模拟电子技术章三

第3章集成运算放大器3.1集成运算放大器的基本组成3.2理想运算放大器 集成运算放大电路是模拟电子技术的重点内容之一。本章主要介绍集成运算放大电路的基础知识及其应用，首先分别介绍集成运算放大电路的各个基本组成部分：偏置电路、输入级、中间级和输出级。然后介绍集成运放的主要性能指标，最后介绍理想运放的概念及其特点。 集成电路是将半导体三极管、二极管、电阻等元件及连线全部集中制造在同一小块半导体基片上，成为一个完整的固体电路。集成电路的元件密度高、引线短、外部接线少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性，并且减低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。 将彼此独立的三极管、二极管、电阻、电容等用导线连接成的电路称为分立元件电路。与分立元件电路相比，集成电路除了体积小、元件高度集中外，还有以下特点。 (1)所有各元件是在同一块硅片上用相同的工艺过程制造的，因而具有相同的同向偏差，温度特性等参数，特别适用于制造对称性较高的差分放大电路。(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，阻值范围有一定的局限性，一般在几十欧到几十千欧之间，过高或过低的电阻制造很困难。(3)由于集成工艺不适于制作大容量的电容，更难于制造电感器件，所以电路结构大都采用直接耦合方式。(4)为了提高集成度（单位硅片面积上所集成的元件数）和集成电路性能，一般集成电路的功耗要小，这样集成运放各级的偏置电路通常较小。(5)在集成电路中，制造有源器件（晶体三极管、场效应管等）比制造大电阻占用的面积小，工艺上也不麻烦。所以在集成放大电路中，常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。 集成电路常有3种外形，即双列直插式、圆壳式和扁平式，如图3.1所示。图3.1集成电路的外形 集成电路按其功能分，有数字集成电路和模拟集成电路。集成运算放大器是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路，简称集成运放。它实质是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器，早期的应用主要是数值运算，故称运算放大器，目前的用途已经远远超过了此范围，但仍沿用此名称。 集成运放的符号如图3.2所示，它有两个输入端：同相输入端和反相输入端。标“+”的为同相输入端，表明输出电压信号与该输入端电压信号相位相同；标“-”的为反相输入端，表明输出电压与该输入端的电压信号相位相反。图3.2集成运放的符号3.1集成运算放大器的基本组成 图3.3是典型集成运放的原理框图，集成运放一般由偏置电路、输入级、中间级和输出级4部分组成。另外，还有电平移动电路、短路保护电路等部分。图3.3集成运放的原理框图①偏置电路：采用恒流源，向各级提供稳定的静态电流。②输入级：采用差动放大器，减小零漂，提高输入电阻。③中间级：采用一至两级直接耦合放大器，提供足够的电压放大倍数。④输出级：采用功率放大器，提高集成运放的带负载能力，向负载提供一定的功率。偏置电路 集成运放为设置合适、稳定的直流偏置电路以保证其正常工作中，常采用恒流源电路。1.基本镜像电流源电路 基本镜像电流源电路如图3.4所示，它是由两个特性对称的三极管VT1和VT2及一个电阻R构成的。图3.4镜像电流源这种电路的优点是结构简单，电路对称易集成，且具有一定的温度补偿作用。它的缺点是输出电流Ic2受直流电源UCC影响。而且，若要求得到小的电流源时，电阻值将达兆欧级，集成电路无法实现。2.减小β影响的镜像电流源电路为了减小β的影响，可采用如图3.6所示的改进型电路，在这个电路中，将VT1管的集电极与基极之间的短路线用VT3管取代。图3.6改进的镜像电流源3.多路输出电流源电路 在集成电路中，有时需要多个相同的电流源，这时可采用多路输出电流源电路。4.微电流源电路 微电流源电路是在镜像电流源的基础上，在VT2的发射级上接一个电阻Re，如图3.8所示。图3.8微电流源电路Re的负三反馈三作用三可以三使输三出电三流变三小，三提高三恒流三源对三电源三变化三的稳三定性三，且三温度三稳定三性更三好。该电三路的三特点三是用三很小三的Re就可三以获三得很三弱的三输出三电流三，一三般在三毫安三级，三适合三用于三小电三流场三合。输入三级输入三级的三好坏三对提三高集三成运三放的三整体三质量三至关三重要三，如三输入三电阻三、共三模抑三制比三、输三入电三压范三围以三及电三压放三大倍三数等三许多三性能三指标三的优三劣，三输入三级都三起决三定性三作用三。输入三级大三都采三用差三分放三大电三路的三形式三，最三常见三的有3种：三基本三形式三、长三尾式三和恒三流源三式。1.基本三差分三放大三器典型三电路三组成三及抑三制零三漂的三原理三如下三。用两三级相三同的三共射三电路三接成三面对三面的三形式三，将三两个三输入三信号三分别三接于三两个三输入三端与三地之三间，三实现三双端三输入三。输三出信三号取三自两三管的三集电三极，三即将三负载三接于三两管三集电三极之三间，三构成三双端三输出三，如三图3.三9所示三。2.输入三信号三类型三及差三模电三压放三大倍三数基本三差分三放大三器的三输入三信号三可分三为共三模信三号和三差模三信号三两种三。在三放大三器两三输入三端分三别输三入大三小相三等、三极性三相同三的信三号，三这种三输入三方式三称为三共模三输入三，信三号称三为共三模信三号，三常用uIc表示三，即uIc=uI1=uI2。在共三模输三入情三况下三，因三电路三对称三，两三管的三集电三极电三位变三化相三同，三因而三输出三电压Uoc恒为三零。三其原三理与三输入三信号三为零(静态)的输三出结三果一三样，三如图3.三10所示三。3.共模三抑制三比差分三放大三器的三输入三信号三可以三看成三一个三差模三信号三与一三个共三模信三号的三叠加三。对三于差三模信三号，三要求三放大三倍数三尽量三地大三；对三于共三模信三号，三希望三放大三倍数三尽量三地小三。为三了全三面衡三量一三个差三分放三大器三放大三差模三信号三信号三、抑三制共三模信三号的三能力三，引三入共三模抑三制比KCM三R这个三量，三来综三合表三征这三一性三质。在实三际应三用电三路中三，共三模输三入信三号常三常比三差模三输入三信号三大，三而且三零漂三也可三看成三共模三信号三。因三此，三要求三放大三器的三共模三抑制三比高三，这三样，三电路三受共三模信三号及三零漂三的干三扰就三小，三电路三的质三量就三高。三共模三抑制三比是三差分三放大三器的三一项三十分三重要三的技三术指三标。三理想三情况三下，KCM三R→∞。一三般差三放电三路的KCM三R为40～60三dB，高三水平三的可三达12三0d三B以上三。4.长尾三式差三动放三大电三路基本三差分三放大三器，三利用三对称三补偿三原理三抑制三零漂三。但三是在三单管三集电三极对三地的三单端三输出三电压三中，三漂移三电压三并没三有被三补偿三，因三此漂三移现三象仍三然存三在。三图3.三11所示三为长三尾式三差动三放大三电路三。图3.三11长尾三式差三动放三大电三路(1三)差放三抑制三共模三的原三理(2三)差放三的静三态计三算(3三)差放三的动三态分三析及三计算①差模三电压三放大三倍数②差模三输入三电阻RI三d③差模三输出三电阻RO5.恒流三源的三差分三放大三器用恒三流源三来代三替Re就可三以解三决静三态工三作点三和共三模抑三制比三之间三矛盾三。因三为恒三流源三具有三交流三电阻三大，三直流三电阻三小的三特性三。图3.三14所示三为恒三流源三的差三分放三大器三，图3.三15所示三为恒三流源三式差三分放三大电三路的三简化三表示三法。图3.三14恒流三源的三差分三放大三器图3.三15恒流三源式三差分三放大三电路三的简三化表三示法6.差动三放大三电路三的4种接三法(1三)三4种接三法差动三放大三电路三的4种接三法如三图3.三17所示三。①双端三输入三、双三端输三出②双端三输入三、单三端输三出③单端三输入三、双三端输三出④单端三输入三、单三端输三出图3.三17差分三放大三电路三的4种接三法中间三级中间三级的三主要三任务三是提三供足三够大三的电三压放三大倍三数，三不仅三要求三电压三放大三倍数三，而三且还三要求三输入三电阻三较高三。1.有源三负载图3.三20是镜三像电三流源三做集三电极三负载RC的有三源负三载放三大器三。图3.三20有源三负载三单管三共射三放大三电路2.复合三管中间三级的三放大三管有三时采三用复三合管三的结三构形三式，三不仅三可以三获得三很高三的电三流放三大系三数，三而且三能够三大大三提高三中间三级的三输入三电阻三，以三免对三前级三放大三倍数三产生三不良三影响三，特三别是三前级三采用三有源三负载三时，三提高三集成三运放三总的三电压三放大三倍数三。所谓三复合三管，三即把三两个三或两三个以三上的三三极三管按三一定三的规三律连三接在三一起三，组三成一三个复三合型三的管三子。复合三管的三组成三原则三：（1）第2个管三子的三基极三电流三应与三其相三连的三第一三个管三子的三电极三电流三方向三一致三，保三证两三个管三子都三工作三在放三大区三；（2）复三合管三的类三型与三第一三个管三子相三同，三基极三是第三一个三管子三的基三极。复合三管的三接法三有多三种，三它们三可以三由相三同类三型的三三极三管组三成，三也可三以由三不同三类型三的三三极管三组成三。例三如在三图3.三22中，三图(a三)和(b三)分别三由两三个同三为NP三N型或三同为PN三P型的三三极三管组三成，三但图(c三)和(d三)中的三复合三管却三由不三同类三型的三两个三三极三管组三成。图3.三22复合三管的三接法如图3.三22所示,复合三管的三电流三放大三系数三满足三关系三式β=三β1β2。复三合管三的类三型取三决于三第一三级管三子的三型号三。在三集成三运放三中，三复合三管不三仅用三于中三间级三，也三常用三于输三入级三和输三出级三。输出三级电三路集成三运放三的输三出级三直接三与负三载相三连接,为了三提高三它的三带负三载能三力,要求三输出三电阻三较低三。此三外,输出三级的三交流三电压三和电三流和三幅度三都比三较大,故还三要求三它有三较大三的输三出功三率。三显然,在放三大器三的3种组三态中,具有三低输三出电三阻的三共集(或共三漏)放大三器最三适合三作为三输出三级的三电路三。但三是,一般三的射三级输三出器三因为三功耗三大、三效率三低，三输出三电压三范围三不够三大，三还不三能直三接作三为输三出级三电路三，而三必须三加以三改进三。1.互补三对称三电路2.准互三补对三称电三路过流三保护三电路三集成三运放三输出三级的三输出三电流三很大三，当三输出三端意三外短三路或三负载三电流三太大三时，三容易三损坏三运放三的内三部管三子，三所以三必须三有过三流保三护电三路。图3.三23输出三级电三路集成三运放三内部三电路三组成F0三07是集三成运三放的三第二三代产三品，三它由24个三三极管三、10个电三阻和1个电三容组三成，三它是三一种三性能三较好三、放三大倍三数较三高、三且具三有内三部补三偿的三通用三型集三成运三放（三对应三的国三外型三号为uA三74三1）。F0三07的内三部电三路如三图3.三25所示三，图三中个三引出三端所三标数三字为三其管三脚编三号。图3.三25三F0三07内部三电路三图下面三分析F0三07的工三作原三理。(1三)输入三级(2三)中间三级(3三)输出三级集成三运放三的性三能指三标集成三运放三的质三量如三何，三根据三什么三来选三择测三试集三成运三放，三这涉三及到三运放三的技三术指三标问三题。三在实三际应三用中三可以三通过三元器三件手三册直三接查三到各三种型三号运三放的三技术三指标三。为三了正三确选三择和三使用三集成三运放三，必三须了三解各三参数三的意三义。三下面三介绍三几个三主要三的参三数。(1三)开环三差模三电压三放大三倍数Aod(2三)输入三失调三电压UIO(3三)输入三失调三电压三温漂αUI三O(4三)输入三偏置三电流IIb和输三入失三调电三流IIO(5三)输入三失调三电流三温漂αII三O(6三)差模三输入三电阻rId(7三)共模三抑制三比KCM三R(8三)最大三共模三输入三电压UIC三M(9三)最大三差模三输入三电压UID三M(1三0)三-三3三dB带宽fH(1三1)转换三速率(S三R)除了三以上三介绍三的几三项主三要技三术指三标外三，还三有很三多项三其他三的指三标，三如最三大输三出电三压、三静态三功耗三等，三由于三含义三比较三明显三，因三此不三再赘三述。集成三运放三指标三的含三义只三有结三合具三体应三用才三能正三确领三会。集成三运放三种类三较多三，有三通用三型，三还有三为适三应不三同需三要而三设计三的专三用型三，如三高速三型、三高阻三型、三高压三型、三大功三率型三、低三功耗三型及三低漂三移型三等。三在实三际应三用中三，考三虑到三便宜三与采三购方三便，三一般三应选三择通三用型三集成三运放三，特三殊需三要时三，则三应选三择专三用型三。集成三运放三应用三的一三些实三际问三题国内三外的三集成三运放三种类三繁多三，应三用非三常广三泛。三除通三用型三集成三运放三外，三还有三很多三特殊三运放三，它三们的三部分三性能三比通三用型三好得三多。三例如三，高三输入三阻抗三型，三主要三用作三测量三放大三器、三模拟三调节三器、三有源三滤波三器及三采样—保持三电路三；高三精度三型，三一般三用于三精密三检测三、自三控仪三表等三；高三速型三，一三般用三于快三速模—数和三数—模转三换器三、有三源滤三波器三、精三度比三较器三、高三速采三样—保持三电路三和视三频放三大器三等要三求输三出对三输入三响应三迅速三的情三况；三低功三耗型三，一三般用三于遥三测，三遥感三、生三物医三学和三空间三技术三等要三求能三源消三耗有三限制三的场三合。除了三根据三用途三和要三求正三确选三型之三外，三为了三能达三到使三用要三求和三精度三，避三免在三调试三过程三中损三坏，三在调三试使三用时三还应三注意三以下三问题三。1.调零失调三电压三、失三调电三流的三存在三，使三得实三际运三放当三输入三信号三为零三时，三输出三不为三零。三为此三，有三些运三放在三引脚三中设三有调三零端三子，三接上三调零三电位三器可三调零三。电三位器三应选三用精三密的三线绕三电位三器。三调零三时，三将电三路的三输入三端接三地，三调整三电位RP，同三时用三最低三挡直三流电三压表三测输三出电三压，三使输三出电三压为三零即三可，三如图3.三26所示三。图3.三26集成三运放有些三集成三运放三没设三调零三端，三例如三有些三双运三放、三四运三放就三不设三调零三端。三为此三，使三用中三可采三取辅三助调三零的三办法三，如三图3.三27所示三。图3.三27辅助三调零三措施2.消除三自激运放三工作三时很三容易三产生三自激三振荡三，此三时用三示波三器接三在输三出端三，可三看到三输出三信号三上叠三加了三波形三近似三正弦三的高三频振三荡，三偶尔三也有三出现三低频三振荡三情况三。为三了消三除自三激，三有些三集成三运放三在内三部已三做了三消振三电路三，有三些集三成运三放则三引出三消振三端子三，外三接RC消振三网络三。在三实际三应用三中，三为了三使电三路稳三定，三有些三电路三分别三在运三放的三正、三负电三源端三与地三之间三并接三上几三十微三法与0.三01三~0三.1三μF的电三容，三有些三在反三馈电三阻两三端并三联电三容。三有些三在输三入端三并联三一个RC支路三，见三图3.三28。图3.三28集成三运放三的消三振电三路3.保护三措施在使三用过三程中三，由三于电三源极三性接三反、三输入三信号三过大三、输三出端三负载三过重三等原三因会三造成三集成三运放三损坏三。因三此，三除操三作过三程中三加以三注意三外，三还应三在电三路上三采取三一定三的保三护措三施。（1）三输入三保护运放三的差三模或三共模三输入三信号三电压三过高三会引三起其三输入三级损三坏，三为此三，可三在集三成运三放输三入端三并联三接入三极性三相反三的两三只二三极管三，以三将输三入电三压限三制在三二极三管导三通电三压之三内，三如图3.三29所示三。图3.三29输入三保护（2）三输出三保护输出三端保三护是三为了三防止三输出三碰到三过电三压时三使输三出级三击穿三，可三采用三图3.三30所示三电路三。正三常工三作时三，输三出电三压小三于双三向稳三定管三的稳三压值三，双三向稳三压管三相当三于开三路。三当输三出端三电压三大于三稳压三管稳三压值三时，三稳压三管将三击穿三，使三运放三负反三馈加三深，三将输三出电三压限三制在三稳压三范围三内。图3.三30输出三保护（3）三电源三极性三错接三保护图3.三31为电三源极三性错三接保三护电三路，三它是三利用三二极三管的三单向三导电三性来三防止三电源三极性三接错三造成三运放三损坏三的。三由图3.三31可知三，当三电源三极性三接反三时，三二极三管截三止，三等于三电源三断路三，从三而保三护了三