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跪电路服按其铸功能蔽分，盾有数仗字集串成电盗路和献模拟核集成基电路少。集递成运磁算放摸大器弟是发高展最氧早、裂应用秋最广算泛的困一种另模拟就集成炎电路跃，简脖称集什成运型放。红它实蚊质是招一个糕多级刻直接惯耦合吩高电填压放跌大倍初数的葬放大央器，描早期辈的应浙用主嚼要是结数值畅运算坏，故话称运激算放殊大器此，目厉前的筒用途礼已经胶远远陈超过邀了此怨范围晴，但岸仍沿运用此迟名称害。集成锅运放滨的符魂号如座图3.沈2所示壤，它伟有两嚷个输运入端凡：同残相输零入端爆和反摸相输汇入端增。标范“+”的为蚂同相消输入塞端，旅表明爹输出猪电压遥信号毒与该丛输入餐端电辜压信没号相想位相驰同；脉标“-”的为丽反相仔输入千端，铅表明仍输出部电压痰与该答输入率端的康电压明信号凯相位书相反护。图3.锤2集成驱运放公的符忍号3.交1区集岭成运高算放稿大器踏的基械本组矛成图3.诸3是典莫型集经成运烧放的积原理膀框图啄，集树成运碎放一里般由获偏置炭电路妨、输粘入级员、中营间级踏和输重出级4部分假组成认。另议外，转还有劈燕电平疗移动饿电路律、短猴路保奔护电胞路等是部分替。图3.韵3集成倒运放台的原粒理框慨图①成偏置勉电路料：采智用恒碗流源土，向待各级乏提供即稳定桐的静堡态电岭流。②筛输入怨级：唉采用套差动岔放大惭器，发减小来零漂敞，提赢高输恭入电寇阻。③腾中间拨级：年采用炕一至啄两级盾直接龙耦合雾放大症器，悼提供膜足够体的电泉压放直大倍类数。④屡输出寨级：域采用侦功率岁放大沈器，宝提高腹集成哀运放席的带丸负载迈能力勤，向票负载希提供益一定驼的功泼率。偏置超电路集成查运放柱为设竞置合攀适、云稳定集的直探流偏弊置电躺路以哪保证美其正拆常工遭作中贺，常庭采用妻恒流旅源电缎路。1.基本跌镜像抖电流朱源电令路基本慎镜像阿电流粥源电溪路如输图3.孤4所示若，它遗是由维两个收特性伸对称叮的三卸极管VT1和VT2及一卸个电朗阻R构成臭的。图3.详4镜像绍电流蚕源这种尚电路纹的优景点是刺结构慰简单磁，电告路对挎称易佣集成滩，且贤具有吵一定页的温旋度补投偿作咬用。它的膀缺点负是输容出电域流Ic2受直肯流电搁源UCC影响低。而凭且，必若要绘求得蒙到小急的电河流源亡时，艘电阻贺值将值达兆工欧级迷，集甜成电荒路无玩法实嫌现。2.减小β影响纲的镜逝像电桐流源宽电路为了献减小β的影慨响，蹈可采舞用如车图3.宝6所示块的改掉进型杠电路泰，在筝这个港电路番中，筝将VT1管的而集电努极与提基极起之间伍的短屠路线帖用VT3管取浮代。图3.打6改进计的镜醒像电猪流源3.多路眉输出酷电流距源电彩路在集律成电蜓路中僚，有谷时需心要多慢个相耐同的耕电流锣源，命这时卵可采畜用多熄路输欧出电傅流源花电路薄。4.微电出流源影电路微电胀流源挥电路有是在高镜像眯电流施源的纷基础录上，川在VT2的发挽射级摊上接笼一个菜电阻Re，如没图3.蒜8所示纲。图3.墨8微电凶流源铸电路Re的负头反馈铅作用布可以债使输亩出电蚁流变婆小，盒提高检恒流牢源对痒电源牺变化煌的稳闸定性磁，且俯温度蔽稳定悼性更再好。该电贿路的倒特点膏是用音很小熔的Re就可暂以获销得很乒弱的尼输出挽电流扛，一箱般在拳毫安飞级，踏适合能用于槽小电眨流场狗合。输入夕级输入萝级的娘好坏边对提箭高集鞠成运富放的嚼整体可质量刻至关吸重要然，如纹输入土电阻猪、共均模抑挡制比寇、输妖入电轻压范说围以旷及电爱压放案大倍抵数等相许多潮性能丈指标美的优泉劣，茧输入杏级都夜起决少定性神作用宫。输入棵级大验都采在用差祥分放偏大电邮路的隐形式颠，最到常见坟的有3种：伤基本互形式掠、长涂尾式停和恒述流源野式。1.基本状差分裳放大除器典型骡电路余组成灾及抑面制零紧漂的融原理袖如下适。用两刘级相彻同的谈共射牢电路颈接成将面对蔽面的疮形式露，将政两个疼输入丛信号箩分别足接于昨两个特输入驶端与皱地之妇间，逼实现肿双端结输入蛛。输岛出信渗号取掀自两恨管的富集电动极，痕即将晴负载现接于纪两管堡集电录极之跃间，壤构成妈双端伐输出牲，如谅图3.滩9所示弯。2.输入结信号碰类型余及差潮模电掌压放掏大倍女数基本纽奉差分泛放大辫器的碎输入长信号腹可分默为共辰模信疤号和停差模附信号园两种质。在杯放大基器两没输入阔端分恭别输联入大坛小相农等、丑极性陆相同粒的信卷号，贷这种良输入菌方式烦称为登共模宵输入苍，信庸号称粪为共醉模信排号，铺常用uIc表示戚，即uIc=uI1=uI2。在共惨模输武入情膀况下榜，因百电路货对称尽，两调管的戏集电伯极电寄位变赌化相胖同，呀因而斜输出宋电压Uoc恒为酸零。切其原宁理与也输入摊信号默为零(静态)的输档出结宫果一何样，爆如图3.嘉10所示墙。3.共模漂抑制杂比差分圾放大妹器的予输入告信号滋可以汇看成滋一个泄差模早信号已与一监个共铁模信筐号的凤叠加用。对脱于差桶模信贵号，滑要求冷放大移倍数尊尽量栽地大枯；对悼于共胶模信单号，院希望同放大毛倍数殿尽量量地小池。为赌了全稻面衡宽量一还个差散分放案大器围放大最差模秋信号量信号传、抑户制共术模信境号的栏能力饥，引位入共金模抑虑制比KCM看R这个定量，坏来综建合表脑征这蒜一性拳质。在实纷际应卫用电宗路中典，共姓模输荒入信毅号常棵常比球差模摇输入助信号吵大，闻而且李零漂械也可撞看成内共模誓信号筛。因参此，丘要求盘放大赏器的静共模旦抑制允比高裂，这预样，州电路从受共彻模信帐号及饮零漂喊的干写扰就尽小，上电路迎的质细量就尽高。胁共模皂抑制评比是存差分汉放大吉器的息一项跑十分动重要航的技惨术指如标。采理想册情况屡下，KCM托R→∞。一老般差菠放电稀路的KCM有R为40～60尚dB，高窜水平男的可纠达12雪0d要B以上久。4.长尾蹄式差柴动放百大电川路基本耽差分宾放大插器，条利用虫对称粥补偿赚原理孩抑制移零漂寸。但另是在负单管龟集电售极对葛地的扫单端帮输出歇电压币中，撕漂移今电压鞠并没冒有被惊补偿气，因疲此漂选移现寺象仍惧然存沸在。皱图3.盈11所示望为长栗尾式别差动演放大度电路饭。图3.嫁11长尾迅式差状动放看大电码路(1算)差放艇抑制联共模项的原制理(2郊)差放畅的静核态计寇算(3黑)差放握的动凶态分奔析及考计算①差模缩慧电压皮放大鼻倍数②差模物输入捞电阻RI策d③差模闭输出陶电阻RO5.恒流迷源的嘴差分畜放大韵器用恒负流源利来代劲替Re就可责以解圣决静斑态工耍作点秋和共特模抑使制比歪之间非矛盾信。因爆为恒容流源稠具有溉交流哲电阻州大，损直流精电阻赖小的恩特性勒。图3.扇14所示辈为恒确流源去的差先分放程大器构，图3.话15所示傲为恒谷流源殃式差并分放桌大电姥路的爷简化浮表示动法。图3.匠14恒流坑源的狡差分什放大姨器图3.叹15恒流火源式践差分催放大伏电路搞的简惨化表球示法6.差动梢放大饮电路修的4种接赶法(1沸)怖4种接混法差动故放大疯电路是的4种接谜法如盲图3.歌17所示旧。①双端呆输入督、双序端输枕出②双端弊输入她、单掏端输岂出③单端辫输入肝、双裂端输衔出④单端俯输入吴、单覆端输洽出图3.臣17差分驱放大砍电路听的4种接课法中间皮级中间碍级的趁主要鹅任务璃是提鸣供足唯够大后的电欣压放柱大倍蚕数，迁不仅绝要求塌电压缘瑞放大记倍数妖，而侄且还劲要求权输入剩电阻园较高云。1.有源摩负载图3.恼20是镜橡像电浅流源底做集祝电极馋负载RC的有及源负无载放兰大器多。图3.盆20有源室负载弱单管般共射天放大溉电路2.复合次管中间大级的驴放大朽管有贺时采肃用复低合管垂的结幼构形孝式，票不仅花可以克获得级很高池的电透流放指大系睁数，线而且低能够猾大大永提高另中间距级的遍输入帐电阻温，以伯免对踩前级车放大太倍数堵产生孟不良独影响盈，特拣别是域前级迷采用器有源灶负载善时，展提高表集成佳运放坟总的飘电压易放大葬倍数若。所谓之复合辟管，搏即把炎两个牧或两约个以对上的店三极泻管按炮一定丙的规苦律连菌接在嫁一起忽，组窄成一堪个复别合型尝的管搬子。复合看管的鉴组成置原则糟：（1）第2个管冷子的遍基极踏电流屯应与彻其相虾连的吩第一肢个管从子的哗电极乏电流旅方向责一致住，保少证两毛个管芦子都迷工作达在放设大区民；（2）复蛋合管席的类接型与银第一教个管均子相很同，留基极述是第死一个猎管子股的基搭极。复合哲管的眨接法轻有多盒种，构它们希可以插由相亡同类狂型的牛三极旨管组旺成，诉也可裹以由创不同择类型您的三梯极管浓组成爹。例颠如在编图3.沫22中，过图(a滨)和(b好)分别字由两欢个同拖为NP玻N型或达同为PN棒P型的斧三极链管组每成，纪但图(c圣)和(d乎)中的懂复合堂管却计由不砌同类烛型的伙两个历三极扭管组洒成。图3.论22复合谈管的救接法如图3.逗22所示,复合德管的究电流括放大度系数升满足犯关系漠式β=雁β1β2。复挪合管嘉的类帐型取贺决于废第一兵级管遭子的被型号饿。在币集成恶运放饥中，充复合骄管不赌仅用朵于中镜间级讯，也填常用侨于输茅入级诉和输探出级焰。输出该级电高路集成际运放扒的输犯出级锹直接起与负经载相巡寿连接,为了全提高零它的芹带负羞载能登力,要求胆输出她电阻坐较低半。此波外,输出偷级的差交流春电压殿和电荡流和增幅度施都比南较大,故还社要求绍它有么较大跪的输孔出功胀率。秒显然,在放冬大器央的3种组康态中,具有肃低输进出电金阻的怀共集(或共锁漏)放大铅器最娃适合杜作为浴输出抽级的觉电路过。但周是,一般例的射礼级输挖出器仓因为望功耗漏大、拿效率锹低，垂输出胜电压茎范围概不够魂大，桶还不机能直初接作尺为输际出级烧电路现，而贼必须卡加以未改进鸡。1.互补脑对称趁电路2.准互有补对仅称电童路过流倾保护洒电路途集成植运放脆输出库级的故输出签电流圈很大誓，当但输出臣端意剩外短携路或绢负载笋电流排太大水时，挪容易续损坏政运放则的内哭部管扩子，籍所以离必须誉有过殖流保悟护电亚路。图3.央23输出蚕级电躁路集成歪运放子内部箩电路洁组成F0赴07是集弹成运桐放的猴第二摔代产锈品，场它由24个三损极管喇、10个电阵阻和1个电匙容组斗成，匙它是芒一种释性能救较好母、放执大倍凡数较匹高、狐且具乎有内舞部补医偿的花通用主型集队成运俭放（做对应乱的国猫外型载号为uA葱74占1）。F0捎07的内础部电爷路如谁图3.距25所示扔，图眼中个异引出岔端所婆标数洗字为陷其管触脚编泛号。图3.食25般F0套07内部鲁电路口图下面壁分析F0慈07的工朗作原碍理。(1箩)输入距级(2聋)中间帖级(3脆)输出义级集成之运放鞭的性堵能指葡标集成鸽运放芬的质搬量如巡寿何，趣根据绘什么辟来选索择测牙试集顽成运瘦放，米这涉衰及到叉运放聚的技醋术指雀标问拒题。挖在实债际应登用中仇可以苦通过逐元器圆件手柴册直需接查卡到各可种型疤号运互放的原技术湾指标留。为白了正搁确选衡择和划使用去集成驶运放裁，必设须了蚕解各绍参数拢的意谦义。瞧下面玻介绍艺几个岩主要优的参险数。(1慨)开环跟差模秋电压或放大施倍数Aod(2票)输入乐失调万电压UIO(3其)输入运失调估电压糖温漂αUI厚O(4步)输入昨偏置拥电流IIb和输缴入失妙调电病流IIO(5梳)输入诉失调咬电流社温漂αII秋O(6疑)差模减输入盆电阻rId(7忙)共模候抑制馋比KCM史R(8木)最大腥共模掩输入蠢电压UIC它M(9卖)最大症差模收输入拌电压UID跨M(1岛0)害-贸3倍dB带宽fH(1俗1)转换楼速率(S租R)除了旋以上盐介绍傅的几毛项主需要技忠术指急标外遇，还武有很饭多项冤其他游的指值标，桶如最赤大输父出电移压、这静态但功耗胸等，叛由于匠含义螺比较他明显燃，因拍此不汉再赘吃述。集成膏运放吹指标炭的含诵义只伶有结冒合具鼠体应啄用才猫能正拉确领摄会。集成乱运放顷种类递较多勺，有屈通用化型，汉还有城为适拘应不虾同需惨要而钥设计撑的专蓝用型艺，如隐高速挨型、淡高阻黑型、喘高压酷型、湖大功耐率型扯、低衬功耗膏型及幻玉低漂大移型毁等。翁在实母际应盗用中柱，考肢虑到党便宜豆与采名购方毕便，筹一般谎应选非择通川用型住集成彻运放既，特巨殊需刮要时绞，则亲应选秩择专妥用型木。集成麦运放蜻应用品的一借些实应际问林题国内股外的颈集成阶运放惯种类邮繁多洞，应魄用非枯常广薯泛。体除通若用型谅集成箱运放刺外，冒还有译很多狼特殊庆运放更，它衰们的仙部分踪蝶性能铅比通坟用型启好得齐多。竭例如戚，高窗输入稍阻抗酒型，裕主要股用作旅测量傍放大自器、间模拟楼调节少器、蜓有源卧滤波糟器及左采样—保持征电路璃；高枝精度含型，骨一般载用于切精密堵检测稿、自铺控仪达表等画；高钓速型寨，一室般用咬于快怨速模—数和还数—模转赢换器立、有填源滤鼻波器搏、精溪度比爸较器别、高垫速采瞎样—保持镰电路励和视鸭频放仪大器蹈等要两求输态出对辽输入碍响应带迅速拳的情浴况；穗低功冶耗型倦，一闯般用挡于遥汽测，爸遥感蚁、生耽物医再学和臣空间他技术辈等要信求能讨源消旨耗有凑限制跑的场倦合。除了暑根据漆用途笛和要吴求正贿确选蠢型之忽外，加为了敏能达宇到使爹用要志求和腾精度围，避饥免在塔调试术过程粪中损仪坏，棋在调晶试使沫用时扬还应桥注意筛以下槐问题古。1.调零失调围电压乳、失才调电奏流的置存在刘，使杯得实路际运集放当被输入杨信号抖为零场时，辽输出伸不为寒零。聪为此垒，有渐些运伴放在昌引脚鞭中设幕有调狡零端览子，咸接上从调零唤电位馆器可码调零女。电旅位器器应选烘用精起密的惜线绕孤电位纳器。匀调零筝时，耐将电驾路的本输入陷端接本地，着调整唉电位RP，同威时用茂最低枪挡直匀流电医压表泰测输网出电呀压，佩使输拘出电难压为园零即渠可，攻如图3.腔26所示测。图3.干26集成屿运放有些崇集成恐运放竟没设办调零筑端，盒例如贴有些筛双运延放、孩四运会放就明不设董调零编端。坝为此鞠，使螺用中笼可采赏取辅礼助调克零的割办法执，如婚图3.叫27所示谎。图3.鸡27辅助节调零傅措施2.消除炼自激运放浇工作串时很状容易畅产生斗自激垃振荡谈，此韵时用晌示波铺器接特在输雪出端街，可猛看到追输出碍信号让上叠律加了厌波形吉近似都正弦晒的高祝频振笋荡，漏偶尔状也有哗出现签低频篮振荡线情况滔。为耳了消桌除自泊激，取有些柏集成血运放裤在内抖部已望做了蒜消振央电路蝇，有符些集破成运倘放则盈引出骑消振愚端子副，外反接RC消振席网络用。在丑实际耳应用揪中，效为了棚使电副路稳宫定，挤有些桨电路山分别完在运她放的渣正、慨负电贷源端兴与地拨之间弊并接也上几歌十微锁法与0.看01毯~0枪.1摇μF的电面容，覆有些雷在反油馈电茎阻两俗端并标联电鸽容。辞有些喝在输霉入端溪并联果一个RC支路炭，见存图3.霉28。图3.菜28集成运运放它的消词振电舅路3.保护匪措施在使游用过抹程中壶，由劫于电叼源极枪性接烘反、纵输入郊信号橡过大引、输映出端卷负载拨过重辟等原血因会亭造成修集成异运放训损坏隐。因情此，扰除操恒作过荐程中荣加以挪注意进外，锋还应桌在电号路上逢采取亿一定杯的保点护措缩慧施。（1）墙输入烫保护运放简的差翅模或嘴共模选输入雅信号固电压壳过高漂会引门起其盛输入批级损牲坏，宣为此辈，可暗在集崖成运柳放输哥入端泡并联虽接入老极性忌相反妹的两历只二斤极管门，以质将输森入电蹦压限漏制在杀二极故管导违通电怠压之舒内，柜如图3.览29所示纽奉。图3.咐29输入荒保护（2）逼输出晃保护输出拾端保礼护是范为了计防止界输出秩碰到辩过电逮压时素使输蒜出级恢击穿功，可鹿采用叼图3.宴30所示蹄电路挂。正志常工兽作时领，输独出电驳压小怀于双省向稳角定管鸭的稳秧压值漏，双融向稳闸压管敬相当拢于开逐路。巷当输蛮出端咏电压赠大于胳稳压墓管稳福压值甜时，薪稳压卡管将宰击穿触，使渴运放喜负反炉馈加辩深，做将输讲出电挺压限月制在广稳压句范围卧内。图3.卧30输出文保护（3）装电源何极性巴错接恶保护图3.眨31为电乎源极燥性错但接保逢护电直路，却它是分利用手二极统管的旧单向寻导电蒙性来帅防止难电源压极性尊