06 集成運算放大電路

1、 5集成運算放大電路教學要求集成運算放大電路是一種應用廣泛的模擬集成電路，內部是采用直接耦合的高增益多級放大器。學習本章應達到：了解集成電路的基本概念和種類、工藝特點，集成運放的內部結構。理解模擬集成電路內部的基本單元電流源偏置電路的分析方法。理解運放內部電路的基本工作原理與分析方法。掌握運放的符號、主要參數的意義和集成運放應用中的注意事項等?；靖拍罴呻娐犯攀鲈诎雽w制作工藝的基礎上，將一個具有特定功能電子電路中的全部或絕大部分元器件制作在一個硅片上，做成一個獨立的器件封裝，稱為集成電路。集成電路由于要將很多元器件做在一個很小的硅片上，其電路中的元器件種類、參數、性能和電路結構設計都將受到

2、集成電路制作工藝的限制，具有如下特點：元器件參數準確度不高，但具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現需要對稱結構的電路，例如差分放大電路。集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，一般在毫瓦級以下。不易制造大電阻，因為在集成電路中制作大電阻需要占用較大的芯片面積，而且電阻的精度和穩(wěn)定性都不高。所以，在電路中需要大電阻時，往往使用有源器件的等效電阻替代或者外接。在集成電路中制作電容器是比較困難的，一般只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器內部一般都采用直接耦合方式。如需大電容，只能外接。不能制造電感，如一定要用電感，也只能外接。集成運放內部結構由于要求高增益和高穩(wěn)定性，集成運

3、放內部電路采用直接耦合的多級放大器結構，電路的結構框圖如圖5.1所示。圖5.1集成運放內部結構框圖.輸入級集成運放對輸入級的要求是：電路具有很高的輸入阻抗、較小的輸入偏置電流、較強的靜態(tài)工作點漂移抑制能力、很高的共模抑制比和一定的電壓增益。輸入級有一級差分放大器和兩級差分放大器等結構。.中間級運放對中間級的要求是：具有很高的電壓增益和簡單的頻率響應特性，才能保障整個運放的放大能力和工作穩(wěn)定性，一般通用型集成運放的中間級都采用單級高增益的共射(源)極放大電路。.輸出級運放對輸出級的要求是：具有較強的帶負載能力、高的輸入阻抗、大的動態(tài)范圍和對輸出端的過載、短路等保護能力。.偏置電路偏置電路是給運放

4、中各級放大電路提供靜態(tài)偏置電流的，其性能好壞直接影響運放各項參數。一般情況下，前級信號幅度小，靜態(tài)電流較??；另外隨著電源電壓的變化，靜態(tài)工作點也會有一定的變化，使電路的靜態(tài)工作點始終保持最佳狀態(tài)。集成運放的電路符號圖5.2是集成運放的電路符號，圖(a)是現行國家標準規(guī)定的符號，(b)是國內外常用符號，符號中有兩個輸入端和一個輸出端。其中，v稱為反相輸入端，因為，以同相輸入端v為參考點，從v端輸入信號，經放大后的輸出信號與輸入信號反相，在符號中標注+-“一”。同理，以V為參考點，從v端輸入信號，放大后的輸出信號與輸入信號同相，在-+符號中標注“+”。在實際應用中，目前兩種符號都有使用。(a)vo

5、(a)現行國家標準規(guī)定符號(b)國內外常用符號圖5.2集成運放的電路符號電流源偏置電路集成運放中的偏置電路一般采用電流源偏置，這樣可以保證當電源電壓在較大范圍內波動時放大電路的靜態(tài)工作點基本穩(wěn)定，增強電路的電源電壓適用性。集成運算放大電路內部偏置電路中常用的電流源電路包括基本鏡像電流源、微電流源、多路鏡像電流源等幾種結構。對于電流源偏置電路，要能夠正確識別其電路類型、電流關系和基本分析方法。集成運放的主要參數集成運放的性能參數包括誤差特性、放大能力、共模特性、動態(tài)特性等現歸納如下：誤差特性：包括輸入偏置電流、輸入失調電流及溫漂、失調電壓及溫漂等。放大能力：開環(huán)增益、差模輸入電阻、輸出電阻、最大

6、差模輸入電壓、額定輸出電壓及最大輸出電流、電源電壓范圍、開環(huán)帶寬和單位增益帶寬等。共模特性：共模抑制比、最大共模輸入電壓、共模輸入電阻等。動態(tài)特性：輸出電壓轉換速率、建立時間、最大功率帶寬等。重點難點分析學習模擬集成電路首先要理解其內部結構特點：直接耦合、電流源偏置和多級放大等，內部結構復雜，但應用中需要的外圍元器件并不多。其次，掌握集成運算電路主要參數的意義。集成運放的參數多，種類、型號繁雜因此學會查手冊是非常重要的。理解理想運放與實際運放的性能差距，在實際應用中選擇合適的器件型號、應用電路結構和外圍器件參數，是獲得良好效果的保障。典型例題分析【例5-1】試設計一個輸入阻抗約50K。、增益約

7、30倍的音頻前置放大器，輸入信號幅度V.W15mV（有效值），頻率范圍20Hz20KHz；要求選擇合適的器件型號和參數。irms解：（1）選擇運放。根據頻率特性要求，F007、pA741等通用運放上限頻率（f）太低,H只有幾個赫茲，雖然加入負反饋后，閉環(huán)上限頻率會提高，但仍難以達到要求，應選擇音頻專用運放，例如NE5532、NE5534等。（2）選擇電路結構。電路結構選擇比較簡單，同相比例器和反相比例器均可以達到要求。兩種電路結構分別如圖5.3、圖5.4所示。圖5.3反相比例器電路圖圖5.4同相比例器電路圖3）參數選擇。對于圖5.3的反相比例器，由于電路的輸入阻抗R二R，所以只能取R=50KQ

8、，則i11R二AR二1.5MQ，R二R/R47KQ。2V1312對于圖5.4的同相比例器，也有R二R二50KQ，并且i1RA二1+-3二30，即R二29R?？蛇xR=1.6KQ、R=47KQ。VR32232（4）對比兩種電路：反相比例器的電阻參數選擇只有一種可能，且需要1.5MQ的高阻值電阻；而同相比例器的電阻選擇范圍就大得多。另外，圖5.4中加入電容C后。形成直流全反饋，對抑制靜態(tài)工作點漂移大有好處。習題詳解5.4定性分析圖5-1電路，說明電路中Ti、I?的作用。圖5-1習題5.4的電路解：在圖5-1電路中，R、R、R和T構成電流源作為T的發(fā)射極等效電阻，b21b22e21VVV1V-RI=I

9、沁I=e2=b2BE2=-(CCb2V)elc2e2RRRR+RBE2eeeb21b22T構成射極跟隨器，R和R為T提供基極偏置電壓，電路的電壓增益：A沁1。1b11b121V5.5某集成運算放大電路內部的局部電路如圖5-2所示，T1、T2特性相同，且三極管的0足夠大。問：1)2)T、T2是什么結構的電路？在電路中起什么作用？寫出IR和IC2圖5-2習題5.5的電路解：(1)p、t2在電路中構成鏡像電流源，I二I；t2的交流等效阻抗作為t3的集12C2C123電極等效負載R。CV-VV-0.7(2)JI二BE1二TOC o 1-5 h zRRR,V-0.7I=IuI=CCC2C1RR5.6電路

10、如圖5-3所示，R=R=R,R=R=5R,v=Vcost,P1,2435im口試求輸出電流i的表達式，設VuV,VuV，各管的I均忽略不計。oBE1BE2BE5BE6B圖5-3習題5.6的電路解：設各電流方向如解圖5-3所示，由于VuV，VuV，各管的I均忽略不TOC o 1-5 h zBE1BE2BE5BE6B計，且R=R=R，R=R=5R；則T與T、T與T構成比例電流源，所以有：24351256iiuiu5i，iiuiuiu5i5i。3c3e324c4e4c5c66對于運放有虛短和虛斷，即：vvi+i-v1=i-vu-+-ui-i5i-5iR1RR342611vVcoswtii-i-(i-

11、i)u-mo62265R5R11 12 解圖5-3習題5.6的解圖5.7某運放的內部簡化電路如圖5-4所示。（1）試判斷兩個輸入端哪個是同相端，哪個是反相端？（2）說明各三極管的工作組態(tài)、作用及信號流向。解：（1）同相）、T4共集電極，同相）、T（共基極，同相）、T（共集電極，23和T（共集電極，同相）至I達輸出端，共反相一次，因此b51（共發(fā)射極，反相）、T（共集電極，同相）、T（共發(fā)射極,34從b輸入信號經T11共發(fā)射極，反相）是反相端。從b輸入信號經T22反相）和T（共集電極，同相）到達輸出端，共經過兩次反相，因此b是同相端。52（2）各三極管的組態(tài)前面已經列出。T和T構成雙端輸入、單端

12、輸出的差分放大器;T阻抗匹配，T電壓放大，T阻抗匹配，增強負載能力。v和v匯集到T2集電極后的345i1i22流經cTeTcTeTv。2345o5.8德州儀器公司生產的集成CMOS四運放TLC2274內部的一個運放電路如圖5-5所示。試分析：（1）該電路由那幾部分組成？（2）在輸入端接入輸入信號v時，說明信號流經的路徑、各個管子的組態(tài)和作用。圖5-5習題5.8的電路解：（1）電路包括輸入級（兒、T2、T4、T5等）。其中T1和T4構成源極耦合差分放大電路，雙端輸入、單端輸出。T2、T5構成鏡像電流源作為T1和T4的等效負載，同時實現輸出信號雙端轉單端。電壓放大級：主要元件是T12和T13等,T

13、12和T13既是放大管，又互為等效負載。偏置電路（T3、t6、T14、T15、T16、T17等）。解圖5-5習題5.8電路信號流經路徑圖*vo各個管子的組態(tài)：圖中實線路徑：VT4（共源極）、T（共源極）fV。id413o圖中虛線路徑：vfTi（共源極）、T5（共源極）、T7（共源極）、T（共源極）、Tid1571012（共源極）fv。o5.9集成運放LM324的S二0.5V/|JS,當工作信號頻率為10KHz時，輸出電壓最大R不失真幅度為多少？解：設v二Vsinwt，貝y：omo=wV-coswt，令w-V=S=0.5|JV/S，得：dtmmRV=0.5X丄=0.5X-沁8V5-6所示。當I=I+1=100nA，B-1fmW2X兀Xf5.10集成運放輸入偏置電流補償電路如圖圖5-6習題5.10的電路I二80nA，使輸出誤差電壓V=0V時，問平衡電阻R2的阻值應該是多少?B+解：要使V=0V，必須滿足：V=V，即：I(R/R)=IRorI-I+B-1fB+2R二(R/R)沁94KQ2I1fB+5.11I和I的補償電路如圖5-7所示，當運放的I二90nA，I二60nA時，在同IOI