第5章集成運算放大器的結(jié)構(gòu)及特性

1、第第5 5章章 集成運算放大器集成運算放大器 5.1 集成運算放大電路簡介 5.2差分放大電路 5.3電流源電路 5.4集成運放電路簡介 5.5 集成運放的主要參數(shù)及低頻等效電路 5.6 集成運放的使用5.1 模擬集成電路簡介 一、集成電路（IC）概述 在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。它體積小、性能很好，能完成一定的功能。 二、模擬集成電路的分類（三種分類方法） 1、按結(jié)構(gòu)工藝分：半導體集成電路、混合集成電路、電子管集成電路 2、按集成度分：小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路 3、按功能分：模擬

2、集成電路、數(shù)字集成電路 三、模擬集成電路的特點 1、同在一塊硅片上制造，元件參數(shù)的一致性很好。 2、電路中電阻元件一般由硅半導體的體電阻構(gòu)成，阻值范圍為幾十歐20千歐左右，另外電阻值的精度不易控制，誤差在20%30%左右。 3、電路中電容值也不大（幾十PF）。 4、集成電路存在溫漂。 5、電路中的二極管多用作溫度補償或電位移動。 運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應用于各種電子電路之中。集成電路中第一級常采用差動電路。（為克服或減小溫漂）5.1 集成運算放大電路概述 一、集成運放電路（IC）的結(jié)構(gòu)特點 2. 集成運放內(nèi)部電路的輸入級采用

3、差分電路。5.集成運放內(nèi)部電路經(jīng)常用復合管。3. 集成運放內(nèi)部電路用有源元件（晶體管或場效應管）替代電阻。4. 集成運放內(nèi)部電路用恒流源電路作偏置電路。集成運放內(nèi)部電路均采用直接耦合方式的多級放大電路。 二、集成運放電路的組成及各部分的作用 集成運放電路方框圖1. 輸入級：輸入級：要求其輸入電阻高，抑制共模能力強，差模放大倍數(shù)大。2. 中間級：中間級：要求放大倍數(shù)大。多采用共射（或共源）電路，并采用復合管做放大管，用恒流源做集電極負載。3. 輸出級：輸出級：要求輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻小（帶負載能力強）和非線性失真小。4. 偏置電路：偏置電路：偏置電路用于設置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作

4、點。集成運放采用電流源電路為各級提供集電極（或發(fā)射極、漏極）靜態(tài)工作電流。 5.2 差分放大電路 一、電路結(jié)構(gòu)二、靜態(tài)分析（1） 差分放大電路輸入共模信號icoccuuA=共模增益：cA在電路參數(shù)理想對稱情況下：0cA 電路參數(shù)對稱起互相補償作用，抑制溫度漂移。 Re對共模信號的負反饋作用，抑制溫度漂移。三三、動態(tài)分析動態(tài)分析1（2） 差分放大電路加差模信號三三、動態(tài)分析動態(tài)分析2具有恒流源的差分放大電路四、 改進型差分放大電路5.3 集成運放中的電流源電路 電流源是一個輸出電流恒定的電源電路，電流源是一個輸出電流恒定的電源電路，與電壓源相對應，它是電子線路中廣泛大量使與電壓源相對應，它是電子

5、線路中廣泛大量使用的單元電路。用的單元電路。5.3.1 基本電流源電路5.3.2 改進型電流源電路5.3.3 多路電流源電路5.3.4 以電流源為有源負載的放大多路一、 鏡像電流源5.3.1 基本電流源電路鏡像電流源具有一定的溫度補償作用溫度補償作用CCBCBECCRIIIIRUVI2 2 2RCIIRUVIIBECCRC1 2 當時CCCIII10BBBIII1010基準電流5.3.2 威爾遜電流源 23RUUVIBEBECCR5.3.2 威爾遜電流源 ) 2221 (23RCII5.3.3 微電流源eBEBEECRUUII101111lnCReTCIIRUI式中：基準電流RUVIBECCR

6、0基于比例電流源的多路電流源5.3.4 多路電流源電路二、 多集電極管構(gòu)成的多路電流源三、 MOS管多路電流源1. 5.3.5 電流源的應用 為集成運放各級電路提供偏置電流; 作為各級放大電路的有源負載,提高電壓增益;F007中的電流源電路六、電流源用作有源負載六、電流源用作有源負載目的：提高放大倍數(shù)目的：提高放大倍數(shù) 舉例說明：舉例說明：電壓放大倍數(shù) = RL / rbe (03.16)io/VVAvLcL/= RRR 當當Rc趨于無窮時，趨于無窮時，RL最大，此時電壓放大倍數(shù)最大，此時電壓放大倍數(shù)也最大也最大。圖4.2.10 有源負載共射放大電路返回返回圖4.2.11 有源負載差分放大電路

7、返回返回4.3 集成運放電路簡介 第一代產(chǎn)品:以A709為代表.開環(huán)增益為45000.缺點是內(nèi)部缺乏過流保護. 第二代產(chǎn)品:以A741為代表.開環(huán)增益約為10萬.缺點是輸入失調(diào)參數(shù)和共模抑制比不理想. 第三代產(chǎn)品:4E325、AD508等,采用 (=10005000)管,輸入失調(diào)和溫漂小. 第四代產(chǎn)品:5G7650、HA29000等.為高阻、高精度、低漂移型集成運放,性能已接近理想運放,圖4.3.1 F007電路原理圖5.5 運算放大器的符號和型號集成放大器的符號 按照國家標準符號如圖08.02所示。 (a) (b)圖08.02 模擬集成放大器的符號 (a) 國家標準符號 (b)原符號5.5.

8、1 運算放大器的主要參數(shù) 運算放大器的技術指標很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據(jù)運算放大器本身的特點而設立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運算放大器，對某些項技術指標有特殊要求的是各種特種運算放大器。一、運算放大器的主要參數(shù) 1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ：(open loop voltage gain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。 2.最大輸出電壓Uop-p: 最大輸出電壓是指在一定的電源電壓下,集成運放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值.如P007電源電壓為15V時的最大輸出電壓為10V,設Aod =100000,則輸出為

9、10V,按Aod=100000計算,輸出為10V時, 當Uid的峰-峰值超過0.1mV時,輸出恒為10V,運算放大器進入非線性工作狀態(tài).3.差模輸入電阻rid ：(input resistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。輸入級為雙極型管其輸入電阻為 , MOSFET為 .4.輸出電阻Ro: 輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的帶負載能力. 5.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)反映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力.定義為差模電壓增益 Aud 與共模電壓增益 Auc 之比，常用分貝數(shù)來表示。 KCMR=20lg(Aud / Au

10、c ) (dB)910510610 6.最大差模輸入電壓Uidmax 7.最大共模輸入電壓Uicmax (maximum differential mode input voltage)運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。(maximum common mode input voltage)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，放大器失去共模抑制能力。 8.輸入失調(diào)電壓UIO ：(input offset voltage)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。是表征運放

11、內(nèi)部電路對稱性的指標。 10.輸入失調(diào)電流 Iio ：(input offset current)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。 9.輸入偏置電流IIB ：(input bias current)運放兩個輸入端偏置電流的平均值， IIB=(IBP+IBN)/2, 用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。11.輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT12.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)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。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。 13. -3dB帶寬 fH 與

12、單位增益帶寬 fC ： fH是集成運放的開環(huán)增益下降3dB時的頻率.理想運放的fH為無窮大,實際的通用型集成運放fH比較低,一般為幾赫茲到幾十赫茲. fC為Aod下降至0 dB時的頻率.fC與 fH之間存在關系:增益帶寬積為: 14.轉(zhuǎn)換速率SR ：轉(zhuǎn)換速率是指在給定負載條件下,當輸入一個比較大的階躍電壓時,集成運放輸出電壓變化的最大速率,SR的單位為V/s.工作時,輸入電壓的變化率不應超過SR.SR高的集成運放,其高頻響應通常較好.HodCfAfHodfA 5.5.2 運算放大器傳輸特性和理想模型開環(huán)時,輸出電壓與輸入電壓之間的關系:)(UUAUAUodidodO5.5.2 運算放大器傳輸特

13、性和理想模型一、理想運算放大器的條件二、理想運算放大器的特性 滿足下列參數(shù)指標的運算放大器可以視為理想運算放大器。 1.差模電壓放大倍數(shù)Aud，實際上Aud80dB即可。 一、理想運算放大器的條件 2.差模輸入電阻Rid，實際上Rid比輸入端外電路的電阻大23個量級即可。 3.輸出電阻Ro0，實際上Ro比輸入端外電路的電阻小12個量級即可。 4.帶寬足夠?qū)挕?5.共模抑制比足夠大。 實際上在做一般原理性分析時，產(chǎn)品運算放大器都可以視為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術指標明顯下降即可。6.輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流及其溫度漂移為0. 理想運算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，

14、這兩個特性對分析線性運用的運放電路十分有用。為了保證線性運用，運放必須在閉環(huán)(負反饋）下工作。 二、 “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念的概念 (1)虛短 由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在10 V14 V。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當于 “短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。 (2)虛斷 由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算

15、放大器的輸入電阻都在1 M以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1 A，遠小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。 “虛斷”是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 三、分析運放電路的基本依據(jù)(1)運放工作在線性區(qū):(2)運放工作在非線性區(qū):UU0ii與UU時OmOUUUU時OmOUU四、集成運放的低頻等效電路 5.6 集成運放的使用一、使用前的準備工作:P118二、保護措施:1.輸入保護2.輸出保護3.電源端保護運算放大器外形圖運算放大器外形圖 通用型 高速型和

16、寬帶型 高精度(低漂移型） 高輸入阻抗型 低功耗型 功率型 為滿足實際使用中對為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的除性能指標比較適中的通通用型用型運放外，發(fā)展了適應運放外，發(fā)展了適應不同需要的專用型集成運不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術指標放。它們在某些技術指標上比較突出。上比較突出。 根據(jù)運算放大器的技根據(jù)運算放大器的技術指標可以對其進行分類，術指標可以對其進行分類，主要有通用、高速、寬帶、主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。功耗等幾種。6.5.4 運算放大器分類通 用 型 通用型運算放大器

17、的技術指標比較適中，價格低廉。通用型運放也經(jīng)過了幾代的演變，早期的通用型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741 (A741)為例，輸入失調(diào)電壓12 mV、輸入失調(diào)電流20 nA、差模輸入電阻2 M，開環(huán)增益100 dB、共模抑制比90 dB、輸出電阻75 、共模輸入電壓范圍13 V、轉(zhuǎn)換速率0.5 V/s。高速型和寬帶型 用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 sV/201=RSMHz20=BWGSRV/2200=SZHMH600fSRV/0018=SZMH8000BWGSRV/17=SSRV/05=SZMH63BWGZMH20BWG高精度(低漂移型） 用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。 例如： OP177 CF714 CpA/5 . 1ddCV/03. 0ddnA3 . 0V4IOIOIOIOTITVIVCpA/128ddCV/5 . 03 . 0ddnA8 . 04 . 0