模电课件第5章集成运算放大电路

模拟电子技术

基础第四章集成运算放大电路§4.1集成运算放大电路概述§4.2电流源§4.3集成运放内部电路简介§4.4集成运放的性能指标和低频等效电路§4.5集成运放电路的种类及选择§4.6集成运放的使用第四章集成运算放大电路了解集成电路的组成、特点，集成运放的典型电路、集成运放的主要技术指标、各类集成运放的性能特点、集成运放使用中应注意的问题等。理解集成运算放大电路各基本组成部分的功能和相互关系，理解差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、有源负载、复合管、交越失真、过载保护、理想运放、“虚短”、“虚断”等基本概念。掌握镜像电流源、比例电流源、微电流源、互补对称电路的组成、工作原理和基本分析方法，掌握理想运放工作在线性区和非线性区的特点，掌握复合管的构成方法。＊集成运放电路的概念将放大电路的各个元件做在同一个半导体基片上。

＊优点工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。＊分类模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；

§4.1集成运算放大电路概述＊集成运放的外形：级间耦合采用直接耦合方式，电路结构紧凑；采用差分放大电路做为输入级；偏置电流由电流源提供；多采用复合管，提高电路性能；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。＊集成运放的特点（一）片内元器件管子性能一致性高。电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。电阻——由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。电容——几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成。大电容要外接。二极管——一般用三极管的发射结构成。＊集成运放的特点（二）＊集成运放电路的组成（一）偏置电路：为各级放大电路提供合适的静态工作点。采用电流源供电方式。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，最大不失真电压尽可能大。-VEE

+VCC

E

RC

T1RC

T2T5T6RC3

RE2

RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器–+＊集成运放的组成（二）极性判断采用四级以上的多级放大器；输入级和第二级一般采用差动放大器；输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻；输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。＊集成运放的组成（二）ri大:几十kΩ∼几百kΩ；ro小：几十∼几百Ω；＊集成运放的性能特点＊运放符号和电压传输特性Aod很大:104∼107KCMR

很大在线性区：uO＝Aod(uP－uN)，Aod是差模放大倍数。集成运放有线性放大区和饱和区（或非线性区）。线性区——曲线的斜率为电压放大倍数；饱和区——输出电压只有两种可能的情况：+UOM或－UOM。

例：若UOM=±14V，Aod=5*105。则只有当|uP-uN|<28V，运放才处于线性区。Aod越大，运放的线性范围越小，只有在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。＊集成运放的低频等效电路理想运放：ri→∞ro→0Aod→∞KCMR→∞电流源的分类——镜像电流源、比例电流源、微电流源、多路电流源等；电流源的作用——在电路中提供静态偏置，或作为有源负载替代电阻负载。电流源的特点——理想的电流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大，但不会影响差模放大倍数。§4.2电流源一.镜像电流源恒流特性！

无论Rc的值如何，

IC1的电流值将保持不变。三极管工作状态？镜像电流源的优点：电路简单。镜像电流源的缺点：1.

IC1受VCC及UBE和R的影响；2.若想得到微电流源，要求R很大；3.

要求管子的β值大，否则IC1和IR差别很大。4.

IC1与IR近似相等，不便调整。二.比例电流源三.微电流源要求产生很小的静态电流，且不使用大电阻。P.190四.改进型电流源加射极输出器的电流源（减小基极电流对基准电流的影响）威尔逊电流源（使IC2高度稳定）五.多路电流源电路选取合适的发射极电阻，实现各路电流的设置。选取合适的集电区面积，实现各路电流的设置。选取合适的场效应管几何尺寸，实现各路电流的设置。六.有源负载的放大电路（1）有源负载共射放大电路及其等效电路T1是放大管，T2、T3构成镜像电流源。显著增大了！（2）有源负载差分放大电路静态时，当输入差模信号时，结论：利用镜像电流源作有源负载，不但可使T2管的输出静态电流为零，而且还使所有变化电流（交流量）流向负载RL。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。了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。定量计算：必要时可估算或应用计算机计算电路的主要参数。§4.3集成运放内部电路简介＊读图方法对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。＊电路分析举例[F007]F007电路原理图＊F007电路放大部分以复合管为放大管，恒流源作负载的共射放大电路双端输入、单端输出共集-共基放大电路用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级输入级分析：共集-共基形式T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基结构电路频带宽。T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。T7的作用：抑制共模信号，放大差模信号Ri大，Ad大，Ac小，共模输入范围大，输入端耐压高，并完成电平转换。中间级分析T16、T17：复合管共射放大（C改善频率特性）D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护T14。输出级分析§4.4集成运放性能指标

和低频等效电路开环差模电压放大倍数Aod：一般在105∼107之间。理想运放的Aod为∞共模抑制比KCMMR：常用分贝作单位，一般100dB以上差模输入电阻rid：rid>1MΩ,有的可达100MΩ以上输出电阻ro：ro

=几Ω~几十Ω-3dB带宽BW：运放是直流放大器，也可放大低频信号，但不适用于高频信号。输入失调电压VIO及温漂VIO/T输入失调电流IIO及温漂IIO/T输入偏置电流IIB转换速率SR最大共模输入电压Vicmax最大差模输入电压Vidmax-3dB带宽op07的主要参数1)低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)

2)极低的输入失调电压—10μV

3)极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃

4)具有长期的稳定性—0.2μV/MO

5)低的输入偏置电流—±1nA

6)高的共模抑制比—126dB

7)宽的共模输入电压范围—±14V

8)宽的电源电压范围—±3V～±22VINA118的主要参数：

●最大偏移电压：50μV；

●最大输入基极电流：5nA；

●最小共模抑制比：110dB；

●输入过压保护电压：±40V；

●电源电压：±1.35V～±18V；

●带宽：单位增益时为800kHz；

●稳定时间：单位增益时为25μs；

●工作温度范围：－40℃～85℃；

●封装形式：8脚DIP＊集成运放的低频等效电路理想运放：ri→∞ro→0Aod→∞KCMR→∞§4.5集成运放的种类与选择一、集成运放的发展第一代：基本沿用了分立元件放大电路的设计思想，电路的集成度很低。典型产品：uA709;F003第二代：普遍采用了有源负载。典型产品：uA741;F007第三代：输入级采用了超β管，版图设计上考虑了热效应的影响。典型产品：AD508;F1556第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术。典型产品：HA2900;5G7650二、集成运放的种类1.按工作原理分类电压放大型、电流放大型、跨导型、互阻型2.按可控性分类高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等3.按性能指标分类可变增益运放、选通控制运放三、集成运放的选择了解集成电路的类型，掌握集成电路的主要参数是选择集成电路的前提。选择的依据：

信号源的性质；

精度的要求；

负载的性质；

环境条件。§4.6集成运放的使用＊集成运放的电源供给方式

集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。对称双电源供电方式：可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。单电源供电方式：保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位，输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。＊集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。内部调零与外部调零电路＊集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反馈条件下,很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定