第四章 集成運算放大電路

第四章集成運算放大電路1第四章集成運算放大電路4.1集成運算放大電路概述4.2集成運放中的電流源電路4.3集成運放電路簡介4.4集成運放的種類及選擇4.5集成運放的使用2按其功能分數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類型集成運算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。集成電路IC(IntegratedCircuit)

將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上。4.1集成運算放大電路概述3集成電路的外形圖4.1.1集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式4集成運算放大電路特點：1.電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)對稱性好，適于構(gòu)成差分放大電路。3.電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。2.在芯片上制作三極管比較方便、大量使用NPN管。4.在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。5.級間采用直接耦合方式。集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的直接耦合多級放大電路。因首先用于信號的運算，故而得名。5.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤10，集成電路中多采用復合管。54.1.2集成運放電路的組成及其各部分的作用1.集成運放電路的組成兩個輸入端一個輸出端若將集成運放看成為一個“黑盒子”，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。64.1.2集成運放電路的組成及其各部分的作用輸入級中間級輸出級偏置電路uPuNuO輸入級：前置級，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。中間級：主放大級，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級：功率級，多采用準互補輸出級。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。74.1.3集成運放的電壓傳輸特性+-AoduPuNuO同相輸入端反相輸入端A

od：開環(huán)電壓放大倍數(shù)集成運放的符號8非線性區(qū)：線性區(qū)：非線性區(qū)：集成運算放大器的傳輸特性9

由于Aod高達幾十萬倍，所以集成運放工作在線性區(qū)時的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。線性區(qū)：

uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時，集成運放的輸出不是＋UOM,就是－UOM，即集成運放工作在非線性區(qū)。104.5集成運放的種類及選擇4.5.1集成運放的發(fā)展概況第一代產(chǎn)品基本沿用了分立元件放大電路的設計思想,采用了集成數(shù)字電路的制造工藝，利用少量橫向PNP管,構(gòu)成以電流源做偏置電路的三級直接耦合放大電路。但是，它各方面性能都遠遠優(yōu)于分立元件電路，滿足了一般應用的要求。典型產(chǎn)品有A709、國產(chǎn)的F003、5G23等。第二代產(chǎn)品普遍采用了有源負載，簡化了電路的設計，并使開環(huán)增益有了明顯的提高，各方面性能指標比較均衡，因此屬于通用型運放，應用非常廣泛。典型的產(chǎn)品有A741、LM324、國產(chǎn)的F007、F324、5G24等。第三代產(chǎn)品的輸入級采用了超管，值高達1000～5000倍，而且版圖設計考慮了熱效應的影響，從而減小了失調(diào)電壓、失調(diào)電流及它們的溫漂，增大了共模抑制比和輸入電阻。典型產(chǎn)品有AD508、MC1556、國產(chǎn)的F1556、F030等第四代產(chǎn)品采用了斬波穩(wěn)零和動態(tài)穩(wěn)零技術(shù)，使各性能指標參數(shù)更加理想化，一般情況下不需要調(diào)零就能正常工作，大大提高了精度。典型產(chǎn)品有HA2900、SN62088、國產(chǎn)的5G7650等。114.5.2集成運放的種類12一、按工作原理分類互阻型：跨導型：電流放大型：電壓放大型：=屬于這類產(chǎn)品。、路為互阻放大電路。種電的量綱為電阻，故稱這，，即的電壓源80118009ADADAiAuuuiIuiOO控制由電流電壓，輸出回路等效成將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出iI屬于這類產(chǎn)品。、?？鐚?，常記作與輸入電壓之比，故稱30803080FLMgm=出電流的量綱為跨導，它是輸，，即的電流源AuAiiiuIiuOO控制由電壓電流，輸出回路等效成將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出uI=控制的電流源路等效成由電流實現(xiàn)電流放大，輸出回i屬于這類產(chǎn)品。、。F1900LM3900iAiIiOI控制的電壓源路等效成由電壓實現(xiàn)電壓放大，輸出回u=均屬于這類產(chǎn)品。、、。C14573F324F007uAuIodOI13二、按可控性分類1.可變增益運放（a）由外接的控制電壓uC來調(diào)整開環(huán)差模增益Aod，稱為電壓控制增益的放大電路，如VCA610，當uC從0變?yōu)?2V時，Aod從-40dB變?yōu)?40dB，中間連續(xù)可調(diào)。（b）利用數(shù)字編碼信號來控制開環(huán)差模增益Aod，這類運放是模擬電路與數(shù)字電路的混合集成電路，具有較強的編程功能，例如AD526，其控制變量為A1、A2、A3，當給定不同的二進制碼時，Aod將不同。142.選通控制運放此類運放的輸入為多通道，輸出為一個通道，即只有一個對“地”輸出電壓信號。利用輸入邏輯信號的選通作用來確定電路對哪個通道的輸入信號進行放大。+-A1+-uIA+-A2+-uIBA3SuO兩通道選通運放OPA676的原理示意圖15三、按性能指標分類1.通用型80～120mW功耗0.5～0.7V/sSR0.5～2MHz單位增益帶寬70～90dBKCMR0.3～7IIB0.2～2IIO2～5mVUIO0.5～2Mrid65～100dBAod數(shù)值范圍單位參數(shù)表4.5.1通用型運放的性能指標16高阻型、高速型、高精度型和低功耗型2.特殊型高阻型：rid>109；

適用：測量放大電路等；高速型：增益帶寬高

；

適用：A/D,D/A轉(zhuǎn)換等；高精度型：低失調(diào)，低溫漂，低噪聲，高增益；

適用：高精度儀器設備等；174.5.3運放的選擇一、信號源的性質(zhì)二、負載的性質(zhì)三、精度要求四、環(huán)境條件查手冊，選型號首選：通用型，通用型不能滿足要求時，選擇特殊型。根據(jù)：18４.６集成運放的使用4.6.1使用時必做的工作1、集成運放的外引線（管腳）2、參數(shù)測量3、調(diào)零或調(diào)整偏置電壓4、消除自激振蕩4.6.2保護措施1、輸入保護+-AD1D2R防止輸入差模信號幅值過大的輸入保護措施防止輸入共模信號幅值過大的輸入保護措施+-AD1D2R-V+V192、輸出保護-+ADzR輸出保護電路3、電源端保護-+AD1D2+VCC-VCC電源端保護204.6.3輸出電壓與輸出電流的擴展-+AT2+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1R1R2R3R4uOuPuNb1b2e2e1因為R1=R2=R3=R4=R。當集成運放的輸入電壓uP=uN=0時，其輸出電壓uO=0，因而b1和b2點的電位分別為uB1=+15V、uB2=-15V，b1和b2點的電位差uB1-uB2=30V。若忽略T1與T2管b-e間電壓，則uE1≈+15V，uE2≈-15V一、提高輸出電壓不影響運放的正常供電設集成運放的電源電壓為±15V可見對運放A來說，其供電電壓仍為±15V。21當有輸入信號時，雖然運放供電電源電壓總值(uB1-uB2)沒變，但實際上，當uO=+15V時，運放的正電源電壓uB1約為22.5V，負電源uB2約為-7.5V，這將使運放的參數(shù)產(chǎn)生一些變化。-+AT2+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1R1R2R3R4uOuPuNb1b2e2e1注意！22二、增大輸出電流-+A+VCC-VCCTRLuO+-加射極輸出器的增大輸出電流的措施-+AT2+VCC-VCCT1R1D2R2uOD1加互補輸出級的增大輸出電流的措施23END244.2集成運放中的電流源電路集成運放電路中的晶體管和場效應管，除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)電流，或作為有源負載取代高阻值的電阻，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。本節(jié)將介紹常見的電流源電路以及有源負載的應用。4.2.1基本電流源電路4.2.2改進型電流源電路4.2.3多路電流源電路4.2.4以電流源為有源負載的放大電路25鏡像電流源4.2.1基本電流源電路一、鏡像電流源+VccR2IBIB0IB1IC1IRIC0T1T0所以：IB0=

IB1=

IB，IC0=IC1=IC=IB

。使IC0和IC1呈鏡像關系。電路：T0與T1特性一致，0=1=

；

T0與T1工作在放大狀態(tài)。因為：UBE0=UBE1，0=1=；工作原理：

IC1為輸出電流。26+VccR2IBIB0IB1IC1IRIC0T1T0電阻R中的電流為基準電流：當>>2時，輸出電流↗IC1↑T(℃)↑↘IC0↑→IR↑→UR(IRR)↑→UB↓→IB↓→IC1↓鏡像電流源具有一定的溫度補償作用：存在問題：當IC較小時，需R大，集成電路中難以制造大的R。27二、比例電流源+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE1電路：T0與T1特性一致，0=1=

；

T0與T1工作在放大狀態(tài)有反饋電阻Re；工作原理：

IC1為輸出電流，28比例電流源當>>2時，IC0≈IE0≈IR，IC1≈IE1，所以+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE10比例電流源比鏡像電流源的輸出電流IC1具有更高的溫度穩(wěn)定性！（Re0和Re1是電流負反饋電阻）。29微電流源三、微電流源+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0ReIE1為了采用阻值較小的電阻，獲得較小的輸出電流IC1，可以將比例電流源中Re0的阻值減小到零微電流源。電路：工作原理：式中（UBE0－UBE１）只有幾十毫伏，甚至更小，因此只要幾千歐的Re，就可得到幾十微安的IC1。30設計電路：若VCC＝15V，IR＝1mA，UBE0＝0.7V，UT＝26mV，IC1＝20A，則+VccRIB0+IB1IB0IB1IC1IRIC0T1T0ReIE1確定IR和IC1計算R和Re的數(shù)值314.2.2改進型電流源電路改進的目的：減小基極電流的影響，提高輸出電流與基準電流的傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流。微電流源：比例電流源：鏡像電流源：較小時，誤差增大，需改進電路。32+VccRIB2IB0IB1IC1IRIC0T1T0T2IE2一、加射極輸出器的電流源電路：T0、T1、

T2特性一致，0=1=2

；

T2：射極輸出器；

IC1為輸出電流。UBE0=UBE1，IB1=IB0=IB

IC1=IC0

。利用T2管的電流放大作用，減小了基極電流IB0和IB1對基準電流IR的分流。工作原理：即使很小，也可以認為IC1≈IR，IC1與IR保持很好的鏡像關系。33二、威爾遜電流源+VccRIB2IC1IRIC0T1T0T2IE2IC22IBAB電路：T0、T1、

T2特性一致，0=1=2

；

T1的rce是T2的發(fā)射極電阻Re；

IC2為輸出電流。UBE0=UBE1，

IC1=IC0=IC

。工作原理：因為rce1非常大，所以可使IC2高度穩(wěn)定。Ａ點的電流方程為：34在Ｂ點：整理：

IC2受基極電流影響很小。+VccRIB2IC1IRIC0T1T0T2IE2IC22IBAB354.2.3多路電流源電路1.基于比例電流源的多路電流源RIC1IRIC0T1T0Re0Re1IE0IE1IC２T２Re２IE２IC３T３Re３IE３利用一個基準電流去獲得多個不同的輸出電流，以適應各級靜態(tài)電流的需要基準電流：IR三路輸出電流：IC1、IC2、IC3當IE0確定后，各級只要選擇合適的電阻，就可以得到所需的各級電流。根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。362.多集電極管構(gòu)成的多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。設三個集電區(qū)的面積分別為S0、S1、S2，則373.MOS管多路電流源根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。MOS管的漏極電流正比于溝道的寬長比。設寬長比W/L=S，且T1～T4的寬長比分別為S0、S1、S2、S3，則基準電流38[例]圖示電路是型號為F007的通用型集成運放的電流源部分。其中T10與T11為縱向NPN管；T12與T13是橫向PNP管，它們的均為5，它們b-e間電壓值均約為0.7V。試求出各管的集電極電流。F007中的電流源電路+Vcc(+15V)R539kIC13IRIC12T13T12IB10+IB12IC10T10T11R43k-Vcc(-15V)解：圖中R5上的電流是基準電流，根據(jù)R5所在回路可以求出T10與T11構(gòu)成微電流源，利用累試法或圖解法求出I10≈28AT12與T13構(gòu)成鏡像電流源，在電流源電路中，首先應求出基準電流IR，IR常常是集成運放電路中唯一能夠通過列方程直接求出的電流；然后利用與IR的關系，分別求出各路輸出電流。394.2.4以電流源為有源負載的放大電路在共射（共源）放大電路中，為了提高電壓放大倍數(shù)的數(shù)值，行之有效的方法是增大集電極電阻Rc（或漏極電阻Rd）。然而，為了維持晶體管（場效應管）的靜態(tài)電流不變，在增大Rc（Rd）的同時必須提高電源電壓。當電源電壓增大到一定程度時，電路的設計就變得不合理了。在集成運放中，常用電流源電路取代Rc（Rd），這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可得到很大的等效的Rc（或Rd）。由于晶體管和場效應管是有源元件，而上述電路中又以它們作為負載，故稱為有源負載。40一、有源負載共射放大電路+VCCRIRIC2T3T2IC1T1RbRL+-uO+-uI電路：T1

：放大管（共射）；T2與T3：鏡像電流源；工作原理：T2：T1的負載管?；鶞孰娏骺蛰d時T1管的靜態(tài)集電極電流1)并不需要很高的電源電壓，只要VCC與R相配合，就可以設置合適的集電極電流ICQ12)輸入端的uI中應含有直流分量，為T1提供靜態(tài)基極電流IBQ1，IBQ1應等于ICQ1/1，而不應與鏡像電流源提供的IC2產(chǎn)生沖突3)電路帶上負載電阻RL后，ICQ1將有所變化。注意！+VCCRcIC1T1RbRL+-uO+-uI+VCCIC1T1RbRL+-uO+-uI+VCCRIRIC2T3T2+uO41有源負載共射放大電路+VCCIC2T3T2RIRIC1T1RbRL+-uO+-uIRL’T1RbRL+-+-rbe1rce1RLRL’(rce2)+-+-Rb電壓放大倍數(shù)若RL<<(rce1//rce2)，則等效負載等效電路42二、有源負載差分放大電路+VCCiC3T4T3IioiC1T1RL+-uO+-uIT２iC4iC2-VEE電路：T1與T2：放大管（差分）；T3與T4：負載（鏡像電流源）iC3=iC4；工作原理：靜態(tài)IE1＝IE2≈

IC1＝IC2＝I/2，若3>>2，則IC3≈IC1因IC4＝IC3，所以IC4≈IC1

iO=IC4－IC2≈0差模輸入iC1=－iC2，而iC3≈

iC1；由于iC3和iC4的鏡像關系，iC3=iC4

iO=

iC4－

iC2≈

iC1－(－

iC1)=2

iC1①電路的輸入、輸出方式？②如何設置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時iO約為多少？④動態(tài)時ΔiO約為多少？43電壓放大倍數(shù)+VCCiC3T4T3IioiC1T1RL+-uO+-uIT２iC4iC2-VEE輸出電流與輸入電壓之比

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時的差模放大倍數(shù)。444.3集成運放電路簡介集成運放電路分析（1）了解用途：了解要分析的電路的應用場合、用途和技術(shù)指標。（2）化整為零：將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。45對于集成運放電路，應首先找出偏置電路，然后根據(jù)信號流通順序，將其分為輸入級、中間級和輸出級電路。一、F007電路分析46若在集成運放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準電流。找出偏置電路47雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復合管為放大管、恒流源作負載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準互補輸出級三級放大電路簡化電路分解電路輸入級的分析

T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。共集-共基形式Q點的穩(wěn)定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9與IC8為鏡像關系→IC9↑因為IC10不變→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2從基極輸入、射極輸出T3和T4從射極輸入、集電極輸出輸入級的分析T7的作用：放大差模信號作用？

T5、T6、T7組成加射極輸出器的比例電流源，作為T3、T4的有源負載。差模輸入iC3=－

iC4，而iC5≈

iC3,iC5=iC6，因而iC6=－

iC4

iB16=iC4

－

iC6=2iC4

輸入級的分析T7的作用：放大差模信號作用？+++++++_抑制共模信號+___特點：輸入電阻大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高的雙端輸入、單端輸出差分放大電路。_瞬時極性法

T5、T6、T7組成加射極輸出器的比例電流源，作為T3、T4的有源負載。共模輸入iC3=iC4，而iC5≈

iC3,iC5=iC6，因而iC6=iC4

iB16=iC4

－

iC6=0中間級的分析中間級是主放大器，它所采取的一切措施都是為了增大放大倍數(shù)。中間級是以復合管T16、T17為放大管、采用有源負載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級輸出級52輸出級的分析D1和D2起過流保護作用，未過流時，兩只二極管均截止。iO增大到一定程度，D1導通，為T14基極分流，從而保護了T14。準互補輸出級，UBE倍增電路消除交越失真。中間級輸出級電流采樣電阻特點：輸出電阻小最大不失真輸出電壓高53判斷同相輸入端和反相輸入端54４.４集成運放的主要性能指標

指標參數(shù)

F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞55

指標參數(shù)F007典型值理想值輸入失調(diào)電壓UIO2mV0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO20nA0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃0使輸出電壓等于零在輸入端加的補償電壓。56

指標參數(shù)