2010秋《低頻電子線路》19集成運(yùn)放內(nèi)部電路和性能指標(biāo)

?低頻電子線路?(19)山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院劉志軍1/12/20231上節(jié)課運(yùn)放的功放級(jí)功率放大器1/12/20232本次課6.5集成運(yùn)放電路舉例6.7集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)〔包括2.5.3有限的壓擺率〕1/12/20233集成運(yùn)放的特點(diǎn)及構(gòu)成以具有代表意義的通用型模擬集成運(yùn)算放大器為例。介紹通用型模擬集成運(yùn)算的結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用、特點(diǎn)等。1/12/20234模擬集成電路特點(diǎn)從制造工藝來看：采用直接耦合的電路結(jié)構(gòu)〔不宜做大電容和電感〕；輸入級(jí)〔及其它〕常用差動(dòng)電路〔利用對(duì)稱性做補(bǔ)償〕；大量采用恒流源電路〔做偏置和有源負(fù)載〕，做晶體管比做電阻等元件還容易。也常常采用組合電路形式。1/12/20235集成電路的優(yōu)點(diǎn)

有體積小、功耗小、功能強(qiáng)、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，故得到廣泛應(yīng)用開展。1/12/20236集成運(yùn)放的組成框圖

集成運(yùn)放一般由四局部組成

輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路1/12/20237運(yùn)放框圖介紹輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置級(jí)1/12/20238輸入級(jí)特點(diǎn)一般采用差動(dòng)電路〔對(duì)稱性、抑制溫漂和噪聲〕。這是芯片性能好壞的關(guān)鍵。

1/12/20239中間級(jí)特點(diǎn)一般采用復(fù)合管和帶有源負(fù)載的共射放大電路。主要為獲得電壓增益，起到主要的放大作用。1/12/202310輸出級(jí)特點(diǎn)主要考慮功率輸出〔帶載能力強(qiáng)〕和過載保護(hù)。

1/12/202311偏置級(jí)特點(diǎn)為各級(jí)提供適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)〔往往采用各種電流源〕保證各級(jí)能夠穩(wěn)定工作。1/12/2023126.5

集成運(yùn)放電路舉例將以通用型集成運(yùn)放為例，介紹模擬集成電路的構(gòu)造、特點(diǎn)、性能技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用。具體介紹μA741〔F007、5G24等型號(hào)均為此管〕。1/12/202313集成運(yùn)放組成框圖中間級(jí)輸出級(jí)偏置級(jí)輸入級(jí)1/12/202314〔1〕μA741特點(diǎn)雙極集成工藝第二代產(chǎn)品〔比較成熟〕通用型經(jīng)典產(chǎn)品

1/12/202315主要缺點(diǎn)帶寬很窄，頻率特性差。只能用于低頻〔頻率很低〕的信號(hào)。1/12/202316〔2〕內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理集成運(yùn)放內(nèi)部電路，一般分為以上提到的四局部。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：大量采用電流源電路〔有源負(fù)載，穩(wěn)定偏置〕。

1/12/202317集成運(yùn)放內(nèi)部電路圖見書P140、圖1/12/202318①輸入級(jí)分析輸入級(jí)為差動(dòng)組合放大器；管子：VT1～VT8；主要任務(wù)：輸入阻抗高，共模抑制。1/12/202319輸入級(jí)分析VT1、VT3和VT2、VT4，共集—共基〔CC—CB〕差放組合電路。其中VT1、VT3縱向NPN管，CC電路，可提高輸入阻抗，β值大。VT2、VT4橫向PNP管，CB電路，有利提高差模輸入電壓。

1/12/202320輸入級(jí)分析VT5、VT6、VT7為比例電流源。組成差放的有源負(fù)載，可提高增益〔單端輸出相當(dāng)雙端輸出〕。完成雙端—單端化輸出轉(zhuǎn)換。同時(shí)具有共模擬制作用。1/12/202321輸入級(jí)分析

1/12/202322②中間級(jí)分析主要性能是通過放大而獲得增益。主要由VT16和VT17組成可接成復(fù)合管形式〔注意電路圖有誤〕。VT13A〔多集電極電流源〕做有源負(fù)載提高增益1/12/202323電路圖1/12/202324③

輸出級(jí)分析由VT23〔多發(fā)射極〕是功放推動(dòng)級(jí),為CC電路，VT13B是有源負(fù)載；VT14、VT20是互補(bǔ)對(duì)稱功放級(jí)〔實(shí)際是射隨器〕。以上共同組成帶推動(dòng)級(jí)的功放電路。請(qǐng)問：功放級(jí)是OTL還是OCL？注意：“互補(bǔ)〞指NPN、PNP類型互補(bǔ)，是兩個(gè)CC〔射隨器〕，“對(duì)稱〞指兩個(gè)管子參數(shù)一致。

1/12/202325電路圖1/12/202326保護(hù)電路工作原理R9、VT15組成限流保護(hù)電路。當(dāng)正向電流過大時(shí)，保護(hù)功放輸出管。R9為例說明保護(hù)時(shí)VT15由截止到導(dǎo)通。

1/12/202327電路圖1/12/202328保護(hù)電路分析R10

截流保護(hù)。負(fù)向電流大時(shí)，R10壓降大，使VT21導(dǎo)通，同時(shí)使VT24、VT22均導(dǎo)通，從而降低VT16、VT17基極電壓，使Vc17電位和Ve23上升，使VT20的基極電位抬高，使管子截止。因此是截流保護(hù)。1/12/202329電路圖1/12/202330保護(hù)電路分析推動(dòng)管保護(hù)〔VT16、VT17〕VT23的發(fā)射級(jí)之一，對(duì)此管也有過流保護(hù)作用。當(dāng)VT16基流過大時(shí)，會(huì)使VT17飽和；UB23↓—UE23↓，由連線可分流一局部IB16電流；因而是過流保護(hù)。

1/12/202331電路圖1/12/202332④偏置電路偏置電路主要依托電流源起作用。偏置電路有哪些電流源?1/12/202333電流源看電路圖分析，請(qǐng)問?找一找,該芯片電路包括幾套電流源？分別屬于什么電流源？1/12/202334電路圖1/12/202335偏置電路分析VT10、VT11是參考電流源〔微電流源〕。提供全局的基準(zhǔn)電流

改變R5，可進(jìn)行調(diào)整基準(zhǔn)和整機(jī)電流大小。

1/12/202336偏置電路分析VT8、VT9組成鏡像電流源〔由VT10帶動(dòng)，給差動(dòng)輸入級(jí)做偏置供電〕。VT5、VT6組成比例電流源，做差放級(jí)的有源負(fù)載。1/12/202337偏置電路分析VT12、VT13〔由VT11帶動(dòng)〕組成鏡像源，為多輸出電流源。分別為中間級(jí)〔做VT17的有源負(fù)載〕和輸出級(jí)〔供給VT14、VT20〕兩處供電。

1/12/202338電路圖1/12/202339UBE擴(kuò)展電路由VT18、VT19、R8組成。用于消除功放輸出的交越失真。1/12/202340電路圖1/12/202341

補(bǔ)償電容C1為補(bǔ)償電容〔頻率補(bǔ)償〕，是密勒電容補(bǔ)償。防止自激。1/12/202342電路圖1/12/202343靜態(tài)分析整個(gè)電路應(yīng)該保持靜態(tài)平衡〔零輸入時(shí)零輸出〕。VT5、VT6可外接調(diào)零電路〔RP〕。一個(gè)好的運(yùn)放器件，應(yīng)該無需調(diào)零。1/12/202344F007管腳和電源注意管腳位置和電源位置。2314567+15V-15V+_1/12/202345電路圖1/12/202346動(dòng)態(tài)分析自行判斷信號(hào)流向〔從輸入到輸出的信號(hào)流通路徑〕?？梢允褂秒娐方M態(tài)〔哪進(jìn)哪出〕的方法。1/12/202347F007電路原理圖(本書〕1/12/2023486.7

集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流IIO以及失調(diào)的溫漂〔dIio/Dt，dIio/dT〕輸入偏置電流IiB開環(huán)差模電壓增益Aud共模擬制比KCMR差模輸入阻抗Rid共模輸入阻抗Ric輸出電阻Ro輸入電壓范圍〔Udm、Ucm〕帶寬BW轉(zhuǎn)換速率〔壓擺率〕SR靜態(tài)功耗Pc1/12/202349輸入失調(diào)電壓VIO和輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)反映制造中電路的對(duì)稱程度〔UBE〕和電位配合性能好壞。參數(shù)值越小越好〔1μv～20mv之間〕

1/12/202350輸入偏置電流IIB反映差分對(duì)管β1和β2大小，一般在nA～uA量級(jí)。

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輸入失調(diào)電流IIO及溫度系數(shù)反映β1、β2的對(duì)稱程度，和IIB有關(guān)。1/12/202352差模開環(huán)電壓增益Aud表示運(yùn)放放大能力，一般在80~180dB。1/12/202353

共模抑制比KCMR表示運(yùn)放共模擬制能力，一般大于100dB,有的達(dá)180dB.

1/12/202354最大差模輸入電壓差模輸入時(shí)，輸入端所能承受的最大輸入電壓值。1/12/202355最大共模輸入電壓接成電壓比較器時(shí)，產(chǎn)生1%跟隨誤差時(shí)的輸入電壓值?；蚨xKCMR下降6dB時(shí)所加共模電壓值。一般在幾伏～幾十伏。1/12/202356集成運(yùn)放主要頻率參數(shù)開環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬GBW〔小信號(hào)時(shí)〕轉(zhuǎn)換速率/壓擺率SR〔大信號(hào)時(shí)〕建立時(shí)間tset差模和共模輸入阻抗1/12/202357差模和共模入阻同差放參數(shù)含義。

1/12/202358開環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬GBW

在小信號(hào)時(shí)衡量。是對(duì)器件增益和頻率特性的綜合衡量。1/12/202359建立時(shí)間tset在運(yùn)放閉環(huán)電壓增益為1，規(guī)定負(fù)載并輸入階越大信號(hào)條件下，運(yùn)放輸出電壓到達(dá)某一特定值范圍所需時(shí)間。1/12/202360轉(zhuǎn)換速率/壓擺率SR〔見P62〕指在大信號(hào)時(shí)的反響速度。反映運(yùn)放輸出對(duì)高速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)情況。一般接成跟隨器形式進(jìn)行測(cè)試。SR大說明運(yùn)放高頻特性好。1/12/202361μA741典型參數(shù)見書P145

1/12/202362特殊型集成運(yùn)放簡(jiǎn)介通用型——指運(yùn)放一般指標(biāo)比較均衡。特殊型——指運(yùn)放某些指標(biāo)特別優(yōu)越。如高入阻、高精度、微功耗、低噪聲、寬帶、高速、高壓、大功率等類型。

1/12/202363集成運(yùn)放的選擇應(yīng)用〔1〕如沒有特殊要求或一般應(yīng)用，那么選用通用性集成運(yùn)放系列即可，如741、324系列。1/12/202364集成運(yùn)放的選擇應(yīng)用〔2〕如系統(tǒng)要求精密、溫漂小、噪聲干擾低，那么選擇高精度、低漂移、低噪聲的集成運(yùn)放。如對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)、精密測(cè)量等自動(dòng)化儀表或高精度穩(wěn)壓電源方面的應(yīng)用。1/12/202365集成運(yùn)放的選擇應(yīng)用〔3〕如運(yùn)放要求輸入阻抗高、輸入偏流小，那么要選擇高輸入阻抗的集成運(yùn)放。常用于取樣/保持、峰值檢波、高質(zhì)量積分器、光電檢測(cè)等應(yīng)用電路中。1/12/202366集成運(yùn)放的選擇應(yīng)用〔4〕假設(shè)系統(tǒng)對(duì)功耗有嚴(yán)格要求，那么要選擇低功耗集成運(yùn)放。1/12/202367集成運(yùn)放的選擇應(yīng)用〔5〕假設(shè)系統(tǒng)工作頻率高，或信號(hào)為窄脈沖，那么要選擇寬帶、高速集成運(yùn)放電路。1/12/2023681/12/2023691/12/202370運(yùn)放的選擇見P65表2.5.2