集成运算放大电路

第4章集成运算放大电路运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。运算放大器外形图§4.1

概述一、集成运放的特点二、集成运放电路的组成三、集成运放的电压传输特性

一、集成运放的特点（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电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。

集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。二、集成运放电路的组成两个输入端一个输出端

若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。集成运放电路四个组成部分的作用输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。几代产品中输入级的变化最大！三、集成运放的电压传输特性

由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。非线性区

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)4.2.集成运放中的电流源电路(1)电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。(2)电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。

(3)用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。(4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜像电流源、比例电流源、微电流源、多路电流源等。4.2.1基本电流源电路

一、镜像电流源三极管T1、T2匹配，则,BE2BE1BE21VVV====bbb镜像电流源镜像电流源电路如图所示，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜像(电流相等）。恒流特性无论Rc的值如何，IC2的电流值将保持不变。（三极管工作状态）**二比例电流源

在镜像电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。**三、微电流源设计过程很简单，首先确定IE0和IE1，然后选定R和Re。超越方程Re要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。4.2.2改进型电流源电路

精密镜像电流源和普通镜象电流源相比，其精度提高了倍。电路如图所示。

由于有T2存在，IB2和将比镜像电流源的2IB小。因此IC1和IR更加接近。一、加射级输出器的电流源

整理后可得**二、威尔逊电流源IcoIRIcIe2Ic2注意电流方向4.2.3多电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。

根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。4.2.4以电流源作有源负载的放大电路①哪只管子为放大管？②其集电结静态电流约为多少？③静态时UIQ为多少？④为什么要考虑

h22?一.

有源负载共射放大电路二、有源负载差分放大电路①电路的输入、输出方式？②如何设置静态电流？③静态时iO约为多少？④动态时ΔiO约为多少？

使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。静态：动态：4.3集成运放电路简介

ri

高:几十k

几百k运放的特点：KCMRR很大

ro

小：几十

~几百

Ao很大:104以上~107理想运放：

ri

KCMMRR

ro

0Ao

运放符号：＋－u－u+uo3.3.2运放的特点和符号－＋＋

u－

u+

uoA0

运算放大器的引线

运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。－＋＋

u－

u+

uoA0运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。静态技术指标动态技术指标4.4.1运算放大器的主要参数4.4集成运放的性能指标及低频等效电路4.4.1集成运放的主要性能指标1.开环差模电压放大倍数

Avd

：(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。100dB3.差模输入电阻rid

：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。MΩ2.共模抑制比

KCMR

：(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益Avd

与共模电压增益Avc

之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)80dB

4输入失调电压VIO5.输入失调电流IIO输入失调电压Vio

：(inputoffsetvoltage)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。是表征运放内部电路对称性的指标。输入失调电流

Iio

：(inputoffsetcurrent)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。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。.输入失调电压温漂

dVio/dT.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量与温度变化量之比值。(maximumcommonmodeinputvoltage)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，放大器失去共模抑制能力。6.输入偏置电流IIB

inputbiascurrent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。8.最大差模输入电压Vidmax

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。7、最大共模输入电压Vicmax

9.–3dB带宽BW

(fH)10.单位增益带宽

BWG(fT)－3dB带宽

fH

：(-3dBbandwidth)运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH

。单位增益带宽

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd

下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽fc

。

转换速率SR(压摆率)—(slewrate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

11.转换速率SR12.最大输出电流Iomax13、等效输入噪声电压Vn——(noisevoltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。4.4.2集成运放的低频等效电路

为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。4.5集成运放的种类及选择通用型

通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压1～2

mV、输入失调电流20

nA、差模输入电阻2

M，开环增益100

dB、共模抑制比90

dB、输出电阻75

、共模输入电压范围13

V、转换速率0.5

V/s。高速型和宽带型

用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

高精度(低漂移型）

用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：

OP177

CF714

高输入阻抗型

用于测量设备及采样保持电路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

低功耗型

用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：

OP22正常工作静态功耗可低至36