集成運算放大電路

第4章集成運算放大電路運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。運算放大器外形圖§4.1

概述一、集成運放的特點二、集成運放電路的組成三、集成運放的電壓傳輸特性

一、集成運放的特點（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實現(xiàn)高性能的放大電路，因為電路的復(fù)雜化并不帶來工藝的復(fù)雜性。（3）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4）采用復(fù)合管。

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。二、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。集成運放電路四個組成部分的作用輸入級：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(shè)置合適的靜態(tài)工作點。采用電流源電路。幾代產(chǎn)品中輸入級的變化最大！三、集成運放的電壓傳輸特性

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。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū)

(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)。uO=f(uP-uN)4.2.集成運放中的電流源電路(1)電流源電路是一個電流負反饋電路，并利用PN結(jié)的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，以減小溫度對電流的影響。(2)電流源電路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點，這對直接耦合放大器是十分重要的。

(3)用電流源做有源負載，可獲得增益高、動態(tài)范圍大的特性。(4)用電流源給電容充電，以獲得線性電壓輸出。(5)電流源還可單獨制成穩(wěn)流電源使用。(6)在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡像電流源、比例電流源、微電流源、多路電流源等。4.2.1基本電流源電路

一、鏡像電流源三極管T1、T2匹配，則,BE2BE1BE21VVV====bbb鏡像電流源鏡像電流源電路如圖所示，它的特點是工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡像(電流相等）。恒流特性無論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。（三極管工作狀態(tài)）**二比例電流源

在鏡像電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。**三、微電流源設(shè)計過程很簡單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。4.2.2改進型電流源電路

精密鏡像電流源和普通鏡象電流源相比，其精度提高了倍。電路如圖所示。

由于有T2存在，IB2和將比鏡像電流源的2IB小。因此IC1和IR更加接近。一、加射級輸出器的電流源

整理后可得**二、威爾遜電流源IcoIRIcIe2Ic2注意電流方向4.2.3多電流源通過一個基準電流源穩(wěn)定多個三極管的工作點電流，即可構(gòu)成多路電流源。圖中一個基準電流IREF可獲得多個恒定電流IC2、IC3。

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。4.2.4以電流源作有源負載的放大電路①哪只管子為放大管？②其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？③靜態(tài)時UIQ為多少？④為什么要考慮

h22?一.

有源負載共射放大電路二、有源負載差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)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？

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)。靜態(tài)：動態(tài)：4.3集成運放電路簡介

ri

高:幾十k

幾百k運放的特點：KCMRR很大

ro

?。簬资?/p>

~幾百

Ao很大:104以上~107理想運放：

ri

KCMMRR

ro

0Ao

運放符號：＋－u－u+uo3.3.2運放的特點和符號－＋＋

u－

u+

uoA0

運算放大器的引線

運算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號‘+’或‘IN+’表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號“-”或“IN-”表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符號邊框內(nèi)標(biāo)有‘+’號。實際的運算放大器通常必須有正、負電源端，有的品種還有補償端和調(diào)零端。－＋＋

u－

u+

uoA0運算放大器的技術(shù)指標(biāo)很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據(jù)運算放大器本身的特點而設(shè)立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運算放大器，對某些項技術(shù)指標(biāo)有特殊要求的是各種特種運算放大器。靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)動態(tài)技術(shù)指標(biāo)4.4.1運算放大器的主要參數(shù)4.4集成運放的性能指標(biāo)及低頻等效電路4.4.1集成運放的主要性能指標(biāo)1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd

：(openloopvoltagegain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。100dB3.差模輸入電阻rid

：(inputresistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。MΩ2.共模抑制比

KCMR

：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd

與共模電壓增益Avc

之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)80dB

4輸入失調(diào)電壓VIO5.輸入失調(diào)電流IIO輸入失調(diào)電壓Vio

：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。輸入失調(diào)電流

Iio

：(inputoffsetcurrent)在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。.輸入失調(diào)電壓溫漂

dVio/dT.輸入失調(diào)電流溫漂dIio/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。(maximumcommonmodeinputvoltage)在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。6.輸入偏置電流IIB

inputbiascurrent運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。8.最大差模輸入電壓Vidmax

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7、最大共模輸入電壓Vicmax

9.–3dB帶寬BW

(fH)10.單位增益帶寬

BWG(fT)－3dB帶寬

fH

：(-3dBbandwidth)運算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。單位增益帶寬

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd

下降到1時所對應(yīng)的頻率，定義為單位增益帶寬fc

。

轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)—(slewrate)反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為

11.轉(zhuǎn)換速率SR12.最大輸出電流Iomax13、等效輸入噪聲電壓Vn——(noisevoltage)輸入端短路時，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對應(yīng)。4.4.2集成運放的低頻等效電路

為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運放外，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術(shù)指標(biāo)上比較突出。根據(jù)運算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對其進行分類，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。4.5集成運放的種類及選擇通用型

通用型運算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價格低廉。通用型運放也經(jīng)過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741(A741)為例，輸入失調(diào)電壓1～2

mV、輸入失調(diào)電流20

nA、差模輸入電阻2

M，開環(huán)增益100

dB、共模抑制比90

dB、輸出電阻75

、共模輸入電壓范圍13

V、轉(zhuǎn)換速率0.5

V/s。高速型和寬帶型

用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標(biāo)均較高，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應(yīng)注重SR。例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

高精度(低漂移型）

用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。例如：

OP177

CF714

高輸入阻抗型

用于測量設(shè)備及采樣保持電路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

低功耗型

用于空間技術(shù)和生物科學(xué)研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。例如：

OP22正常工作靜態(tài)功耗可低至36