第四集成運算放大器

1、(4-1)電子技術(shù)電子技術(shù)第四章第四章 集成運算放大器集成運算放大器模擬電路部分模擬電路部分(4-2) 第四章第四章 差動放大器與差動放大器與集成運算放大器集成運算放大器4.1 集成放大電路集成放大電路的特點的特點4.2 集成運放集成運放的的基本組成部分基本組成部分4.3 集成運放的典型電路集成運放的典型電路4.4 集成運放的主要性能指標集成運放的主要性能指標4.5 理想運算放大器理想運算放大器(4-3)集成電路集成電路: 將整個電路的各個元件做在同一個半導將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上。體基片上。集成電路的優(yōu)點：集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、使用方

2、便、體積小、重量輕、功耗小。功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 4.1 集成運算放大器概述集成運算放大器概述(4-4)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點：集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點：1. 電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。向一致，溫度均一性好。2. 電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在幾十到電阻元件由硅半導體構(gòu)成，范圍在幾十到20千千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。替或外

3、接。3. 幾十幾十 pF 以下的小電容用以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。大電容要外接。4. 二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。(4-5)對輸入級的要求：對輸入級的要求：盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移, ,盡量提高盡量提高 KCMRR , , 輸入阻抗輸入阻抗 ri 盡可能大盡可能大。對中間級的要求：對中間級的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。對輸出級的要求：對輸出級的要求：主要提高帶負載能力，給出足主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流夠的輸出電流io 。即輸出阻抗。即輸出阻抗 ro小。小。集成運放的結(jié)構(gòu)集成運放的

4、結(jié)構(gòu)（1）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級一般采用差動放大器。級一般采用差動放大器。（2）輸入級常采用復合三極管或場效應管，以減）輸入級常采用復合三極管或場效應管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。小輸入電流，增加輸入電阻。（3）輸出級采用互補對稱式射極跟隨器，以進行）輸出級采用互補對稱式射極跟隨器，以進行功率放大，提高帶負載的能力。功率放大，提高帶負載的能力。(4-6)典型集成運放電路介紹典型集成運放電路介紹 圖 4-39 F007電路原理圖V8V9V2V1V3V4V7R250 kV61 kR3R11 k外接調(diào)零電位器輸入級V10R43 kV11R

5、539 kV12V134.5 k7.5 kC 30pFR7R8V16V17V15VD1V14VD2V18V19R9R1025 50 uo UCC UCC偏置電路中間級輸出級V5uiRWIR5(4-7) 1. 輸入級輸入級 在輸入級中，V1、V3和V2、V4組成共集-共基差分放大電路， V5V7和電阻R1R3構(gòu)成改進型電流源電路，作為差放的有源負載， 這種組合電路不但具有高的輸入輸出電阻，還具有較大的電壓增益和電流增益。 輸入信號從V1、V2管的基極加入，從V4、V6管的集電極輸出，所以輸入級是雙端輸入、單端輸出的差分放大電路，同時由于恒流源作為差放的有源負載，其單端輸出電流為V4、V6管的集電

6、極電流之和，因此雖然是單端輸出，但是其電壓放大倍數(shù)與雙端輸出的電壓放大倍數(shù)相同。換句話說，有源負載使雙端輸出變?yōu)閱味溯敵觥?(4-8) 若電路中有共模信號輸入，V3管和V4管的集電極電流相等(忽略V7管的基極電流)，V3管和V5管的集電極電流相等，又由于R1=R3，因此V6管的集電極電流和V5管的集電極電流相等， 如此推來，V6管和V4管的集電極電流相等，而V16管的基極電流為V4管和V6管的集電極電流之差，所以V16管的基極電流近似為零，可見共模信號輸出為零，電路具有較高的抑制共模信號的能力。 (4-9) 2. 偏置電路偏置電路 偏置電路由V8V13、電阻R4和R5組成。其中V10、V11、

7、 V12和R4、R5構(gòu)成主偏置電路，該電路中R5上的電流是F007偏置電路的基準電流，由圖可知551211522RURUUUICCBEBECCR所以, IR5基本恒定。 主偏置電路中V10、V11和R4構(gòu)成微電流源，V10的輸出電流通過由V8、V9管組成的鏡像電流源為輸入差放提供偏置電流； V12和V13構(gòu)成的鏡像電流源為中間級和輸出級提供靜態(tài)偏置。 (4-10) 3. 中間級中間級 中間級是由V16、V17復合管組成放大管，以V12、V13組成鏡像電流源作為集電極負載的共射放大電路。由于該共射放大電路具有較高的電壓放大倍數(shù)和輸入電阻，因此在V16的基極和V13的集電極之間跨接了一個消振補償電

8、容，以保證電路穩(wěn)定工作。 (4-11) 4. 輸出級輸出級 輸出級是準互補對稱電路。V18和V19復合而成的PNP管與V14 NPN管構(gòu)成互補形式； R9、R10以及二極管VD1、VD2組成過流保護電路；三極管V15和電阻7、R8的作用是為功率管提供靜態(tài)基極電流，使輸出級電路工作在甲乙類狀態(tài)，以減小交越失真。 (4-12)(4-13)一、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)一、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間。理想運放的之間。理想運放的Aod為為 。二、共模抑制比二、共模抑制比KCMMR常用分貝作單位，一般常用分貝作單位，一般

9、100dB以上。以上。三、差模輸入電阻三、差模輸入電阻ridri1M , 有的可達有的可達100M 以上。以上。四、輸出電阻四、輸出電阻roro =幾幾 -幾十幾十 。4.4 集成運放的主要性能指標集成運放的主要性能指標(4-14)五、最大共模輸入電壓五、最大共模輸入電壓UIcmax六、最大差模輸入電壓六、最大差模輸入電壓UIdmax七、七、-3dB帶寬帶寬fH運放是直流放大器，運放是直流放大器， 也可放大低頻信號，也可放大低頻信號，不適用于高頻信號。不適用于高頻信號。還有其他一些反映運放對成性、零漂等的參還有其他一些反映運放對成性、零漂等的參數(shù)。不再一一介紹。數(shù)。不再一一介紹。關(guān)于集成運放的

10、應用下面分三個章節(jié)介紹。其中關(guān)于集成運放的應用下面分三個章節(jié)介紹。其中運放都是作為理想運放來處理。運放都是作為理想運放來處理。(4-15) ri 大大: 幾十幾十k 幾百幾百 k 運放的特點：運放的特點：KCMRR 很大很大 ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 A o 很很大大: 104 107理想運放：理想運放： ri KCMMRR ro 0 0Ao 運放符號：運放符號：uu+ uo u u+ uoAo國際符號國際符號國內(nèi)符號國內(nèi)符號(4-16) 利用理想集成運放的特性來分析實際集成運放組成的各種電路，不但方法簡單，而且所得結(jié)果與考慮實際集成運放特性時所得的結(jié)果十分相近，因此，今后在分析各種集

11、成運放應用電路時，如無特別說明，均將集成運放作為理想運放考慮。 (4-17) 2. 理想運放工作在線性區(qū)的特點理想運放工作在線性區(qū)的特點 在集成運放的各種應用中，其工作范圍可有兩種情況，即工作在線性區(qū)或非線性區(qū)。當工作在線性區(qū)時，集成運放的輸出電壓與輸入電壓之間為線性放大關(guān)系， 即 uo=Aod(u+-u-) 由于uo為有限值，而理想運放的Aod=，因此凈輸入電壓 0odoAuuu(4-18)即 u+=u- （3-56） 式（3-56）表示理想運放的同相輸入端電壓與反相輸入端電壓相等， 兩個輸入端如同短路一樣， 但是實際上并未真正短路，只是虛假的短路， 故稱兩個輸入端為 “虛短路虛短路”。 由

12、于理想運放的差模輸入電阻rid=，因此兩個輸入端的輸入電流均為零，即在圖3-40中, i+=i-=0 （3-57）(4-19) 式（3-57）表示集成運放的兩輸入端輸入電流都為零，如同斷路一樣，但是又不是真正斷路，因此稱兩個輸入端為 “虛虛斷路斷路”。 “虛短路”和“虛斷路”是理想運放工作在線性區(qū)的兩個重要結(jié)論，也是今后分析集成運放線性應用電路的重要依據(jù)。 (4-20)圖3-40iuuiuiduoA(4-21)3. 理想運放工作在非線性區(qū)的特點理想運放工作在非線性區(qū)的特點 圖 3-41 集成運放的電壓傳輸特性 uiuo理想特性實際特性 UoHOUoL非線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)(4-22) 當理想運

13、放工作在非線性區(qū)時， 也有兩個重要特點： （1）輸出電壓uo的值只有兩種可能：或者等于運放的正向最大輸出電壓UoH，或者等于其負向的最大輸出電壓UoL，如圖3-41中實線所示。當u+u-時，uo=UoH；當u+u-時，uo=UoL。 (4-23) （2） 理想運放的輸入電流等于零。 在非線性區(qū)，雖然運放的兩個輸入端電壓不等，即u+u-，但由于理想運放的rid=， 故凈輸入電流仍然等于零，即i+=i-=0。 可見，理想運放工作在非線性區(qū)是仍具有“虛斷路”的特點， 但是凈輸入電壓不再為零，而是取決于電路的輸入電壓。 由于集成運放的開環(huán)差模電壓增益Aod通常很大，如不采取適當?shù)拇胧?，即使在輸入端加一個很小的電