第四章 集成運算放大器

第四章集成運算放大器第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。集成電路的工藝特點：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。

(由于集成電路中，電阻是利用NPN管的基區(qū)體電阻構(gòu)成，電阻值的范圍一般為幾十歐~10千歐左右，阻值范圍不大，且阻值精度不易控制，誤差可達10%~20%。所以，若需要高阻值電阻，可用BJT或FET等組成的恒流源代替，或采用外接電阻的方法。)什么是集成運算放大器？第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。

(電容則采用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成，約在100PF以下，誤差也較大，因此電路結(jié)構(gòu)只能采用直接耦合方式。)（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。

(6)在集成電路制造工藝中，制造三極管（特別是NPN管）比制造其他元件容易，且占用面積小，性能好。[因此常用BJT（或FET）構(gòu)成恒流源作偏置電阻；將BJT的基極和集電極短接構(gòu)成二極管﹑穩(wěn)壓管等；]\第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三一、集成運放的組成部分：1、四個部分：偏置電路、輸入級、中間級、輸出級2、各部分的作用、要求和常采用的電路形式：偏置電路：向各個放大級提供適當?shù)撵o態(tài)偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。要求提供的靜態(tài)電流小而穩(wěn)定。常采用電路：比例電流源、鏡像電流源、微電流源輸入級：接收輸入信號，對集成運放的多項技術(shù)指標起決定性的作用。要求該級抑制零點漂移能力高。常采用電路：差分放大電路中間級：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。要求該級電壓放大倍數(shù)大且輸入電阻高。常采用電路：共射放大電路（有源負載和復合管）第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三輸出級：處理大信號、帶負載。要求設(shè)法減小輸出波形的非線性失真，提供較大電流，帶負載能力強。常采用電路：互補對稱功放電路3、框圖:輸入級中間級輸出級偏置電路Vi1Vi2Vo級間直接耦合差分式輸入電壓（流）放大恒流源功放第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三1.鏡像電流源基準電流：無論T2的負載如何變化，IC2的電流值將保持不變。因為：所以：二、集成運放中的偏置電路特點：電路結(jié)構(gòu)：存在問題：當β不夠大時，IC2與IREF差異較大第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三2.微電流源（1）電流小（因為△UBE?。?。（2）電流穩(wěn)定（電流負反饋）微電流源的特點：電路結(jié)構(gòu)：鏡像電流源電路適合用于較大工作電流（mA級）的場合，若需要IC2↓→R↑，在集成電路中不易實現(xiàn)。故推出微電流源（μA級）第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三3.多支路比例電流源同樣，IC2

和IC3也與IR成比例電路結(jié)構(gòu)：+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb三、輸入級電路－－差分放大電路（三種形式：基本式、長尾式、恒流源式）（一）長尾式（結(jié)構(gòu)特點：對稱性）第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三四、輸出級工作原理：ui為正半周時，T1管工作，T2管截止，輸出uo為正；ui為負半周時，T2管工作，T1管截止；輸出uo為負。兩管交替工作，在負載電阻RL上得到完整的正弦波。

1.互補對稱射極輸出電路第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三2.克服交越失真的互補對電路

靜態(tài)時，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航担率箖晒芫幱谖⑷鯇顟B(tài)，以消除交越失真。電路中增加D1、D2工作原理：第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三簡單的集成運放

原理電路：第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三通用型集成運放F007AB第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三AB第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三分析：1.偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準電流：

其他偏置電流都與基準電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負載。A路為輸出級提供偏置。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三2.輸入級：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達到30V以上。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三3.中間級：

T16和T17是復合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負載。電容C用來克服自激振蕩第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三T14和T20管組成互補對稱輸出級4.輸出級：T21、T23、T22管和R10保護T20管在負向電流過大時不致燒壞。T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三5.相位分析：用“瞬時極性法”判定，3號腿為同相端；2號腿為反相端。ABRP為平衡電位器第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三五、集成運算放大器的主要參數(shù)

1.輸入失調(diào)電壓UIO

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。

2.輸入失調(diào)電壓溫漂dUIO/dT

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。第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：

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。

3.輸入偏置電流IIB

：

輸入電壓為零時，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。

5.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。第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三

6.最大差模輸入電壓Uidmax

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

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。第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三

11.－3dB帶寬

fH

：

運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：

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：

第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三六、特殊集成運算放大器

反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運放要想在各種指標上都達到很高的性能是不容易的，也是不必要的。

通用型運放，各種參數(shù)指標都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。

特殊類型的集成運放，在某一個或幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運放的系列中進行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三

1.高輸入阻抗型

特點：差模輸入電阻往往大于109W，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級。

輸入級經(jīng)常采用結(jié)型場效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動輸入級，稱為BiFET，或采用超管與BJT結(jié)合的電路，構(gòu)成差動輸入級。其典型產(chǎn)品有5G28、F3130、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。主要應(yīng)用：測量放大、取樣電路第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三2.高精度、低漂移型

特點：很低的漂移量和很高的精度。一般ΔUIO/ΔT<2mV∕℃,ΔIIO/ΔT<200PA∕℃,KCMR≥110dB。

大多選用匹配特性優(yōu)良的差動對管，還采用熱匹配設(shè)計和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，還有的運放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650、AD508、OP-27等。主要應(yīng)用：輸入信號微弱的高精度儀器設(shè)備。第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三3.高速型

特點：高速運放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR大于幾十伏∕微秒，單位增益帶寬BW>10MHZ。

高速型運放的典型產(chǎn)品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。

主要應(yīng)用：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速A∕D和D∕A轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性能優(yōu)良的高速運放轉(zhuǎn)換速率已可達到幾千伏∕微秒。第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三4.低功耗型特點：功耗為微瓦數(shù)量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。典型產(chǎn)品有CA3078、mPC253、ICL7641等。主要應(yīng)用：能源有限的宇航、軍事技術(shù)。

5.大功率型

特點：電源電壓為正負幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。典型產(chǎn)品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三＋－u-－u+uo國際符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端七、集成運算放大器的模型第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三1、運放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓±VCC=±10V。運放的Aod=104│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當Aod→∞時，線性區(qū)→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期三2、理想運算放大器：（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞（2）差摸輸入電阻Rid=∞（4）輸出電阻Ro=0（3）共模抑制比KCMR