第四章集成运放

第四章集成运放第一页，共三十八页，2022年，8月28日集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。4.1集成运算放大电路概述第二页，共三十八页，2022年，8月28日4.1.2集成运算放大器的组成及其各部分的作用

一.

集成运放的总体结构第三页，共三十八页，2022年，8月28日＋－u-u+uo集成运算放大器符号及电压传输特性－＋＋∞反相输入端u－（uN）同相输入端u+（uP）输出端uo国际符号：国内符号：集成运放的特点：电压增益高:输入电阻大:输出电阻小:第四页，共三十八页，2022年，8月28日电压传输特性uouP、（—uN）uO=f(uP-uN)uO=Aod(uP-uN)差模开环放大倍数第五页，共三十八页，2022年，8月28日

1.开环差模电压放大倍数

Aod

：

无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。

2.差模输入电阻rid

：

双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。

3.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。4.4集成运放的性能指标及低频等效电路第六页，共三十八页，2022年，8月28日5.输入失调电压温漂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。

4.输入失调电压UIO

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。第七页，共三十八页，2022年，8月28日

7.输入失调电流在零输入时，差分输入级的差分对应管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

6.输入偏置电流IB

：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应管输入电流的大小。8.输入失调电流温漂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。第八页，共三十八页，2022年，8月28日9.最大差模输入电压10.最大共模输入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,差分管将出现反向击穿现象。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，输入对差分管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。第九页，共三十八页，2022年，8月28日11.－3dB带宽

fH

：运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH

。

12.转换速率SR(压摆率)：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

第十页，共三十八页，2022年，8月28日

集成运放的低频等效电路第十一页，共三十八页，2022年，8月28日运算放大器外形图第十二页，共三十八页，2022年，8月28日运算放大器外形图第十三页，共三十八页，2022年，8月28日1.镜像电流源基准电流：

无论Rc的值如何，IC2的电流值将保持不变。4.2集成运算放大器中的电流源电路一电流源电路因为：所以：ICIBIC2第十四页，共三十八页，2022年，8月28日2.比例电流源该电路具有较高的温度稳定性第十五页，共三十八页，2022年，8月28日3.微电流源很小，由于所以IC2也很小第十六页，共三十八页，2022年，8月28日1.加射极输出器的电流源二改进型电流源电路第十七页，共三十八页，2022年，8月28日2.威尔逊电流源第十八页，共三十八页，2022年，8月28日三.多路电流源第十九页，共三十八页，2022年，8月28日多集电极管构成的电流源第二十页，共三十八页，2022年，8月28日四.以电流源为有源负载的放大电路T2、T3、R组成镜像电流源，作为T1共射电路的负载。共射电路的电压增益为：对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源1.有源负载共射极放大电路第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日2.有源负载差动放大电路T3、T4组成镜像电流源，作T1、T2的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。ΔiC1=–

Δ

iC2ΔiC3=Δ

iC1ΔiC3=Δ

iC4ΔiO=Δ

iC4–

Δ

iC2=2ΔiC1第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日3.共集—共基差动输入级输入阻抗高。T3、T4为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日

4.3集成运放电路简介第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日三.通用型集成运放F007第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日1.偏置电路：T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：其他偏置电流都与基准电流有关。

T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。

T12和T13管构成镜象电流源。T13管为中间级、输出级提供偏置电流,作为中间级的有源负载。第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日2.输入级：T1、T2和T3、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。

T3

和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3组成具有基极补偿作用的电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日3.中间级：T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13管作这一级的集电级有源负载。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日

4.输出级：

T14和T18、T19管组成互补对称输出级，T15、R7和R8为其提供静态偏置克服交越失真。

D1管R7和R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。D2管R8和R10保护T18T19管在负向电流过大时不致烧坏。第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日5.相位分析：

用“瞬时极性法”判定，“+”号腿为同相端；“—”号腿为反相端。+++--第三十页，共三十八页，2022年，8月28日

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，还有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特殊集成运算放大器第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日

一.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

第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日

二.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

第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日

三.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

第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日四.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

W。

OP290在0.8

V电压下工作，功耗为24W

。

CF7612在5

V电压下工作，功耗为50W

。第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日

五.功率型

这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12

TP1465第三十六页，共三十八页，2022年，8月28日本章小结1．直接耦合放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。运算放大器都用差动放大器作为输入级。2．电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放