集成运算放大电路

第四章

集成运算放大电路4.1集成放大电路的特点4.2集成运放的基本组成部分4.3集成运放的典型电路4.4集成运放的主要技术指标4.5理想运算放大器4.6各类集成运放的性能特点4.7集成运放使用中的几个具体问题4.1集成放大电路的特点集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器等。集成电路的外形图4.1.1集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路。

2.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。

3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。

4.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。

5.集成电路中的NPN、PNP管的

值差别较大，通常PNP的

≤

10。4.2集成运放的基本组成部分实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。图4.2.1集成运算的基本组成输入级中间级输出级偏置电路4.2.1偏置电路向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。一、镜像电流源(电流镜CurrentMirror)+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2基准电流由于UBE1=UBE2，VT1与VT2

参数基本相同，则IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以当满足

>>2时，则图4.2.2+VCCRIREF++VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2二、比例电流源R1R2由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，则忽略基极电流，可得两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。图4.2.3比例电流源三、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1

，即在Re

值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2

。图4.2.4微电流源+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1Re基本关系因二极管方程若IC1和IC2

已知，可求出Re。图4.2.4微电流源4.2.2基本差分式放大电路1.电路组成及工作原理静态动态仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，信号被放大。相位相反。2.抑制零点漂移温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的，差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。3.主要指标计算（1）差模电压增益接入负载时（双入、双出交流通路）<B>双入、单出以双倍的元器件换取抑制零漂的能力<A>双入、双出接入负载时（1）差模电压增益<C>单端输入等效于双端输入指标计算与双端输入相同入（2）共模电压增益<A>双端输出共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。所以共模增益<B>单端输出抑制零漂能力增强（3）共模抑制比双端输出，理想情况单端输出抑制零漂能力越强单端输出时的总输出电压（4）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。4.几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出输出方式双出单出双出单出差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AdKCMR很高很高较高较高RidRo差分放大电路四种接法的性能比较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出特性

1.Ad与单管放大电路基本相同。

2.在理想情况下，KCMR∞。

3.适用于差分输入、双端输出，输入信号及负载的两端均不接地的情况。

1.Ad

约为双端输出时的一半。

2.由于引入共模负反馈，仍有较高的KCMR。

3.适用于将双端输入转换为单端输出。

1.Ad与单管放大电路基本相同。

2.在理想情况下，KCMR∞。

3.适用于将单端输入转换为双端输出。

1.Ad

约为双端输出时的一半。

2.比单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。

3.适用于输入、输出均要求接地的情况。

4.选择不同管子输出，可使输出电压与输入电压反相或同相。4.3集成运放的典型电路典型的集成运放双极型集成运放F007CMOS集成运放C14573一、引脚4.3.1双极型集成运放F007图4.3.1

F007的引脚及连接示意图(a)(b)连接示意图二、电路原理图图4.3.2

F007电路原理图1.偏置电路+VCCVT8-VCCVT9VT12VT13VT10VT11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC12至输入级至中间级基准电流：基准电流产生各放大级所需的偏置电流。各路偏置电流的关系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微电流源镜像电流源输入级镜像电流源中间级输出级图4.3.3

F007的偏置电路2.输入级

VT1、VT2、VT3、VT4组成共集-共基差分放大电路电路；VT1、VT2

基极接收差分输入信号。VT5、VT6

有源负载；

VT4

集电极送出单端输出信号至中间级。

uO

RW

调零电阻，R外接电阻。

VT7

与R2组成射极输出器。

+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9图4.3.4uI2uI1若暂不考虑VT7

和调零电路则电路可简化为：+VCC-VEEI3,4VT4VT2VT3VT1I8RCRCuI1uI2uO

1.VT1、VT2共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。

2.共基组态的VT3、VT4，与有源负载VT5、VT6组合，可以得到很高的电压放大倍数。

3.VT3、VT4共基接法能改善频率响应。

4.该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。图4.3.5

简化示意图3.中间级图4.3.6中间级示意图+VCC-VEEVT15VT16IC13R7

VT17R830pF

输入来自VT4

和VT6集电极；输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极。中间级VT16、VT17

组成复合管，VT13作为其有源负载。

8、9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡。4.输出级IC13R8uo+VCC-VEEVT14uIVD1R9R10VT19VT18R7VT15VD2图4.3.7

F007输出级原理电路

VT14、VT18

、VT19

准互补对称电路；

VD1、VD2

、R9、R10

过载保护电路；

VT15

、R7、R8

为功率管提供静态基流。调节R7、R8阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为UBE

扩大电路。4.4集成运放的主要技术指标集成运算放大器的符号+A反相输入端同相输入端输出端一、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为单位：分贝理想情况Aod

为无穷大；实际情况Aod

为100~140dB。图4.4.1运算放大器的符号二、输入失调电压UIO三、输入失调电压温漂

UIO

定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：UIO

为1~10mV；高质量运放：UIO

为1mV以下。定义：一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；四、输入失调电流IIO五、输入失调电流温漂

IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即定义：一般运放为几十

~一百纳安；高质量的低于1nA。定义：一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流IIB七、差模输入电阻rid八、共模抑制比KCMR定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。定义：一般集成运放为几兆欧。定义：多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。九、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压UIdm反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、-3dB带宽fH表示Aod

下降3dB时的频率。一般集成运放fH

只有几赫至几千赫。十二、单位增益带宽BWG

Aod

降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。十三、转换速率SR

额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V/

s。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR

值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。4.5理想运算放大器4.5.1理想运放的技术指标开环差模电压增益Aod=∞；输出电阻ro

=0；共模抑制比KCMR=∞；差模输入电阻

rid=∞；UIO=0、IIO=0、

UIO=

IIO=0；输入偏置电流IIB=0；-3dB带宽fH

=∞，等等。4.5.2理想运放工作在线性区时的特点输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即+Aod理想运放工作在线性区特点：1.理想运放的差模输入电压等于零即——“虚短”图4.5.1集成运放的电压和电流2.理想运放的输入电流等于零由于rid=∞，两个输入端均没有电流，即——“虚断”4.5.3理想运放工作在非线性区时的特点传输特性+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性图4.5.2集成运放的传输特性理想运放工作在非线性区特点：当u+>u-

时，uO

=+UOPP当u+<u-时,uO

=-

UOPP

1.uO

的值只有两种可能在非线性区内，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-。“虚地”不存在2.理想运放的输入电流等于零实际运放Aod

≠∞，当u+与u-

差值比较小时，仍有Aod

(u+

-

u-

)UOPP，运放工作在线性区。例如：F007的Uopp=±14V，Aod

2×105

，线性区内输入电压范围uOu+-u-O实际特性非线性区非线性区线性区但线性区范围很小。图4.5.2集成运放的传输特性4.6各类集成运放的性能特点一、高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。二、低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。三、高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012

。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。四、高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。五、高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。六、大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。4.7集成运放使用中的几个具体问题4.7.1集成运放参数的测试4.7.2使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反