集成運(yùn)算放大電路

第4章集成運(yùn)算放大電路運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)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(yīng)用于各種電子電路之中。運(yùn)算放大器外形圖§4.1

概述一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)二、集成運(yùn)放電路的組成三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性

一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大電路和電流源電路。（2）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐返膹?fù)雜化并不帶來(lái)工藝的復(fù)雜性。（3）用有源元件替代無(wú)源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。（4）采用復(fù)合管。

集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的直接耦合多級(jí)放大電路。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算，故而得名。二、集成運(yùn)放電路的組成兩個(gè)輸入端一個(gè)輸出端

若將集成運(yùn)放看成為一個(gè)“黑盒子”，則可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。集成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小，輸入端耐壓高。中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠的放大能力。輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源電路。幾代產(chǎn)品中輸入級(jí)的變化最大！三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性

由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓(uP－uN)的數(shù)值僅為幾十～一百多微伏。在線性區(qū)：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。非線性區(qū)

(uP－uN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。uO=f(uP-uN)4.2.集成運(yùn)放中的電流源電路(1)電流源電路是一個(gè)電流負(fù)反饋電路，并利用PN結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對(duì)電流的影響。(2)電流源電路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，這對(duì)直接耦合放大器是十分重要的。

(3)用電流源做有源負(fù)載，可獲得增益高、動(dòng)態(tài)范圍大的特性。(4)用電流源給電容充電，以獲得線性電壓輸出。(5)電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。(6)在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡像電流源、比例電流源、微電流源、多路電流源等。4.2.1基本電流源電路

一、鏡像電流源三極管T1、T2匹配，則,BE2BE1BE21VVV====bbb鏡像電流源鏡像電流源電路如圖所示，它的特點(diǎn)是工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡像(電流相等）。恒流特性無(wú)論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。（三極管工作狀態(tài)）**二比例電流源

在鏡像電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。**三、微電流源設(shè)計(jì)過(guò)程很簡(jiǎn)單，首先確定IE0和IE1，然后選定R和Re。超越方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。4.2.2改進(jìn)型電流源電路

精密鏡像電流源和普通鏡象電流源相比，其精度提高了倍。電路如圖所示。

由于有T2存在，IB2和將比鏡像電流源的2IB小。因此IC1和IR更加接近。一、加射級(jí)輸出器的電流源

整理后可得**二、威爾遜電流源IcoIRIcIe2Ic2注意電流方向4.2.3多電流源通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)電流源穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流，即可構(gòu)成多路電流源。圖中一個(gè)基準(zhǔn)電流IREF可獲得多個(gè)恒定電流IC2、IC3。

根據(jù)所需靜態(tài)電流，來(lái)選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。4.2.4以電流源作有源負(fù)載的放大電路①哪只管子為放大管？②其集電結(jié)靜態(tài)電流約為多少？③靜態(tài)時(shí)UIQ為多少？④為什么要考慮

h22?一.

有源負(fù)載共射放大電路二、有源負(fù)載差分放大電路①電路的輸入、輸出方式？②如何設(shè)置靜態(tài)電流？③靜態(tài)時(shí)iO約為多少？④動(dòng)態(tài)時(shí)ΔiO約為多少？

使單端輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。靜態(tài)：動(dòng)態(tài)：4.3集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介

ri

高:幾十k

幾百k運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMRR很大

ro

小：幾十

~幾百

Ao很大:104以上~107理想運(yùn)放：

ri

KCMMRR

ro

0Ao

運(yùn)放符號(hào)：＋－u－u+uo3.3.2運(yùn)放的特點(diǎn)和符號(hào)－＋＋

u－

u+

uoA0

運(yùn)算放大器的引線

運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。一個(gè)稱(chēng)為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)‘+’或‘IN+’表示；另一個(gè)稱(chēng)為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相異，用符號(hào)“-”或“IN-”表示。輸出端一般畫(huà)在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有‘+’號(hào)。實(shí)際的運(yùn)算放大器通常必須有正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。－＋＋

u－

u+

uoA0運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)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(yùn)算放大器本身的特點(diǎn)而設(shè)立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運(yùn)算放大器，對(duì)某些項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有特殊要求的是各種特種運(yùn)算放大器。靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)4.4.1運(yùn)算放大器的主要參數(shù)4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路4.4.1集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd

：(openloopvoltagegain)運(yùn)放在無(wú)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。100dB3.差模輸入電阻rid

：(inputresistance)輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。MΩ2.共模抑制比

KCMR

：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd

與共模電壓增益Avc

之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)80dB

4輸入失調(diào)電壓VIO5.輸入失調(diào)電流IIO輸入失調(diào)電壓Vio

：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時(shí)，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(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo)。輸入失調(diào)電流

Iio

：(inputoffsetcurrent)在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱(chēng)的程度。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。.輸入失調(diào)電壓溫漂

dVio/dT.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)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。(maximumcommonmodeinputvoltage)在保證運(yùn)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(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。6.輸入偏置電流IIB

inputbiascurrent運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。8.最大差模輸入電壓Vidmax

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7、最大共模輸入電壓Vicmax

9.–3dB帶寬BW

(fH)10.單位增益帶寬

BWG(fT)－3dB帶寬

fH

：(-3dBbandwidth)運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。單位增益帶寬

fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd

下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，定義為單位增益帶寬fc

。

轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)—(slewrate)反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為

11.轉(zhuǎn)換速率SR12.最大輸出電流Iomax13、等效輸入噪聲電壓Vn——(noisevoltage)輸入端短路時(shí)，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對(duì)應(yīng)。4.4.2集成運(yùn)放的低頻等效電路

為滿足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運(yùn)放外，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專(zhuān)用型集成運(yùn)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指標(biāo)上比較突出。根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。4.5集成運(yùn)放的種類(lèi)及選擇通用型

通用型運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價(jià)格低廉。通用型運(yùn)放也經(jīng)過(guò)了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運(yùn)放已很少使用了。以典型的通用型運(yùn)放CF741(A741)為例，輸入失調(diào)電壓1～2

mV、輸入失調(diào)電流20

nA、差模輸入電阻2

M，開(kāi)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(cè)試系統(tǒng)。這種運(yùn)放的單位增益帶寬和壓擺率的指標(biāo)均較高，用于小信號(hào)放大時(shí)，可注重fH或fc，用于高速大信號(hào)放大時(shí)，同時(shí)還應(yīng)注重SR。例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

高精度(低漂移型）

用于精密儀表放大器，精密測(cè)試系統(tǒng)，精密傳感器信號(hào)變送器等。例如：

OP177

CF714

高輸入阻抗型

用于測(cè)量設(shè)備及采樣保持電路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

低功耗型

用于空間技術(shù)和生物科學(xué)研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。例如：

OP22正常工作靜態(tài)功耗可低至36