由这两种工艺结合而得到的集成运放。集成运放的参数多达几十个，正确掌握主要参数的物理含义，才能在使用中恰当地选择元器件。 （6） 集成运放是模拟集成电路的典型组件。在实际的电路分析中，通常把集成运放当作理想运放来处理，理想运放工作在线性区时有虚短和虚断的重要特性，工作在非线性区时输出只有两种可能： +UOm或-UOm，输入端依然满足虚断特性。 习题 5．1选择填空。 (1) 放大电路产生零点漂移的主要原因是。 A． BJT噪声太大 B． 放大倍数太大 C． 环境温度变化引起BJT参数的变化 (2) 直接耦合放大电路放大倍数越大，零点漂移现象就越。 A． 严重 B． 轻弱 C． 与放大倍数无关 (3) 集成运放使用差动放大电路作为输入级的主要目的是。 A． 稳定放大倍数 B． 克服温漂 C． 提高输入电阻 5．2差动放大电路如题图5．2所示。 (1) 若|Aud|=100，|Auc|=0，uI1=10mV，uI2=5mV，则|uO|为多大？ (2) 若Aud=-20，Auc=-0．2，uI1=0．49V，uI2=0．51V，则uO为多大？ 5．3差动放大电路如题图5．3所示。RW起到调电路两边对称程度的作用。已知： VCC=VEE=12V，Rb1=Rb2=Rb=10kΩ，Rc1=Rc2=Rc=10kΩ，Re=10kΩ，RW=200Ω，滑动头位于其中点，UBE=0．7V，β1=β2=50，rbe1=rbe2=2．5kΩ。 题图5．2 题图5．3 (1) 估算电路的静态工作点IB1Q、IC1Q和UCE1Q； (2) 求电路的Aud和Auc； (3) 计算电路的差模输入电阻Rid和输出电阻Rod。 5．4带恒流源的差动放大电路如题图5．4所示。VCC=VEE=12V，Rb1=Rb2=Rb=1kΩ，Rc1=Rc2=Rc=5kΩ，RW=100Ω，滑动头位于其中间，Re=3．6kΩ，R=3kΩ，β1=β2=50，RL=10kΩ，rbe1=rbe2=1．5kΩ，UBE1=UBE2=0．7V，UZ=8V。 (1) 估算电路静态工作点的IC1Q、UC1Q、IC2Q和UC2Q； (2) 计算差模放大倍数Aud； (3) 计算差模输入电阻Rid和输出电阻Rod。 5．5电路如题图5．5所示。T1和T2参数一致且β足够大。 (1) T1、T2和电阻R1组成什么电路，起什么作用？ (2) 写出IC2的表达式。 题图5．4 题图5．5 5．6多路电流源如题图5．6所示。设各管子的β值很大且相等。VCC=10V，UBE1=0．7V，UT=26mV，IC2和IC3的电流如图5.6所示。电阻R=9．3kΩ。试求电阻Re2和Re3的数值。 5．7有源负载差动放大电路如题图5．7所示，T1、T2管和T3、T4管的特性分别相同，求电路的差模电压放大倍数Aud。 题图5．6 题图5．7 5．8某运放输出级的简化电路如题图5．8所示。 (1) 电阻R1、R2和T3组成什么电路?起到什么作用？ (2) 电流源I在电路中起什么作用？ 5．9电路如题图5．9所示，所有晶体管均为硅管，β均为60，rbb′=100Ω，|UBE|=0．7V，稳压管的稳定电压UZ为3．7V，当uI=0时，uO=0，试求： (1) 静态时T1管和T2管的发射极电流和Rc2的值； (2) 电路的电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro。 题图5．8 题图5．9 5．10某集成电路内部简化电路如题图5．10所示。 (1) T1和T2管构成差动放大电路，为什么T2管的集电极未接电阻？ (2) R4、T3和电流源I组成了什么电路？电流源I起什么作用？ (3) D1、D2和T4、T5组成了什么电路？D1和D2起什么作用？ 题图5．10