模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件 第6章 集成運(yùn)算放大器

第6章集成運(yùn)算放大器6.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及組成

6.2集成運(yùn)算放大器的單元電路

6.3典型集成運(yùn)算放大器介紹

電氣與電子工程學(xué)院6.4集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)6.5集成運(yùn)算放大器的工作特性6.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

6.1.2集成運(yùn)算放大器的組成6.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及組成

集成電路是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體器件，它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及連接線同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，實(shí)現(xiàn)了材料、元件和電路的統(tǒng)一。因此它的密度高、引線短，外部接線大為減少，從而提高了電子設(shè)備的可靠性和靈活性。

6.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及組成

集成電路簡稱IC(IntegratedCircuit)集成運(yùn)算放大器可簡稱為集成運(yùn)放，是一種具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路，因最初被用于模擬運(yùn)算中，故名運(yùn)算放大電路。目前，它的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了原來“運(yùn)算放大”的應(yīng)用范圍。

集成電路按其功能分?jǐn)?shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路類型集成運(yùn)算放大器；集成功率放大器；集成高頻放大器；集成中頻放大器；集成比較器；集成乘法器；集成穩(wěn)壓器；集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等。當(dāng)前，我國產(chǎn)量最大的是通用型集成運(yùn)算放大器，其次是專用型運(yùn)算放大器，專用型運(yùn)算放大器有高速型、高輸入電阻型、低漂移型、低功耗型以及高壓型等。

集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式1.對稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。2.集成電路中電阻，其阻值范圍一般在幾十歐到幾十千歐之間，如需高阻值電阻時(shí)，要在電路上另想辦法。3.在芯片上制作三極管比較方便，常常用三極管代替電阻(特別是大電阻)。4.在芯片上制作比較大的電容和電感非常困難，電路通常采用直接耦合電路方式。6.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

6.大量使用晶體管作有源器件。

7.集成電路的芯片面積小，集成度高，各個(gè)元器件工作電流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在毫瓦以下。

5.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤10。向各放大級提供合適的偏置電流克服零點(diǎn)漂移提供負(fù)載所需功率及效率提供電壓放大倍數(shù)輸入級中間級輸出級偏置電路集成運(yùn)放的基本組成6.1.2集成運(yùn)算放大器的組成電氣與電子工程學(xué)院

輸入級對整個(gè)運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)影響較大，通常采用差動(dòng)放大器，以減小零點(diǎn)漂移；

中間放大級主要完成電壓放大任務(wù)，要求有高的電壓增益，一般采用帶有源負(fù)載的共射極電壓放大器；

輸出級的任務(wù)是進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，一般采用互補(bǔ)對稱的功率放大器；偏置電路主要為各級放大器提供合適的靜態(tài)工作電流，它與分立元件的偏置電路有較大區(qū)別。

6.2集成運(yùn)算放大器的單元電路

6.2.1差動(dòng)放大電路6.2.2電流源電路6.2.3采用復(fù)合管和有源負(fù)載的中間放大級6.2.4輸出級中的過載保護(hù)電路6.2.1差動(dòng)放大電路

抑制零點(diǎn)漂移，特別是抑制第一級的零點(diǎn)漂移尤為重要。為了抑制零點(diǎn)漂移，可以采用差動(dòng)放大電路。1.差動(dòng)放大電路的基本形式

uo=（UCQ1+ΔUCQ1）-（UCQ2+ΔUCQ2）=0

（1）零點(diǎn)漂移的抑制

當(dāng)溫度變化時(shí)，兩管參數(shù)發(fā)生變化，引起兩管的各級電流電位均發(fā)生變化，但由于電路的對稱性其變化量一定相等，即ΔICQ1=ΔICQ2ΔUCQ1=ΔU

CQ2雖然每個(gè)管都產(chǎn)生了零點(diǎn)漂移，但是，由于兩集電極電位的變化是相互抵消的，所以輸出電壓依然為零，此時(shí)差模輸入：共模輸入：比較輸入：+VCCRc+VT1VT2Rb2RcRb2~~++uId+uoRb1Rb1（2）信號輸入方式

對于任意一對比較信號，均可看成是一對共模信號和一對差模信號的疊加，如對于ui1=3mV=5mV-2mVui2=7mV=5mV+2mV可以看成是一對5mV的共模信號和一對2mV的差模信號。

電氣與電子工程學(xué)院存在問題

1.電路完全對稱僅是一個(gè)理想情況，實(shí)際上理想對稱是不存在的。

2.若負(fù)載需一端接地，只能由一個(gè)集電極輸出，這時(shí)，零點(diǎn)漂移就無法抑制了。長尾式差動(dòng)放大電路也是一種典型差動(dòng)放大電路。與基本形式電路比較，多了電位器RP、發(fā)射極電阻Re和負(fù)電源EE

。負(fù)電源EE提供管子的偏流IB，故去掉了Rb2。2.長尾式差動(dòng)放大電路

Re稱為共模抑制電阻，Re數(shù)值愈大，對共模信號（即零點(diǎn)漂移）的抑制能力就愈強(qiáng)。

長尾式差動(dòng)放大電路

因?yàn)殡娐吠耆珜ΨQ是理想狀況，實(shí)際上，當(dāng)輸入的兩端接“地”時(shí)，輸出電壓不一定等于零，這就需要調(diào)零。RP就是用來調(diào)零的，故稱為調(diào)零電位器。如圖所示電路中，RP接到三極管的發(fā)射極，故稱為發(fā)射極調(diào)零。（1）靜態(tài)分析

單管直流通路由基極回路不難列出IBQRb+UBEQ+2IEQRe=EE上式中前兩項(xiàng)一般遠(yuǎn)小于第三項(xiàng)，故可略去，則每管集電極電流ICQ≈IEQ≈

IBQ=晶體管發(fā)射極電位

U

EQ≈0雙端輸入—雙端輸出的差動(dòng)放大電路由于輸入電路的對稱性，每只管子的輸入端分得的電壓各為ui的一半，但極性相反，即（2）動(dòng)態(tài)分析

ui1=ui/2ui2=–ui/2顯然，是一對差模信號。單管差模信號交流通路由圖可得出單管差模電壓放大倍數(shù)：

雙端輸入—雙端輸出差動(dòng)電路的差模電壓放大倍數(shù)為

與單管的電壓放大倍數(shù)相同?？梢?，差動(dòng)電路是為了抑制零點(diǎn)漂移，利用一只管子補(bǔ)償了另一只管子，放大倍數(shù)沒有提高。差模輸入電阻為差模輸出電阻為電氣與電子工程學(xué)院帶負(fù)載時(shí)，RL的中點(diǎn)即為“地”，所以等效負(fù)載電阻電壓放大倍數(shù)為雙端輸入—單端輸出差動(dòng)電路的差模電壓放大倍數(shù)為

圖6.2.6單端輸入—單端輸出的差動(dòng)放大電路既然是單端輸入，那么另一只管子還能取得信號嗎？每只管子取得多大的信號呢？Re斷路時(shí)單端輸入的等效輸入電路

可見對稱條件下，ui的一半加在VT1的輸入端，另一半加在VT2的輸入端，兩者極性相反，即也就是說，只要共模反饋電阻Re足夠大時(shí)，兩管所取得的信號就可以認(rèn)為是一對差模信號，即單端輸入和雙端輸入的效果一樣。

對于差動(dòng)放大電路來說，差模信號是有用信號，對差模信號應(yīng)有較大的放大倍數(shù)，而對共模信號則放大倍數(shù)愈小愈好，愈小說明對零點(diǎn)漂移的抑制能力就愈強(qiáng)。實(shí)際上對共模信號也有一定的放大倍數(shù)，特別是單端輸出情況，設(shè)輸入的共模信號為uiC時(shí)，輸出電壓為uOC，則共模放大倍數(shù)為

（3）共模抑制比KCMRR

差模電壓放大倍數(shù)Aud與共模電壓放大倍數(shù)Auc之比，稱為差動(dòng)放大電路的共模抑制比，用KCMRR表示，即對數(shù)形式表示：

共模抑制比可以視為有用的信號和干擾信號的對比。共模抑制比越大，差動(dòng)放大電路分辨所需要的差模信號的能力越強(qiáng)，而受共模信號的影響越小。（4）帶恒流源的長尾式差動(dòng)放大電路

圖中VT3管和電阻組成了三極管電流源。這種帶恒流源的差動(dòng)放大電路，比前面介紹的電路具有更高的共模抑制比。

用三極管代替“長尾式”電路的長尾電阻，即構(gòu)成恒流源式差分放大電路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31)電路組成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2基本上不隨溫度的變化而變化，從而抑制共模信號的變化。圖4.2.13恒流源式差分放大電路結(jié)論

(1)雙端輸出時(shí)，Ad與單管Au基本相同；單端輸出時(shí)，Ad約為雙端輸出時(shí)的一半。雙端輸出時(shí)，Ro=2Rc；單端輸出時(shí)，Ro=Rc。

(2)雙端輸出時(shí)，理想情況下，KCMR

→

；單端輸出時(shí)，共模抑制比不如雙端輸出高。

(3)單端輸出時(shí)，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。

(4)單端輸出時(shí)，由于引入很強(qiáng)的共模負(fù)反饋，兩個(gè)管子仍基本工作在差分狀態(tài)。

(5)單端輸出時(shí)，Rid

2(R+rbe)。差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出AdKCMR很高很高較高較高RidRo差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出特性1.Ad與單管放大電路基本相同。2.在理想情況下，KCMR∞。3.適用于差分輸入、雙端輸出，輸入信號及負(fù)載的兩端均不接地的情況。1.Ad約為雙端輸出時(shí)的一半。2.由于引入共模負(fù)反饋，仍有較高的KCMR。3.適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。1.Ad與單管放大電路基本相同。2.在理想情況下，KCMR∞。3.適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出。1.Ad約為雙端輸出時(shí)的一半。2.比單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。3.適用于輸入、輸出均要求接地的情況。4.選擇不同管子輸出，可使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。6.2.2電流源電路1.鏡像電流源

圖6.2.11鏡像電流源圖中可以看出，基準(zhǔn)電流為

輸出電流與基準(zhǔn)電流相等，我們把輸出電流看作是基準(zhǔn)電流的鏡像，故稱為鏡像電流源。

由于UBE1=UBE2，VT1與VT2

參數(shù)基本相同，則從因?yàn)楦鞴艿腢BE相同，則

各支路電流IC1,IC2,IC3僅取決于IREF和各電阻的比值，具有很好的恒流特性。改變各射極電阻，可獲得不同比例的電流輸出。2.比例電流源

在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1，即在Re值不大的情況下，得到一個(gè)比較小的輸出電流IC2

。微電流源3.微電流源

引入了電流負(fù)反饋，所以提高了輸出電阻，增強(qiáng)了輸出電流。4.威爾遜（Wilson）電流源

威爾遜電流源與鏡像電流源比較，多采用了一個(gè)三極管，提高了與基準(zhǔn)電流相等的精度，同時(shí)因?yàn)橐肓穗娏髫?fù)反饋，所以提高了輸出電阻，穩(wěn)定了輸出電流，具有很好的恒流特性。電流的自動(dòng)穩(wěn)定過程如下：6.2.3采用復(fù)合管和有源負(fù)載的中間放大級

三極管VT1和VT2構(gòu)成復(fù)合管，復(fù)合的，從而電壓增益和輸入電阻都比較大。

而三極管VT3和VT4構(gòu)成鏡像電流源，其電流作為復(fù)合管的集電極有源負(fù)載，進(jìn)一步提高中間級的電壓增益。

要求：本身具有較高的電壓增益；具有較高的輸入電阻；能向輸出級提供較大的推動(dòng)電流。二極管保護(hù)電路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVD3VD4Re1Re2保護(hù)元件：VD3、VD4、Re1、Re2。輸出電流正常，VD3、VD4截止，保護(hù)不起作用；若VT1正向IC1，URe1

，VD3導(dǎo)通，IB1，IC1。輸出電流無法增大，保護(hù)功率管VT1。若VT2反向電流IC2，URe2

，VD4導(dǎo)通，IB2，IC2。避免VT2電流過大。6.2.4輸出級中的過載保護(hù)電路三極管保護(hù)電路Rb1Rb2uo+VCCVT2RL-VCCVD1VD2VT1uIVT3VT4Re1Re2保護(hù)元件：工作原理與二極管保護(hù)原理類似。VT3、VT4、Re1、Re2。Re愈大，則IEm愈?。粶囟壬?，UD、UBE降低，Iem減小。更有利于保護(hù)在高溫下的集成運(yùn)放。6.3典型集成運(yùn)算放大器介紹6.3.1BJT通用型集成運(yùn)算放大器μA741

6.3典型集成運(yùn)算放大器介紹6.3.1BJT通用型集成運(yùn)算放大器μA741

7VCC+15VVT1VT2R2VT8

VT9VT12VT13VT14VT3VT4VT7VT5VT6VT15VT16VT18VT10VT11VT17VT19VT20R3R1R7R4R5R8R10R9R12R1150kΩ1kΩ1kΩ7.5kΩ4.5kΩ50kΩ5kΩ50Ω39kΩ50Ω25ΩC130pF35214-VEE-15V6電路原理圖F007電路原理圖1.偏置電路基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。各路偏置電流的關(guān)系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級鏡像電流源中間級輸出級圖6.3.2μA741的電流源電路

VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至輸入級至中間級VT8

VT9VT12VT13VT10VT11R4R5+VCCI8IC9IC10IC13IREFI3,4-VEE至輸入級至中間級橫向VT8、VT9組成鏡像電流源產(chǎn)生I8，決定輸入級VT1、VT2的集電極電流。所以輸入級工作在弱電流狀態(tài)，而且電流比較穩(wěn)定。橫向VT12、VT13組成另一組鏡像電流源，產(chǎn)生IC13，提供中間級放大管VT16、VT17的靜態(tài)電流。VT11、VT10和R4組成微電流源，由IC10提供VT9的集電極電流IC9和VT3、VT4的基流I3,4。2.輸入級VT1、VT2、VT3、VT4組成共集-共基差分放大電路電路；VT1、VT2基極接收差分輸入信號。VT5、VT6有源負(fù)載；VT4集電極送出單端輸出信號至中間級。uI2uO

RP調(diào)零電阻，R外接電阻。VT7與R2組成射極輸出器。+VCC-VEEVT6R1I3,4IC10IC9R2R3RRPVT4VT2VT7VT5VT3VT1VT8VT9uI由VT1、VT2、VT3和VT4組成共集-共基差分放大電路，VT5和VT6構(gòu)成有源負(fù)載，代替電阻Rc。差分輸入信號由VT1、VT2的基極送入，從VT4的集電極送出單端輸出信號至中間級。VT1VT2VT3VT4RcRc+VCC-VEEuI1uI2uOI8I3,4

RP調(diào)零電阻，R外接電阻。若暫不考慮VT7和調(diào)零電路則電路可簡化為：3.中間級中間級電路的輸入信號來自輸入級VT4和VT6的集電極，輸出端接到輸出級兩個(gè)互補(bǔ)對稱放大管的輸入端。中間級由VT16、VT17組成的復(fù)合管充當(dāng)放大管，組成單管共射放大電路，VT13作為其有源負(fù)載。所以中間級不僅能夠提供很高的電壓放大倍數(shù)，而且具有很高的輸入電阻，避免降低前級的電壓放大倍數(shù)。為了防止產(chǎn)生自激振蕩，在中間級放大管的基極和集電極之間接入一個(gè)30μF的校正電容。4.輸出級輸出級由NPN三極管VT14和PNP三極管VT20組成互補(bǔ)對稱電路。VT19的作用是實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。三極管VT15和電阻R7、R8的作用是為功率管提供靜態(tài)基極電流，使電路工作在甲乙類狀態(tài)，以減小交越失真。在實(shí)際的互補(bǔ)對稱功率輸出級電路中，兩個(gè)功率管基極之間的電壓差常常需要根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。LM741原理電路中，兩個(gè)功率管基極之間的電壓即是UCE15。如果忽略VT15的基流，這種電路稱為UBE擴(kuò)大電路圖6.3.3μA741的外引線排列圖

通用型集成運(yùn)放μA741有圓殼式和雙列直插式兩種外形，它有8個(gè)外引腳，外引線排列圖如圖6.3.3所示。

其中8個(gè)管腳中有7個(gè)與外電路相連，第8管腳為空腳，外接調(diào)零電位器（通常為10KΩ）的兩個(gè)端子接1和5管腳，中間抽頭接第4腳，2腳為反向輸入端，3腳為同向輸入端，6腳為輸出端，7腳為正電源端，4腳為負(fù)電源端。

運(yùn)算放大器外形圖6.3.2各類集成運(yùn)放的性能特點(diǎn)1.高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。2.低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個(gè)數(shù)量級(不超過毫瓦級)，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。3.高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達(dá)1012

。高阻型運(yùn)放可用在測量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。4.高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)1000V/s，單位增益帶寬可達(dá)10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點(diǎn)：常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。5.高壓型性能特點(diǎn)：輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。6.大功率型性能特點(diǎn)：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。6.3.3集成運(yùn)放使用中的幾個(gè)具體問題6.3.3.1使用中可能出現(xiàn)的異常現(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因2.漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動(dòng)端接觸不良集成運(yùn)放本身損壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯(cuò)避免負(fù)反饋過強(qiáng)合理安排接線，防止雜散電容過大6.3.3.2

集成運(yùn)放的保護(hù)1.輸入保護(hù)(a)反相輸入保護(hù)(b)同相輸入保護(hù)+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件uO+AR1RFVD1VD2uI保護(hù)元件輸入保護(hù)2.電源極性錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：VD1、VD23.輸出端錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：穩(wěn)壓管VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI利用穩(wěn)壓管保護(hù)運(yùn)放電源接錯(cuò)保護(hù)4.輸出限流保護(hù)+AVT1VT2VEER2R3R4R1VT4R5VT3+VCCC1C1C2保護(hù)元件：VT1、VT2(b)保護(hù)管工作特性正常工作時(shí)工作點(diǎn)在

A；工作電流過大，工作點(diǎn)經(jīng)B移到C或D點(diǎn)。(a)電路圖BCDAICUCEO輸出限流保護(hù)6.4集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

6.4.1直流性能指標(biāo)6.4.2差模小信號性能指標(biāo)6.4.3大信號工作的性能指標(biāo)6.4.4電源性能指標(biāo)6.4.1直流性能指標(biāo)1．輸入失調(diào)電壓Uio

Uio的大小反應(yīng)了差放輸入極的不對稱程度，顯然其值越小越好，一般為幾個(gè)毫伏，高質(zhì)量的在1mV以下。2．輸入失調(diào)電壓溫漂dUio/dT

指溫度每變化單位值時(shí)引起輸入失調(diào)電壓變化量的多少。它衡量了輸入失調(diào)電壓的溫漂特性。3．輸入失調(diào)電流Iio

輸入失調(diào)電流是輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流之差。

4．輸入偏置電流IiB

輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入靜態(tài)電流的平均值，稱為輸入偏置電流5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT

6.4.2差模小信號性能指標(biāo)1．開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod（開環(huán)差模增益）Aod一般約為104～107，即80～140dB。高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。2．差模輸入電阻rid

一般為幾十千