第四章-集成運算放大電路

第四版童詩白第四章集成運算放大電路4.1集成運算放大電路概述4.2集成運放中的電流源電路4.3集成運放電路簡介4.5集成運放的種類及選擇4.4集成運放的指標(biāo)及低頻等效電路4.6集成運放大的使用4.1集成運算放大電路概述集成電路簡稱IC(IntegratedCircuit)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)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器等。集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式4.1.1集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點一.對稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。二.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，要在電路上另想辦法。三.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)。四.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。五.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤10。常采用復(fù)合管的形式。一、輸入級差分電路，大大減少溫漂。二、中間級采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。三、輸出級互補對稱電路，帶負(fù)載能力強四、偏置電路電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點。輸入級偏置電路中間級輸出級+uouid4.1.2集成運放電路的組成及其各部分的作用實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。圖4.1.1集成運算的基本組成4.1.3集成運放的電壓傳輸特性圖4.1.2集成運放的符號和電壓傳輸特性uO=f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN集成運放的兩個輸入端分別為同相輸入端uP和反向輸入端uN。電壓傳輸特性輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即uOuP-uN集成運放的工作區(qū)域線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓。+UOM-UOM4.2集成運放中的電流源電路集成運放電路中的晶體管和場效應(yīng)管除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)電流;或作為有源負(fù)載取代高阻值電阻，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。4.2.1基本電流源電路一、鏡像電流源(電流鏡CurrentMirror)+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基準(zhǔn)電流由于UBE1=UBE2，T1與T2參數(shù)基本相同，則IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以當(dāng)滿足>>2時，則圖4.2.1+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例電流源R1R2由圖可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，則忽略基極電流，可得兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。圖4.2.2比例電流源三、微電流源在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1ReRe引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1，即在Re值不大的情況下，得到一個比較小的輸出電流IC2。圖4.2.3微電流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本關(guān)系因二極管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。圖4.2.3微電流源4.2.4以電流源為有源負(fù)載的放大電路在集成運放中，常用電流源電路取代RC或Rd，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的等效RC或Rd的。晶體管和場效應(yīng)管是有源元件，又可作為負(fù)載，故稱為有源負(fù)載。一、有源負(fù)載共射放大電路1.電路圖2.靜態(tài)分析（求參考電流，略）3.動態(tài)分析TRb1Rb2rce2二、有源負(fù)載差分放大電路利用鏡像電流源可以使單端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出的情況。2.靜態(tài)分析1.電路圖3.動態(tài)分析放大電路采用差分輸入、單端輸出；工作電流由恒流源I決定；輸出電流io=ic4

-

ic2=2ic1

RcT1T2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+圖4.2.11有源負(fù)載差分放大電路4.3集成運放電路簡介典型的集成運放雙極型集成運放F007CMOS集成運放C14573一、引腳4.3.1雙極型集成運放F007F007的引腳及連接示意圖(a)(b)連接示意圖12348765二、電路原理圖圖4.3.1F007電路原理圖1.偏置電路+VCCT8-VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至輸入級至中間級基準(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4.3.1-1F007的偏置電路2.輸入級T1、T2、T3、T4組成共集-共基差分放大電路；T1、T2基極接收差分輸入信號。T5、T6有源負(fù)載；T4集電極送出單端輸出信號至中間級。uO

RW調(diào)零電阻，R外接電阻。T7與R2組成射極輸出器。+VCC-VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9圖4.3.1-2uI2uI1若暫不考慮T7和調(diào)零電路則電路可簡化為：+VCC-VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1).T1、T2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。(2).共基組態(tài)的T3、T4，與有源負(fù)載T5、T6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。(3).T3、T4共基接法能改善頻率響應(yīng)。(4).該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。圖4.3.1.2簡化示意圖3.中間級圖4.3.1-3中間級示意圖+VCC-VEET15T16IC13R7T17R830pF輸入來自T4和T6集電極；輸出接在輸出級的兩個互補對稱放大管的基極。中間級T16、T17組成復(fù)合管，T13作為其有源負(fù)載。8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。4.輸出級IC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2圖4.3.1-4F007輸出級原理電路

T14、T18、T19準(zhǔn)互補對稱電路；

D1、D2、R9、R10

過載保護(hù)電路；T15、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流。調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE倍增電路。4.4集成運放的性能指標(biāo)及低頻等效電路一、開環(huán)差模電壓增益Aod一般用對數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無窮大；實際情況Aod為100~140dB。4.4.1集成運放的主要性能指標(biāo)二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。一般運放：UIO為1~10mV；高質(zhì)量運放：UIO為1mV以下。定義：一般運放為每度10~20V；高質(zhì)量運放低于每度0.5V以下；四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當(dāng)輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即定義：一般運放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運放在80dB以上，高質(zhì)量的可達(dá)160dB。九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod下降3dB時的頻率。一般集成運放fH只有幾赫至幾千赫。十二、單位增益帶寬

fc

Aod降至0dB時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR額定負(fù)載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的SR值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。4.4.2集成運放的低頻等效電路考慮各種失調(diào)因素時等效電路圖不考慮各種失調(diào)因素的電路圖4.5集成運放的種類及選擇4.5.1集成運放的發(fā)展概況4.5.2集成運放的種類一、按工作原理分類1.電壓放大型F007、F3242.電流放大型LM3900、F19003.跨導(dǎo)型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD8011二、按可控性分類1.可變增益運放2.選通運放1.高精度型性能特點：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型性能特點：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個數(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。（TLC2552）三、按性能指標(biāo)分類3.高阻型性能特點：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。（F3130）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：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。（F3554）5.高壓型性能特點：輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。6.大功率型性能特點：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。4.5.3運放的選擇（略）4.6集成運放的使用一、集成運放的外引線（管腳）二、參數(shù)測量4.6.1使用時必做的工作三、調(diào)零或調(diào)整偏置電壓四、消除自激振蕩4.6.2保護(hù)措施一、輸入保護(hù)(a)防止輸入差模信號幅值過大(b)防止輸入共模信號幅值過大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件uO+AR1RFD1D2uI保護(hù)元件圖4.6.1輸入保護(hù)措施二、電源極性錯接保護(hù)保護(hù)元件：D1、D2三、輸出端錯接保護(hù)保護(hù)元件：穩(wěn)壓