第4章集成运算放大电路

1、第四章第四章 集成运算放大电路集成运算放大电路4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路4.3 集成运放简介集成运放简介4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路集成运放的性能指标及低频等效电路4.5 集成运算的种类及选择集成运算的种类及选择4.1 4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述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集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成多级放大器。高增益的直接耦合的集成多级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运

2、放均采用直接耦合方式。）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。（2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受温度和干扰等影响后的变）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用差动电路（作输入级）和恒流源电路化也相同，所以集成运放中大量采用差动电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。（作偏置电路或有源负载）。（3）因为制作不同形式的）因为制作不同形式的IC，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高电路各方制造工序，所以集成运放允许

3、采用复杂的电路形式，以达到提高电路各方面性能的目的。面性能的目的。（4）因为硅片上不易制作高阻值电阻，需要大电阻时，往往使用有源元）因为硅片上不易制作高阻值电阻，需要大电阻时，往往使用有源元件（晶体管或件（晶体管或FET）取代电阻。）取代电阻。（5）集成晶体管和）集成晶体管和FET因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。4.1.2 集成运放电路的组成及各部分的作用集成运放电路的组成及各部分的作用u-u+ uo4.1.3集成运放的电压传输特性集成运放

4、的电压传输特性国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端VVVo+A+-uuu集成运放的两种工作状态集成运放的两种工作状态1. 运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区

5、非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想运算放大器：理想运算放大器：开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Aod=差摸输入电阻差摸输入电阻 Rid=输出电阻输出电阻 Ro=0为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0）3. 线性区线性区uu+A+RiiRuu+ffoi114. 非线性区（正、负饱和状态）非线性区（正、负饱和

6、状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui一一. 镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流： 无论无论T1的负载如何变化，的负载如何变化， IC1的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。4.2 集成运放中的电流集成运放中的电流源源电路电路4.2.1 基本电流源电路基本电流源电路RUVIBECCR= BCII2CCII2RCII2，若2RCII1RUVBECC=二二. 微电流源微电流源eBE1BE0RUUE1C1IIe1BE1BE0RIUUE) 1(11TBEUUSEeII

7、TBEUUSeI1SETBEIIUU11lnSETBEIIUU00ln)ln(ln1010SESETBEBEIIIIUUU10lnEETIIU) 1 ()2(101lnEETeEIIURIeBERU11ECII1lnCReTIIRU三三. 多路电流源多路电流源+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC33221100RIRIRIRICCCCRCII0例例4.2.1511122RUUVIBEEBCCR397 . 07 . 030mA73. 010410lnCRTCIIRUI1073. 0ln326CIAIC2810RI21313CCII73. 025

8、5mA52. 04.2.4 . 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路bebCurRRAbebLCurRRRA/LR1bebLurRRA121)/(bebceceLurRrrRA二、二、 有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路4. 3 集成运放电路简介集成运放电路简介F007偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级输入级输入级4.4 4.4 集成运放的主要性能指标及低频等效电路集成运放的主要性能指标及低频等效电路1 1、开环差模增益、开环差模增益A Aodod无外加反馈回路的差模放大倍数。通用型集成运放一无外加反馈回路的差模放大倍数。通用型集成运放一般在般在10105 5左

9、右，即左右，即100dB100dB左右左右。F007F007的的A Aodod大于大于94dB94dB。2 2、共模抑制比、共模抑制比K KCMRCMRF007F007的的共模抑制比大于共模抑制比大于80dB，A AOCOC小于小于1414dB。3 3、差模输入电阻、差模输入电阻r rididF007:rF007:ri i2M2M , , 有的可达有的可达100100M M 以上。以上。4 4、输出电阻、输出电阻r ro or ro o = =几几 几十几十 。4.4.1 4.4.1 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 5、输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电

10、压增输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。放内部电路对称性的指标。6、输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。随温度的变化量与温度变化量之比值。8、输入失调电流输入失调电流 IIO ： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。用于表征差分级输入电流不对称的程度。 7、输入偏置电流输入偏置电流II

11、B ： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 2B1BIB21III 2B1BIOIII 9、输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。量与温度变化量之比值。 10、最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时时, ,差分管将出现反向击穿现象。

12、差分管将出现反向击穿现象。 11、最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。器失去共模抑制能力。 12、3dB带宽带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB3dB所所定义的带宽定义的带宽 f f H H 。 13、转换速率转换速率S R (压摆率压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能反映运放对于快速变化的输入信号的响应能

13、力。转换速率力。转换速率S SR R的表达式为的表达式为 maxoRddtuS 4.4.24.4.2 集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路简化的低频等效电路简化的低频等效电路 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或特殊类型的集成

14、运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。足某些方面的特殊要求。4.5 4.5 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择4.5.1 4.5.1 集成运放的发展概况集成运放的发展概况4.5.2 4.5.2 集成运放的种类集成运放的种类一、一、 按工作原理分类按工作原理分类1 1、 电压放大型电压放大型实现电压放大，输出回路等效成由输入电压控制的电实现电压放大，输出回路等效成由输入电压控制的电压源。压源。(F007(F007、F

15、324F324、C14573)C14573)IodouAu 2 2、 电流放大型电流放大型实现电流放大，输出回路等效成由输入电流控制的电实现电流放大，输出回路等效成由输入电流控制的电流源。流源。(LM3900(LM3900、F1900)F1900)IioiAi 3 3、 跨导型跨导型将输入电压转换成输出电流，输出回路等效成由输入电压控制将输入电压转换成输出电流，输出回路等效成由输入电压控制的电流源。的电流源。(LM3080(LM3080、F3080)F3080)IiuouAi 4 4、 互阻型互阻型将输入电流转换成输出电压，输出回路等效成由输入电流控制将输入电流转换成输出电压，输出回路等效成由

16、输入电流控制的电压源。的电压源。(AD8009(AD8009、AD8011)AD8011)IuioiAu 二、二、 按可控性分类按可控性分类1 1、 可变增益运放可变增益运放压控增益运放压控增益运放(VCA610),(VCA610),控制电压从控制电压从0V0V变为变为-2V-2V时，增益从时，增益从-40dB-40dB到到+40dB+40dB连续可调。连续可调。数控数控增益运放增益运放(AD526),用数字编码控制增益。用数字编码控制增益。2 2、选通控制运放、选通控制运放 两通道选通控制运放OPA676 的原理示意图VCHA0IAoduAu 0VCHA7 . 2IBoduAu 0通用型和特

17、殊型通用型和特殊型二、按性能指标分类二、按性能指标分类1.1.高输入阻抗型高输入阻抗型 这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于10109 9，输入偏置电流通常为输入偏置电流通常为pApA数量级。数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用超这种类型的集成运放，输入级经常采用超管或场效管或场效应管构成差动输入级。应管构成差动输入级。 其典型产品有其典型产品有5G285G28、F3140F3140、ICH8500AICH8500A、LF356LF356、CA3130CA3130、AD515AD515、LF0052LF0052等。等。 2.高速型 高速运放一般要

18、求转换速率高速运放一般要求转换速率S SR R大于几十伏大于几十伏微秒，单位增益带宽微秒，单位增益带宽BW 10MHZBW 10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速主要应用在高速数据采集系统、高速ADAD和和DADA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微微秒。秒。 高速型运放的典型产品有高速型运放的典型产品有mA715mA715、LH002LH002、AD845AD845、AD9618AD9618、SL541SL541等。等。3.高精度型 高精度运放具有低失调、低温漂、低噪

19、声、高增益等特点。高精度运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点。一般一般UUIOIO/ /TT 2mV, 2mV, IIIOIO/ /T T 200PA, 200PA, K KCMRCMR110dB110dB。 大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044LH0044、F5037F5037、AD707AD707、OP-77OP-77

20、、OPA177OPA177等。等。 另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有低的漂移特性。其产品有ICL7650ICL7650、AD508AD508、OP-27OP-27等。等。4.4.低功耗型低功耗型 具有静态功耗低，工作电源电压低等特点。其功耗具有静态功耗低，工作电源电压低等特点。其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。 典型产品有典型产品有CA3078CA3078、mPC253mPC253、ICL7641ICL7641等。等。 5. 5. 大

21、功率型大功率型 大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有典型产品有LH0021LH0021、MCEL165MCEL165、HA2645HA2645、LM143LM143、ICH8515ICH8515等。等。4.5.3 4.5.3 集成运放的选择集成运放的选择一、信号源的性质一、信号源的性质二、负载的性质二、负载的性质三、精度要求三、精度要求四、环境条件四、环境条件 4.6 4.6 集成运算放大器的使用集成运算放大器的使用4.6.1 4.6.1 使用时必做的工作使用

22、时必做的工作 一、正确识别运放的外引线（管脚）一、正确识别运放的外引线（管脚） 二、参数测量二、参数测量使用前，用简易测试法判断其好坏，用万用表电阻的中使用前，用简易测试法判断其好坏，用万用表电阻的中间档测试管脚有无短路或断路现象。必要时用专用设备间档测试管脚有无短路或断路现象。必要时用专用设备测试主要参数。测试主要参数。 三、调零或调整偏置电压三、调零或调整偏置电压由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。不为零。对于内部无自动稳零措施的运放对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电需外加调零电路，使之在零输入时输出为零。路，使之在零输入时输出为零。 四、消除自激振荡四、消除自激振荡为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上去耦电容。有的运放需外接频率补偿电容去耦电容。有的运放需外接频率补偿电容C,C,应注意接入应注意接入合适容量的电容。合适容量的电容。一、输入保护一、输入保护4.6.2 4.6.2 保护措施保护措施防止差模电压过大的保护电路防止差模电压过大的保护电路防止共模电压过大的保护电路防止共模电压过大的保护电路二、输出