第4章集成運算放大電路

1、第四章第四章 集成運算放大電路集成運算放大電路4.1 集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述4.2 集成運放中的電流源電路集成運放中的電流源電路4.3 集成運放簡介集成運放簡介4.4 集成運放的性能指標(biāo)及低頻等效電路集成運放的性能指標(biāo)及低頻等效電路4.5 集成運算的種類及選擇集成運算的種類及選擇4.1 4.1 集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述4.1.1 4.1.1 集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點集成運算放大器集成運算放大器高增益的直接耦合的集成多級放大器。高增益的直接耦合的集成多級放大器。集成電路的工藝特點：集成電路的工藝特點：（1）因為硅片上不能制作大電容，所以集成運

2、放均采用直接耦合方式。）因為硅片上不能制作大電容，所以集成運放均采用直接耦合方式。（2）因為相鄰元件具有良好的對稱性，而且受溫度和干擾等影響后的變）因為相鄰元件具有良好的對稱性，而且受溫度和干擾等影響后的變化也相同，所以集成運放中大量采用差動電路（作輸入級）和恒流源電路化也相同，所以集成運放中大量采用差動電路（作輸入級）和恒流源電路（作偏置電路或有源負(fù)載）。（作偏置電路或有源負(fù)載）。（3）因為制作不同形式的）因為制作不同形式的IC，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成運放允許采用復(fù)雜的電路形式，以達(dá)到提高電路各方制造工序，所以集成運放允許

3、采用復(fù)雜的電路形式，以達(dá)到提高電路各方面性能的目的。面性能的目的。（4）因為硅片上不易制作高阻值電阻，需要大電阻時，往往使用有源元）因為硅片上不易制作高阻值電阻，需要大電阻時，往往使用有源元件（晶體管或件（晶體管或FET）取代電阻。）取代電阻。（5）集成晶體管和）集成晶體管和FET因制作工藝不同，性能上有較大差異，所以在集因制作工藝不同，性能上有較大差異，所以在集成運放中常采用復(fù)合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。成運放中常采用復(fù)合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。4.1.2 集成運放電路的組成及各部分的作用集成運放電路的組成及各部分的作用u-u+ uo4.1.3集成運放的電壓傳輸特性集成運放

4、的電壓傳輸特性國際符號：國際符號：國內(nèi)符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：集成運放的特點：電壓增益高電壓增益高輸入電阻大輸入電阻大輸出電阻小輸出電阻小同相輸入端同相輸入端反相輸入端反相輸入端輸出端輸出端VVVo+A+-uuu集成運放的兩種工作狀態(tài)集成運放的兩種工作狀態(tài)1. 運放的電壓傳輸特性：運放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運放的運放的Aod=104Ui1mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當(dāng)當(dāng)Aod 時，線性區(qū)時，線性區(qū)0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)

5、非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想運算放大器：理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 Ro=0為了擴(kuò)大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負(fù)反饋：為了擴(kuò)大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負(fù)反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：理想運放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！電路中有負(fù)反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（u+=u-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）3. 線性區(qū)線性區(qū)uu+A+RiiRuu+ffoi114. 非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）非線性區(qū)（正、負(fù)飽和

6、狀態(tài)）運放工作在非線性區(qū)的條件：運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！電路開環(huán)工作或引入正反饋！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui一一. 鏡像電流源鏡像電流源基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流： 無論無論T1的負(fù)載如何變化，的負(fù)載如何變化， IC1的電流值將保持不變。的電流值將保持不變。4.2 集成運放中的電流集成運放中的電流源源電路電路4.2.1 基本電流源電路基本電流源電路RUVIBECCR= BCII2CCII2RCII2，若2RCII1RUVBECC=二二. 微電流源微電流源eBE1BE0RUUE1C1IIe1BE1BE0RIUUE) 1(11TBEUUSEeII

7、TBEUUSeI1SETBEIIUU11lnSETBEIIUU00ln)ln(ln1010SESETBEBEIIIIUUU10lnEETIIU) 1 ()2(101lnEETeEIIURIeBERU11ECII1lnCReTIIRU三三. 多路電流源多路電流源+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC33221100RIRIRIRICCCCRCII0例例4.2.1511122RUUVIBEEBCCR397 . 07 . 030mA73. 010410lnCRTCIIRUI1073. 0ln326CIAIC2810RI21313CCII73. 025

8、5mA52. 04.2.4 . 以電流源為有源負(fù)載的放大電路以電流源為有源負(fù)載的放大電路bebCurRRAbebLCurRRRA/LR1bebLurRRA121)/(bebceceLurRrrRA二、二、 有源負(fù)載差分放大電路有源負(fù)載差分放大電路4. 3 集成運放電路簡介集成運放電路簡介F007偏置電路偏置電路中間級中間級輸出級輸出級輸入級輸入級4.4 4.4 集成運放的主要性能指標(biāo)及低頻等效電路集成運放的主要性能指標(biāo)及低頻等效電路1 1、開環(huán)差模增益、開環(huán)差模增益A Aodod無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。通用型集成運放一無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。通用型集成運放一般在般在10105 5左

9、右，即左右，即100dB100dB左右左右。F007F007的的A Aodod大于大于94dB94dB。2 2、共模抑制比、共模抑制比K KCMRCMRF007F007的的共模抑制比大于共模抑制比大于80dB，A AOCOC小于小于1414dB。3 3、差模輸入電阻、差模輸入電阻r rididF007:rF007:ri i2M2M , , 有的可達(dá)有的可達(dá)100100M M 以上。以上。4 4、輸出電阻、輸出電阻r ro or ro o = =幾幾 幾十幾十 。4.4.1 4.4.1 集成運放的主要性能指標(biāo)集成運放的主要性能指標(biāo) 5、輸入失調(diào)電輸入失調(diào)電UIO 輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電

10、壓增輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。6、輸入失調(diào)電壓溫漂輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。8、輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO ： 在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 7、輸入偏置電流輸入偏置電流II

11、B ： 輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。 2B1BIB21III 2B1BIOIII 9、輸入失調(diào)電流溫漂輸入失調(diào)電流溫漂dIIO /DT: 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。量與溫度變化量之比值。 10、最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uidmax 運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時時, ,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。

12、差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。 11、最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax 在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。器失去共模抑制能力。 12、3dB帶寬帶寬 f H ： 運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB3dB所所定義的帶寬定義的帶寬 f f H H 。 13、轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率S R (壓擺率壓擺率)： 反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能

13、力。轉(zhuǎn)換速率力。轉(zhuǎn)換速率S SR R的表達(dá)式為的表達(dá)式為 maxoRddtuS 4.4.24.4.2 集成運放的低頻等效電路集成運放的低頻等效電路簡化的低頻等效電路簡化的低頻等效電路 反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易運放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。的，也是不必要的。通用型運放，各種參數(shù)指標(biāo)都通用型運放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。殊要求的場合。特殊類型的集成運放，在某一個或特殊類型的集成

14、運放，在某一個或幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運放的系列中進(jìn)行選擇，以滿可以從特殊類型集成運放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。足某些方面的特殊要求。4.5 4.5 集成運放的種類及選擇集成運放的種類及選擇4.5.1 4.5.1 集成運放的發(fā)展概況集成運放的發(fā)展概況4.5.2 4.5.2 集成運放的種類集成運放的種類一、一、 按工作原理分類按工作原理分類1 1、 電壓放大型電壓放大型實現(xiàn)電壓放大，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電實現(xiàn)電壓放大，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電壓源。壓源。(F007(F007、F

15、324F324、C14573)C14573)IodouAu 2 2、 電流放大型電流放大型實現(xiàn)電流放大，輸出回路等效成由輸入電流控制的電實現(xiàn)電流放大，輸出回路等效成由輸入電流控制的電流源。流源。(LM3900(LM3900、F1900)F1900)IioiAi 3 3、 跨導(dǎo)型跨導(dǎo)型將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，輸出回路等效成由輸入電壓控制將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電流源。的電流源。(LM3080(LM3080、F3080)F3080)IiuouAi 4 4、 互阻型互阻型將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，輸出回路等效成由輸入電流控制將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，輸出回路等效成由

16、輸入電流控制的電壓源。的電壓源。(AD8009(AD8009、AD8011)AD8011)IuioiAu 二、二、 按可控性分類按可控性分類1 1、 可變增益運放可變增益運放壓控增益運放壓控增益運放(VCA610),(VCA610),控制電壓從控制電壓從0V0V變?yōu)樽優(yōu)?2V-2V時，增益從時，增益從-40dB-40dB到到+40dB+40dB連續(xù)可調(diào)。連續(xù)可調(diào)。數(shù)控數(shù)控增益運放增益運放(AD526),用數(shù)字編碼控制增益。用數(shù)字編碼控制增益。2 2、選通控制運放、選通控制運放 兩通道選通控制運放OPA676 的原理示意圖VCHA0IAoduAu 0VCHA7 . 2IBoduAu 0通用型和特

17、殊型通用型和特殊型二、按性能指標(biāo)分類二、按性能指標(biāo)分類1.1.高輸入阻抗型高輸入阻抗型 這種類型的集成運放差模輸入電阻往往大于這種類型的集成運放差模輸入電阻往往大于10109 9，輸入偏置電流通常為輸入偏置電流通常為pApA數(shù)量級。數(shù)量級。 這種類型的集成運放，輸入級經(jīng)常采用超這種類型的集成運放，輸入級經(jīng)常采用超管或場效管或場效應(yīng)管構(gòu)成差動輸入級。應(yīng)管構(gòu)成差動輸入級。 其典型產(chǎn)品有其典型產(chǎn)品有5G285G28、F3140F3140、ICH8500AICH8500A、LF356LF356、CA3130CA3130、AD515AD515、LF0052LF0052等。等。 2.高速型 高速運放一般要

18、求轉(zhuǎn)換速率高速運放一般要求轉(zhuǎn)換速率S SR R大于幾十伏大于幾十伏微秒，單位增益帶寬微秒，單位增益帶寬BW 10MHZBW 10MHZ。 主要應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速主要應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速ADAD和和DADA轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性能優(yōu)良的高速運放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏能優(yōu)良的高速運放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏微微秒。秒。 高速型運放的典型產(chǎn)品有高速型運放的典型產(chǎn)品有mA715mA715、LH002LH002、AD845AD845、AD9618AD9618、SL541SL541等。等。3.高精度型 高精度運放具有低失調(diào)、低溫漂、低噪

19、聲、高增益等特點。高精度運放具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益等特點。一般一般UUIOIO/ /TT 2mV, 2mV, IIIOIO/ /T 200PA, T 200PA, K KCMRCMR110dB110dB。 大多選用匹配特性優(yōu)良的差動對管，還采用熱匹配設(shè)計和低大多選用匹配特性優(yōu)良的差動對管，還采用熱匹配設(shè)計和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對管的匹配性。典型產(chǎn)品有盡可能地提高對管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044LH0044、F5037F5037、AD707AD707、OP-77OP-77

20、、OPA177OPA177等。等。 另外，還有的運放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更另外，還有的運放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650ICL7650、AD508AD508、OP-27OP-27等。等。4.4.低功耗型低功耗型 具有靜態(tài)功耗低，工作電源電壓低等特點。其功耗具有靜態(tài)功耗低，工作電源電壓低等特點。其功耗為微瓦數(shù)量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。為微瓦數(shù)量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。 典型產(chǎn)品有典型產(chǎn)品有CA3078CA3078、mPC253mPC253、ICL7641ICL7641等。等。 5. 5. 大

21、功率型大功率型 大功率型集成運放的電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出大功率型集成運放的電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。 典型產(chǎn)品有典型產(chǎn)品有LH0021LH0021、MCEL165MCEL165、HA2645HA2645、LM143LM143、ICH8515ICH8515等。等。4.5.3 4.5.3 集成運放的選擇集成運放的選擇一、信號源的性質(zhì)一、信號源的性質(zhì)二、負(fù)載的性質(zhì)二、負(fù)載的性質(zhì)三、精度要求三、精度要求四、環(huán)境條件四、環(huán)境條件 4.6 4.6 集成運算放大器的使用集成運算放大器的使用4.6.1 4.6.1 使用時必做的工作使用

22、時必做的工作 一、正確識別運放的外引線（管腳）一、正確識別運放的外引線（管腳） 二、參數(shù)測量二、參數(shù)測量使用前，用簡易測試法判斷其好壞，用萬用表電阻的中使用前，用簡易測試法判斷其好壞，用萬用表電阻的中間檔測試管腳有無短路或斷路現(xiàn)象。必要時用專用設(shè)備間檔測試管腳有無短路或斷路現(xiàn)象。必要時用專用設(shè)備測試主要參數(shù)。測試主要參數(shù)。 三、調(diào)零或調(diào)整偏置電壓三、調(diào)零或調(diào)整偏置電壓由于失調(diào)電壓及失調(diào)電流的存在，輸入為零時輸出往往由于失調(diào)電壓及失調(diào)電流的存在，輸入為零時輸出往往不為零。不為零。對于內(nèi)部無自動穩(wěn)零措施的運放對于內(nèi)部無自動穩(wěn)零措施的運放需外加調(diào)零電需外加調(diào)零電路，使之在零輸入時輸出為零。路，使之在零輸入時輸出為零。 四、消除自激振蕩四、消除自激振蕩為防止電路產(chǎn)生自激振蕩，應(yīng)在集成運放的電源端加上為防止電路產(chǎn)生自激振蕩，應(yīng)在集成運放的電源端加上去耦電容。有的運放需外接頻率補償電容去耦電容。有的運放需外接頻率補償電容C,C,應(yīng)注意接入應(yīng)注意接入合適容量的電容。合適容量的電容。一、輸入保護(hù)一、輸入保護(hù)4.6.2 4.6.2 保護(hù)措施保護(hù)措施防止差模電壓過大的保護(hù)電路防止差模電壓過大的保護(hù)電路防止共模電壓過大的保護(hù)電路防止共模電壓過大的保護(hù)電路二、輸出