模拟电子电路及技术基础第六章

第六章 集成运算放大器电路原理

第六章 集成运算放大器电路原理6.1 基本要求及重点、 难点

6.2 习题类型分析及例题精解6.3 习题解答

第六章 集成运算放大器电路原理

6.1 基本要求及重点、 难点1. 基本要求

(1) 了解集成运算放大器的组成和电路特点。(2) 了解电流源在集成运放中的作用； 掌握单管、 镜像、 比例、 微电流和负反馈型电流源以及有源负载放大器的组 成、 特点以及电路的分析、 计算。 (3) 掌握差动放大器的结构特点、 基本工作原理、 主要 性能指标、 传输特性以及差动电路的分析、 计算； 了解差 动电路的推广应用。

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(4) 了解集成运算放大器的输出级电路(即互补对称型射

极输出器)分析以及交越失真的概念和克服方法。(5) 理解以F007为例的集成运算放大器内部电路组成和 分析方法。

(6) 了解MOS集成运算放大器的电路组成和分析方法。(7) 理解集成运算放大器的主要性能指标。

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2. 重点、 难点 重点： 电流源电路的分析、 计算， 差动放大器的特点、 工作原理、 性能指标、 传输特性， 以及电路的分析、 计算。 难点： 差动放大器的分析、 计算和集成运放内部电路 的分析。

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6.2 习题类型分析及例题精解1. 晶体管电流源电路计算偏置在放大状态下的晶体管在其集电极(漏极)端等效为 一电流源。 因此， 电流源电路的计算本质上就是恒流管直 流工作点ICQ或IDQ的计算。 对于镜像、 比例和小电流电流 源， 首先应确定其参考电流， 然后或按镜像或按比例或按 对数关系确定电流源管的电流。 另外， 要保证导通下的电流源管在任何情况下既不饱和也 不击穿， 则电流源集电极输出端的电位应满足： |UCB|≥0且 |UCE|<U(BR)CEO。

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【例6-1】 晶体管压控电流源电路如图6-1所示。 已知各 晶体管的UBE相同， β足够大， uc为控制电压。 (1) 试推导电流源输出电流IC4与uc的关系式， 并说明uc允 许的取值范围； (2) 若UBE=0.7 V, 取UCC=12 V, R=23 kΩ, RA=4kΩ,

求uc=6 V时的IC4, 并确定IC4受控变化的范围；(3) 若V4管的击穿电压U(BR)CEO=40 V, 试确定电流源输 出端电位UC4允许的取值范围。

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图6-1 例6-1电路图

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解 (1)

I C2 I r

U CC U BE R

U A uc U BE3 U BE4 uc RA ( I C 2 I C 4 ) I C4 uc uc ur U CC U BE I C2 Ir RA RA RA R

为保证V2、 V3管放大导通， uc的最大值ucmax≤UCC-UBE2-UBE3=UCC-2UBE2。 而当IC4趋于零时， 为保证V4管不截

止 (即V3管不饱和), 则uc的最小值ucmin≥IC2RA。 故uc的取值范

围为

U CC 2U BE

RA uc I C2 RA (U CC U BE ) R

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(2)I C4 uc U CC U BE 6 12 0.7 1mA RA R 4 23 uCmax U CC U BE 12 2 0.7 12 0.7 2.15mA RA R 4 23

I C4max

而IC4的最小值趋于零。 因此， IC4的受控变化范围为0~2.15 mA。 (3) 由于V4管的基极电位UB4=uc+UBE, 而射极电位UE4=

uc, 因此使其不饱和也不击穿的UC4允许取值范围为uc+UBE≤UC4<40+uc

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2. 差动放大器性能分析 (1) 差放管直流工作点计算。 计算必须从差放管的耦合 元件支路入手。 若是电阻耦合， 可直接算出电阻上的电流； 若是电流源耦合， 应算出电流源的输出电流， 则差放管的 工作电流为该电流的一半。

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(2) 差动放大器差模指标计算。 由于差动放大器建立在 结构对称的基础上， 因而差模指标的计算可转化为耦合支 路接地的单边放大器的计算。 具体地说： 双端输出的电压 放大倍数为单边放大器的电压放大倍数， 输出电阻为单边 的两倍； 单端输出的电压放大倍数为单边接负载的放大器

电压放大倍数的一半， 输出电阻为单边的输出电阻； 双端输出和单端输出的输入电阻均为单边输入电阻的两倍。 (3) 差动双向限幅器。 根据射极耦合差动放大器电压传

输特性的非线性， 当输入电压超过100 mV时， 输出电压将被限幅。因此， 差动放大器在输入幅度超过1 V的正弦波、 三角波等信号时， 其输出变为近似方波。

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【例6-2】 差动放大器电路如图6-2所示。 已知晶体管 的UBE=0.7 V, β=100, rbe1=rbe2=3 kΩ, 试解答下列各问题。 (1) 若要求差放管的静态工作电流为1 mA, 求R3。 (2) 静态时(ui1=ui2=0), 若将电位器Rw的动臂左、 右移 动， 其输出端uo1和uo2的直流电位将如何变化？ 并说明Rw的

作用。

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(3) 若输入信号分别为ui1=20 sinωt(mV), ui2=50 mV, 且两输出端接有RL=8 kΩ负载， 求此时双端输出电压uo(uo1 -uo2)及单端输出电压uo2; (4) 在上题中， 若将负载接于uo1端输出， 则V1管静态 工作点有何变化？ 此时输出电压uo1是多少？

(5) 当输入信号时， 若将电位器Rw的动臂左、 右移动，试问输出电压和输入电阻是否随其改变？ (6) 确定电路允许输入共模电压的范围。

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图6-2 例6-2电路图

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解 (1) 要求差放管静态电流为1 mA, 则比例电流源的 V3管输出电流应为IC3=2 mA。 由于比例电流源的参考电流 为

U EE

U BE 15 0.7 Ir 1mA R1 R2 3 11.3故

Ir 1 R2 R2 3 1.5k I C3 2

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(2) 当Rw的动臂左移时， 接于V1管射极的电阻减小， 而V2管射极电阻增大， 从而使ICQ1增大， ICQ2减小， 进而引 起uo1端的电位降低， uo2端的电位升高。 反之， 当动臂右 移时， 则uo1端的电位升高而uo2端的电位降低。 由于差动放大器不可能做到完全对称， 因而静态时双

端输出电压不为零， 即产生失调。 根据上述原理， 可通过人为调整Rw, 使得零输入时输出为零。 这一过程通常称为 调零， 而Rw即为调零电位器。