模擬電路集成運算放大器

模擬電路集成運算放大器第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.1.1集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點一.對稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。二.集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時，要在電路上另想辦法。三.在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。四.在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。五.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤

10。常采用復合管的形式。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五一、輸入級差分電路，大大減少溫漂。二、中間級采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。三、輸出級

互補對稱電路，帶負載能力強四、偏置電路電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。輸入級偏置電路中間級輸出級+uouid4.1.2集成運放電路的組成及其各部分的作用實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。圖4.1.1集成運算的基本組成第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.1.3集成運放的電壓傳輸特性圖4.1.2集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=

f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成運放的兩個輸入端分別為同相輸入端uP和反向輸入端uN。電壓傳輸特性第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關系，即集成運放的工作區(qū)域線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。uOuP-uN+UOM-UOM第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.3集成運放電路簡介典型的集成運放雙極型集成運放F007CMOS集成運放C14573一、引腳4.3.1雙極型集成運放F007

F007的引腳及連接示意圖(a)(b)連接示意圖12348765第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五二、電路原理圖圖4.3.1

F007電路原理圖第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五1.偏置電路+VCCT8-VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至輸入級至中間級基準電流：基準電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。各路偏置電流的關系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級鏡像電流源中間級輸出級圖4.3.1-1

F007的偏置電路第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五2.輸入級

T1、T2、T3、T4組成共集-共基差分放大電路；T1、T2

基極接收差分輸入信號。T5、T6

有源負載；

T4

集電極送出單端輸出信號至中間級。uO

RW

調(diào)零電阻，R外接電阻。

T7

與R2組成射極輸出器。+VCC-VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9圖4.3.1-2uI2uI1第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五若暫不考慮T7

和調(diào)零電路則電路可簡化為：+VCC-VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO

(1).T1、T2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。

(2).共基組態(tài)的T3、T4，與有源負載T5、T6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。

(3).T3、T4共基接法能改善頻率響應。

(4).該電路具有共模負反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。圖4.3.1.2

簡化示意圖第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五3.中間級圖4.3.1-3中間級示意圖+VCC-VEET15T16IC13R7T17R830pF輸入來自T4

和T6集電極；輸出接在輸出級的兩個互補對稱放大管的基極。中間級T16、T17

組成復合管，T13作為其有源負載。

8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.輸出級IC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2圖4.3.1-4

F007輸出級原理電路

T14、T18

、T19

準互補對稱電路；

D1、D2

、R9、R10

過載保護電路；

T15

、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流。調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE

倍增電路。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.3.2.單極型集成運放T2+vDD-vssui1ui2vGS3vGS4uoD1uoD2vGS1vGS2T3T1T4iD3iD4iD1iD2IREFTREFT5T6T7ID5ID6I0vGS7vGS6vGS5vGSR一、電路結(jié)構(gòu)雙入雙出差分式放大電路耗盡型NMOSFET對管T1、T2有源負載增強型NMOSFET對管T3

T4偏置電路TREF、T5、T6T7組成。二、工作原理電路的基準電流

IREF＝ID5＝ID6＝I0靜態(tài)分析

ID1＝ID2＝I0/2輸出電壓UoQ＝UoD1Q-UoD2Q＝0動態(tài)分析

uo＝uoD1-uoD2差模電壓增益

AVD＝uo/uid＝-gm(rds1//rds3).第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.4集成運放的性能指標及低頻等效電路一、開環(huán)差模電壓增益Aod一般用對數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無窮大；實際情況Aod

為100~140dB。4.4.1集成運放的主要性能指標第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。一般運放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運放：UIO

為1mV以下。定義：一般運放為每度10~20V；高質(zhì)量運放低于每度0.5V以下；第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即定義：一般運放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運放在80dB以上，高質(zhì)量的可達160dB。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm

反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod

下降3dB時的頻率。一般集成運放fH只有幾赫至幾千赫。第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五十二、單位增益帶寬

fc

Aod

降至0dB時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR額定負載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的SR

值。其他技術指標還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.4.2集成運放的低頻等效電路考慮各種失調(diào)因素時等效電路圖不考慮各種失調(diào)因素的電路圖第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.5集成運放的種類及選擇4.5.1集成運放的發(fā)展概況4.5.2集成運放的種類一、按工作原理分類1.電壓放大型F007、F3242.電流放大型LM3900、F19003.跨導型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分類1.可變增益運放2.選通運放第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五1.高精度型性能特點：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型性能特點：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個數(shù)量級(不超過毫瓦級)，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指標分類第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五3.高阻型性能特點：通常利用場效應管組成差分輸入級，輸入電阻高達1012

。高阻型運放可用在測量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）4.高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達每微秒幾十至幾百伏，甚至高達1000V/s，單位增益帶寬可達10MHz，甚至幾百兆。性能特點：第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）5.高壓型性能特點：輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。6.大功率型性能特點：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負載上可得到較大的輸出功率。4.5.3運放的選擇（略）第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.6集成運放的使用一、集成運放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負反饋開環(huán)；集成運放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復為輸入信號過大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因4.6.1使用時必做的工作第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五2.漂移現(xiàn)象嚴重存在虛焊點運放產(chǎn)生自激振蕩或受強電磁場干擾集成運放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動端接觸不良集成運放本身損壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡防止反饋極性接錯避免負反饋過強合理安排接線，防止雜散電容過大第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4.6.2保護措施一、輸入保護(a)防止輸入差模信號幅值過大(b)防止輸入共模信號幅值過大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護元件保護元件uO+AR1RFD1D2uI保護元件圖4.6.1輸入保護措施第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五二、電源極性錯接保護