《集成电子技术教程》(修订稿)第二章集成运放

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1、第二章集成运算放大器3.2.1集成运放的典型结构及特点集成运算放大器是在很小的硅片上，通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。由于它最早应用于模拟信号运算，因而得名并沿用至今。此后各种类型的集成放大组件不断出现，并在信号测量、信号处理、信号产生和变换等各种领域中越来越广泛地得到应用。如今，以集成运算放大器为代表的线性集成电路组件已成为现代电子电路屮最基本的组成单元。因此，在深入学习模拟电子技术及其应用之前，有必要通过典型的集成运放来了解和熟悉它们中存在的一些共同的结构和特性。一、集成运算放大器的典型结构集成运算放大器通常由输入级、中间级和输出级经直接耦合级联而成。通

2、过对各级电路形成的选择和技术指标的互相配合，从而实现了较全面的放大器指标要求，例如，具有高电压增益、高输入电阻、低输出电阻、高共模抑能力、低温度漂移、低噪声以及频率响应好等技术要求。一般地说，为了达到低温漂，高共模抑制比和高输入电阻等要求，主要是通过具有电路对称特点的差动放大电路输入级来实现；而为了保证总的电压增益要求，中间级又往往采用高电压增益的共射或共源（CE和CS）放大电路；为了具有低的输出电阻并且有较强的带负载能力，输出级电路往往是采用互补对称的共集跟随器结构。最后，为了保证有合适的静态工作点，并降低功耗，电路小的偏置电路采用恒流源供电。集成运算放人器整体电路的典型结构如图

3、321所示。图3.2.1集成运算放大器的典型结构二、集成运算放大器的主要特点在集成运放的上述这些基本单元中，由于集成电路制造工艺上的因素，集成运放与分立元件放大电路有以下较大的差异。1.由于集成电路中的电子器件是在同一硅片上，又是在相同的工艺条件和工艺流程下制造而成的，同一组件内的各器件参数具在良好的一致性和同向偏差。因而，在集成电路中常釆用对称结构特征的电路，如差动输入级电路和电流源电路等。2.集成电路的芯片占用面积很小，功耗很低，因此电路各部分的工作电流极小（如几到儿I•微安），因此集成运放屮常常采用微电流源电路来实现各放大级的电流偏置以及作为高阻有源负载。1.集成电路中的电容

4、量不大，约在几十皮法以下，常用PN结的结电容制成。因半导体集成工艺不能制作大电容，为此，集成运放各级放大电路之间也只能采用直接耦合方式。此外，集成运放中，二极管元件往往是用三极管改接而成，必要的大电容和电感元件必须依靠外接。集成运算放大器的电路符号如图3.2.2所示。集成运放有二个输入端，（-）称反相输入端,该输入端Uii与输出Uo相位相反；（+）为同相输入端，该输入端Ui2与输出Uo相位相同。集成运放可以看成是一个电压控制电压源（VCVS）,因此它的低频小信号模型如图323所示。⑷国标符号（b）简化符号（c）习惯通用符号图3.2.2运算放大器电路符号图3.2.3运放的低频小信号模

5、型在理想条件下，集成运放有：1.Ridf8,即输入电阻为无穷大；2.R（）d^0,即输岀电阻为零；3.Aod-*°°,而输出电压uo=Aod•uid总是为有限值,因此,uid-*0,即差模输入电压非常322集成运算放大器组成集成运算放大器的单元电路包括输入级差动放大电路、中间级高增益放大电路、互补对称输出电路和恒流源偏置电路，在这一节中介绍典型运放单元电路的构成和特性。一、集成运放中的恒流偏置电路集成运算放大器中常要求采用恒流源电路作为其静态偏置电路或电流源负载。恒流源电路种类很多，以下以跟随型镜像电流源电路为例说明恒流源的形式和特性。跟随型镜像电流源电路如图324所示，它的特点是

6、市电阻R确定参考电流Iref，两只特性完全相同的管子T】、T2组成镜像电流源，由于它们具有相同的基极偏置电压（Ube】=Ube2），因此口、T2管的集电极电流也完全相同。采用了Ts管作为射极跟随器，减小了T]管集电极电流与参考电流的误差，可以使电流源的输出电流II与参考电流Iref实现更精确的跟随关系，即图3.2.4跟随型镜像电流源Rref(3.2.1)电流源的输出电流II与参考电流Iref的误差为(3.2.2)1E3=21b_2/c]仃直一市一0(1+0)当BM50吋，输出电流II与参考电流Iref的相对误差小于0.08%,可见g与Iref有着很好的跟随关系。镜像电流源除了电流

7、具有镜像关系外，述具有一定的温度补偿作用。由于T

8、和T?管的基极连在一起，当温度上升，使集电极电流Ici>Ic2增加时，电阻Rref上的电流也增大，使Rref的压降增大'导致基极偏置电压Ube】、Ube2都同时下降'由于Ube丨Ib!Ic丨，这样使输出电流IC2的上升得到一定的抑制，提高了恒流源输出电流的稳定性。在实际电路中，有时在T

9、、T2管的基极与地之间加上电阻Re3，如图中虚线所示，用來增大T3管射极跟随器的工作电流，从而提高T3管的电流放大倍数B。集成运放是一