第4章 集成运算放大器

1、第第4章章 集成运算放大器集成运算放大器 复合管复合管 4.4 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 4.1 差分放大电路差分放大电路 4.2 集成运放中的电流源集成运放中的电流源 4.3 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标 4.5 集成运放的集成运放的电路模型电路模型 4.6 集成运放的集成运放的种类和注意事项种类和注意事项 4.54.7 4 .1 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 4.1.1 4.1.1 集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点 （1 1）集成运放各级之间均采用直接耦合方式。因为在集成）集成运放各级之间均采用直接耦合方式。因为在集成 电路中，制作大容量的电

2、容不太方便。电路中，制作大容量的电容不太方便。 （2 2）输入级均采用差分放大电路。主要为抑制直接耦合电）输入级均采用差分放大电路。主要为抑制直接耦合电 路存在的温度漂移。路存在的温度漂移。 （3 3）大量采用复合管结构，以提高其性能。）大量采用复合管结构，以提高其性能。 （4 4）大量采用电流源结构。一方面，用电流源进行直流偏大量采用电流源结构。一方面，用电流源进行直流偏 置；另一方面，用电流源作有源负载代替无源元件（置；另一方面，用电流源作有源负载代替无源元件（ 电阻电阻R），这样既可提高放大倍数，又可减小芯片面积。），这样既可提高放大倍数，又可减小芯片面积。 （5 5）电路中的二极管，大

3、多采用三极管的结构，把发射极、）电路中的二极管，大多采用三极管的结构，把发射极、 基极和集电极适当配合使用。主要用作温度补偿或电基极和集电极适当配合使用。主要用作温度补偿或电 平偏移。平偏移。 4.1.2 4.1.2 集成运放的组成及各部分的作用集成运放的组成及各部分的作用 两个两个 输入端输入端一个一个 输出端输出端 集成运放电路四个组成部分的作用集成运放电路四个组成部分的作用 前置级，多采用差分放大电路。要求前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，大，Ad 大，大， Ac小，小，温度漂移小温度漂移小。 主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够 大大的

4、的电压电压放大放大倍数倍数。 功率级，多采用准互补输出级。要求功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最小，最 大不失真输出电压尽可能大。大不失真输出电压尽可能大。 为各级为各级 放大电路设置合适放大电路设置合适 的静态工作点。采的静态工作点。采 用电流源电路。用电流源电路。 4.2 第第8章章 4.3.1 4.2 4.2 差分放大电路差分放大电路 4.2.1 双端输入、双端输出差分放大电路双端输入、双端输出差分放大电路 1 1电路组成电路组成 2 2静态分析静态分析 eQEBEQbBQEE RIVRIV2 e BEQEE QE R VV I 2 1 QE QB I I EQCQCEQ VVV

5、 0 C2QC1QO CQC2QC1Q EQE2QE1Q CQC2QC1Q BQB2QB1Q VVv VVV III III III 通常，通常，Rb较小，且较小，且IBQ很小，故很小，故 QC I BEQCCQCC VRIV 3.3.对共模信号的抑制作用对共模信号的抑制作用 )()( C2CQ2C1CQ1 vVvV C2C1oc vvv 0 c ic oc c A v v A，参数理想对称时共模放大倍数 C21C C21C B21B vv ii ii 共模信号：数值相等、极性相同的共模信号：数值相等、极性相同的 输入信号，即输入信号，即 ici2i1 vvv 0 4 4对差模信号的放大作用对

6、差模信号的放大作用 2/ idi2i1 vvv 差模信号：数值相等，极性相反差模信号：数值相等，极性相反 的输入信号，即的输入信号，即 C21C C21C B21B vv ii ii 差模放大倍数差模放大倍数 id od d v v A C1od 2 vvvod )(2 bebBid rRiv ) 2 /(2 L cCod R Riv ) 2 /(2 L cB R Ri id od d v v A beb L c rR R R ) 2 /( beb L rR R )(2 bebi rRR co RR2 c d CMR A A K共模抑制比共模抑制比 4.2.2 双端输入、单端输出差分放大电路双

7、端输入、单端输出差分放大电路 1 1静态分析静态分析 由于输入回路没有变由于输入回路没有变 化，所以化，所以IEQ、IBQ、ICQ 与双端输出时一样。但与双端输出时一样。但 是是VCEQ1 VCEQ2。 c QCCC R VV 1 CQ L QC I R V 1 CQ Lc cL CC Lc L QC I RR RR V RR R V 1 QEQCQCE VVV 111 BEQCQ Lc cL CC Lc L VI RR RR V RR R QEQCQCE VVV 222 BEQCCQCC VRIV 2差模放大倍数差模放大倍数 2 21 id ii v vv )(2 bebBid rRiv )

8、/( LcCod RRiv)/( LcB RRi id od d v v A )(2 )/( beb Lc rR RR beb L rR R 2 1 )(2 bebi rRR co RR beb L d rR R A 2 1 在电路输入不变的情在电路输入不变的情 况下，输出电压从况下，输出电压从C2 输出，输出， 3共模放大倍数共模放大倍数 icii vvv 21 ebeb L ic oc c RrR R v v A )1 (2 c d CMR A A K )(2 )1 (2 beb ebeb rR RrR )( beb e rR R eBbebBic RirRiv2)1 ()( )/( Lc

9、Coc RRiv )/( LcB RRi 。越大，电路的性能越好越小，越大， CMRce KAR 4.2.3 单端输入差分放大电路单端输入差分放大电路 共模输入电压共模输入电压 差模输入电压差模输入电压 2 i cidicciddO v AvAvAvAv 2 i ic v v 2 21ii vv iid vv 2 21ii vv 0 21 iii vvv 结论：差模电压放大倍数结论：差模电压放大倍数 和输出电阻仅决定于输出和输出电阻仅决定于输出 的形式（双端输出还是单的形式（双端输出还是单 端输出），输入电阻和双端输出），输入电阻和双 端输入时一样。端输入时一样。 4.2.4 具有恒流源的差分

10、放大电路具有恒流源的差分放大电路 beb e CMR rR R K EE 21 2 R2 V RR R V 3 BE3R2 E3C3 R VV II 2 C3 E2E1 I II 等效电阻等效电阻 为无穷大为无穷大 近似为近似为 恒流恒流 调零电位器调零电位器 4.3 集成运放中的电流源集成运放中的电流源 4.3.1 电流源电流源 1. 镜像电流源镜像电流源 T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。 B0B1BE0BE1 IIVV， B0CR 2III RC1 2II，则若 基准电流基准电流 RVVI)( BECCR RC1 2 II C0C1 II C1 C1 2I I 2. 微电流源

11、微电流源 要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。 Re eCE RIRIVVV 1e1BEBE1BE0 00CE II R V I CC R T BE T BE V V S V V SE eIeIi) 1( S R T S E TBE I I V I I VVlnln 0 0 S C T S E TBE I I V I I VV 11 1 lnln 1 1 ln C R e T C I I R V I eCE RIRIVVV 1e1BEBE1BE0 e BE 11 R V II EC 代代 入入 超越超越 方程方程 设计时首先确定设计时首先确定IC1和

12、和IR， 然后求出然后求出R和和Re。 3. 比例电流源比例电流源 0 0 e BECC R RR VV I 0e CC RR V 111000eEBEeEBE RIVRIV 1100eEeE RIRI 1 0 0 11 e e E E R C R R I I I I 要求提供两个或两个以上电流值相差较大，但又有一定比例关系的电要求提供两个或两个以上电流值相差较大，但又有一定比例关系的电 流源。流源。 由于由于VBE0VBE1 哪只管子为放大管？哪只管子为放大管？ 为什么要考虑为什么要考虑 rce? be1b Lce2ce11 )( rR Rrr Av 用于共射放大电路 4.3.2 有源负载有

13、源负载 2. 2. 用于差分放大电路用于差分放大电路 )/( 42ceceL rrR 若 电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？ 如何设置静态电流？如何设置静态电流？ 静态时静态时iO约为多少？约为多少？ 动态时动态时iO约为约为多少？多少？ C1C3C4C2C1 ，iiiii C1C2C4O 2 iiii 使单端输出电路使单端输出电路 的差模放大倍数近的差模放大倍数近 似等于双端输出时似等于双端输出时 的差模放大倍数。的差模放大倍数。 0 C2C4O iii 静态：静态： C2C4C3C4C1C3C2C1 IIIIIIII， 动态：动态： 11 42 2 )/( beB Lceceo

14、i o d ri Rrri v v A 11 421 2 )/(2 beB Lcecec ri Rrri 1 421 )/( be Lcece r Rrr 1 1 be L d r R A 4.4 复合管复合管 复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。 目的：增大目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。，减小前级驱动电流，改变管子的类型。 不同类型的管子复合后，其类型决定于不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。管。 iB方向决定复方向决定复 合管的类型合管的类型 21CCC iii 11211 )1 ( BB ii 12121 )(

15、 B i )( 2121 1 B C i i 21 211 )1 ( bebebe rrr 4.5 集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标 1. 开环差模电压增益开环差模电压增益Aod 20lgAod 通用运放的通用运放的Aod可达可达100dB以上。以上。 2. 差模输入电阻差模输入电阻rid 性能好的集成运放，输入电阻在性能好的集成运放，输入电阻在1M以上。以上。 3. 共模抑制比共模抑制比KCMR 性能好的运放，性能好的运放， KCMR可达可达120dB以上。以上。 4. 输入失调电压输入失调电压VIO 使使VO为为0，在输入端所加的补偿电压，在输入端所加的补偿电压 5. 输入失调

16、电压的温漂输入失调电压的温漂 dT dVIO 6. 输入失调电流输入失调电流 IIO 21BBIO III 7. 输入失调电流的温漂输入失调电流的温漂 dT dIIO 8. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB )( 2 1 21BBIB III 9. 最大共模输入电压最大共模输入电压VIc(max) 10. 最大差模输入电压最大差模输入电压VId(max) 超过此值不能正常放大超过此值不能正常放大 差模信号差模信号 超过此值输入级放大管击穿超过此值输入级放大管击穿 11. -3dB带宽带宽 fH 通用型运放只有十几到几百通用型运放只有十几到几百Hz 12. 转换速率转换速率SR max dt d

17、v S o R 这个指标反映了集成运放对于高速变化的输入信号的响这个指标反映了集成运放对于高速变化的输入信号的响 应能力。应能力。 4.6 4.6 集成运放的电路模型集成运放的电路模型 4.6.1 集成运放的开环电压传输特性集成运放的开环电压传输特性 )( NPodO vvAv 4.6.2 集成运放的理想化模型集成运放的理想化模型 (1) od A (2) CMR K (3) id r (5)0 21 BB II (4)0 o r (6) IO I IO V dT dI IO dT dVIO 均为均为0。 (7) H f 集成运放的理想化传输特性集成运放的理想化传输特性 4.6.3 理想运放的

18、分析方法理想运放的分析方法 1. 线性区的分析方法线性区的分析方法 （1）“虚短虚短”原则原则 od O NPI A v vvv0 NP vv （2）“虚断虚断”原则原则 id r 0 II 2. 非线性区的分析方法非线性区的分析方法 NP vv omO Vv（接近（接近+VCC） NP vv omO Vv（接近（接近-VCC） 在非线性区，在非线性区，“虚断虚断”原则仍然适用原则仍然适用 NP vv 虚短原则不再适用。虚短原则不再适用。 4.7 集成运放的种类和使用注意事项集成运放的种类和使用注意事项 4.7.1 集成运放的种类集成运放的种类 通用型运放的各种参数指标都不算太高，但比较均衡。

19、其价格便宜，通用型运放的各种参数指标都不算太高，但比较均衡。其价格便宜， 应用范围广，通用性强，基本上能兼顾到各方面的要求。适用于量应用范围广，通用性强，基本上能兼顾到各方面的要求。适用于量 大面广，没有特殊要求的场合。大面广，没有特殊要求的场合。 专用型运放在某一项或几项性能上特别优良，而其它参数一般。适专用型运放在某一项或几项性能上特别优良，而其它参数一般。适 用于对某些性能有特殊要求的场合。用于对某些性能有特殊要求的场合。 1高精度型（仪用型）高精度型（仪用型） 具有低失调、低温漂、低噪声和高增益等特点。它一具有低失调、低温漂、低噪声和高增益等特点。它一 般用在毫伏级或更低量级的微弱信号

20、检测、计算及高般用在毫伏级或更低量级的微弱信号检测、计算及高 精度自动控制仪器仪表中。精度自动控制仪器仪表中。 2高速型高速型 具有转换速率高、单位增益带宽宽的特点，具有快速具有转换速率高、单位增益带宽宽的特点，具有快速 跟踪输入信号电压的能力。主要应用在高速数据采集跟踪输入信号电压的能力。主要应用在高速数据采集 系统、高速系统、高速A/DA/D和和D/AD/A转换器、高速采样转换器、高速采样保持电路等保持电路等 电路中。电路中。 3高输入阻抗型高输入阻抗型 输入阻抗高，输入电流小，其输入阻抗一般不低于输入阻抗高，输入电流小，其输入阻抗一般不低于10M10M。 适用于小电流测量电路、高输入阻抗

21、测量电路、光电探测适用于小电流测量电路、高输入阻抗测量电路、光电探测 器等电路。器等电路。 4高压型高压型 具有输出电压高或输出功率大的特点。具有输出电压高或输出功率大的特点。 5大功率型大功率型 输出电流大、电源电压高、输出功率大。输出电流大、电源电压高、输出功率大。 6低功耗型低功耗型 具有静态功耗低（一般在具有静态功耗低（一般在5mW5mW以下）、工作电源电压低等以下）、工作电源电压低等 特点。适用于便携式仪器或产品、航空航天仪器中使用特点。适用于便携式仪器或产品、航空航天仪器中使用 。 7多元型多元型 在一个芯片上同时集成在一个芯片上同时集成2个或个或2个以上独立的运放。个以上独立的运

22、放。 8单电源型单电源型 4.7.2 典型集成运放芯片介绍典型集成运放芯片介绍 1LM324（通用型四运放）（通用型四运放） 2OP07（低失调单运放）（低失调单运放） 受用户欢迎的通用型集成运放受用户欢迎的通用型集成运放 输入失调电压非常低（最大输入失调电压非常低（最大25V），无需进行外部调零。），无需进行外部调零。 低偏流（低偏流（2nA）其缺点是速度不高，只能用于低频场合。）其缺点是速度不高，只能用于低频场合。 3LF353（双电路（双电路JEFT输入运算放大器）输入运算放大器） 4ICL7650（斩波稳零运算放大器）（斩波稳零运算放大器） 它的失调电压非常低，可用于放大非常微弱的直流

23、信号，它的失调电压非常低，可用于放大非常微弱的直流信号， 因此常用于测试设备中。因此常用于测试设备中。 其特点是工作电压高，频率响应快。其特点是工作电压高，频率响应快。 5AD508（高精度运放）（高精度运放） AD508是美国模拟器件公司生产的产品，是一种高精度是美国模拟器件公司生产的产品，是一种高精度 运算放大器，其运算精度高达运算放大器，其运算精度高达0.003%。 4.7.3 集成运放的使用注意事项集成运放的使用注意事项 1集成运放的选用集成运放的选用 首先，根据信号源是电压源还是电流源、信号源内阻的首先，根据信号源是电压源还是电流源、信号源内阻的 大小、信号的幅值及频率范围等，选择运放的输入电阻、大小、信号的幅值及频率范围等，