第三章集成運(yùn)算放大器

第三章集成運(yùn)算放大器5.4集成運(yùn)算放大器的類型和型號命名方法集成運(yùn)算放大器的類型集成運(yùn)算放大器的型號命名方法5.5集成運(yùn)算放大器的主要性能參數(shù)理想運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)理想運(yùn)算放大器在線性時的特性理想運(yùn)算放大器在非線性時的特性5.6理想運(yùn)算放大器本章重點(diǎn):1.

集成運(yùn)算放大器的組成5.理想運(yùn)算放大器的特性

2.

差動放大器的工作原理

3.

恒流源電路的工作原理

4.

集成運(yùn)算放大器的類型及參數(shù)本章難點(diǎn):差動放大器的各種電路形式和工作參數(shù)的分析

本章主要介紹集成運(yùn)算放大器的基本知識，首先介紹集成運(yùn)算放大器的基本電路，集成運(yùn)算放大器的基本組成，在此基礎(chǔ)上介紹簡單的集成運(yùn)算放大器電路，以及集成運(yùn)算放大器的分類，運(yùn)算放大器的主要參數(shù)，最后提出理想運(yùn)算放大器的概念和特點(diǎn)。3.1恒流源電路

恒流源電路為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，同時能作為放大電路的負(fù)載。本節(jié)主要介紹常用的恒流源電路。

晶體管恒流源圖3-1恒流源電路

該電路為具有分壓式電壓負(fù)反饋偏置的共射極電路，三極管處于放大狀態(tài)，通過三極管輸出曲線可知，三極管工作在放大區(qū)，其輸出曲線近似平行于橫軸，即Ib恒定時，Ic近似不變，其集射間的動態(tài)電阻rce很大。因此該電路可以作為輸出恒定電流的電流源來使用，用如圖(b)中的符號所示。如圖(c)所示為二極管溫度補(bǔ)償恒流源電路。二極管D與三極管的發(fā)射結(jié)有相同的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，VD等比同步補(bǔ)償VBE的變化，使Io更加穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)電流：

無論T2的負(fù)載如何變化，IC2的電流值將保持不變。因?yàn)椋核裕虹R像電流源微電流源（1）電流?。ㄒ?yàn)椤鱑BE小）。微電流源的特點(diǎn)：（2）電流穩(wěn)定（電流負(fù)反饋）多路電流源有源負(fù)載放大器

有源負(fù)載放大器是指在集成運(yùn)算反照中用恒流源代替負(fù)載電阻組成有源負(fù)載從而形成的放大器。圖示為有源負(fù)載單管共射放大電路。圖中T3是放大管，T2是有源負(fù)載，T2與T1組成鏡像電流源，作為T3的偏置電路。由于Ic2=I保持恒定，T2的集電極電阻rce2很大，因此該放大器可取得較高的電壓增益。

有源負(fù)載共射放大器集成運(yùn)算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。集成電路的工藝特點(diǎn)：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。什么是集成運(yùn)算放大器？3.2差動放大電路直耦放大電路的特殊問題——零點(diǎn)漂移零漂現(xiàn)象：產(chǎn)生零漂的原因：零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當(dāng)溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂。輸入ui=0時，，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計(jì)算。例如

若輸出有1V的漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓假設(shè)第一級是關(guān)鍵3.減小零漂的措施用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償采用差動放大電路等效100uV漂移1V3.2差動放大電路1.結(jié)構(gòu):對稱性結(jié)構(gòu)即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb

差動放大電路又稱差分放大電路，它的輸出電壓與兩個輸入電壓之差成正比。它能較好地克服直接耦合放大器的零點(diǎn)漂移問題，是集成運(yùn)算放大器的基本組成單元。差模信號：共模信號：差模電壓增益：共模電壓增益：總輸出電壓：3.共模抑制比2.差模信號和共模信號及電壓放大倍數(shù)３.恒流源差動放大電路

加大Re，可以提高共模抑制比。為此可用恒流源T3來代替Re

。等效很大的交流電阻，直流電阻并不大。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，而不影響差模放大倍數(shù)，從而增加共模抑制比。恒流源的作用根據(jù)共模抑制比公式：恒流源差動放大電路的計(jì)算：

靜態(tài)工作點(diǎn)：

動態(tài)：

恒流源等效電阻：

ui1=ui2=uic，

uid=0。設(shè)ui1，ui2

uo1

，uo2

。因ui1=ui2，

uo1=uo2

uo=0(理想化)。共模電壓放大倍數(shù)4.差動放大器輸入、輸出方式的接法（1）雙端輸入雙端輸出差模電壓放大倍數(shù)

共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻（2）雙端輸入單端輸出

這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號。差模電壓放大倍數(shù)

差模輸入電阻輸出電阻共模電壓放大倍數(shù)

ui1=ui2=uic，

設(shè)ui1，ui2

ie1

，ie1

。

iRe（=2ie1）

畫出共模等效電路求共模電壓放大倍數(shù)：（3）單端輸入雙端輸出ui1=－ui2=ui/2

計(jì)算同雙端輸入雙端輸出：單端輸入等效雙端輸入:

因?yàn)镽e＞＞從T2發(fā)射極看進(jìn)去的等效電阻，故Re可視為開路，于是有（4）單端輸入單端輸出

計(jì)算同雙入單出：

注意放大倍數(shù)的正負(fù)號：設(shè)從T1的基極輸入信號，如果從uo1

輸出為負(fù)號；從uo2

輸出為正號。

差動放大器動態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié)

雙端輸出時：

單端輸出時：

(2)共模電壓放大倍數(shù)

與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

雙端輸出時：

單端輸出時：(1)差模電壓放大倍數(shù)與單端輸入還是雙端輸入無關(guān)，只與輸出方式有關(guān)：

(3)差模輸入電阻

不論是單端輸入還是雙端輸入，差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。

單端輸出時，雙端輸出時，

(4)輸出電阻(5)共模抑制比

共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標(biāo)。，或

雙端輸出時KCMR可認(rèn)為等于無窮大，單端輸出時共模抑制比：3.3集成運(yùn)算放大器簡介運(yùn)算放大器的組成

靜態(tài)時，T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)，以消除交越失真。電路中增加D1、D2工作原理：互補(bǔ)對稱功放電路增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。

1

2復(fù)合NPN型復(fù)合管晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。復(fù)合NPN型復(fù)合PNP型復(fù)合NPN型復(fù)合PNP型

１.原理電路：簡單的運(yùn)算放大器＋－u-－u+uo2.集成運(yùn)算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小反相輸入端同相輸入端輸出端3.通用型集成運(yùn)放F007ABAB4.分析：(1)偏置電路：T12、R5和T11構(gòu)成了主偏置電路，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流：

其他偏置電流都與基準(zhǔn)電流有關(guān)。T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。T12和T13管構(gòu)成多支路電流源。T13管是多集電極三極管，其集電極電流和的大小比例為3:1。B路作為中間級的有源負(fù)載。A路為輸出級提供偏置。(2)輸入級：T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達(dá)到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補(bǔ)償作用的鏡象電流源，作為差動輸入級的有源負(fù)載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。(3)中間級：T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級的集電級有源負(fù)載。T14和T20管組成互補(bǔ)對稱輸出級，T18、T19和R8為其提供靜態(tài)偏置以克服交越失真。T15和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過大時不致燒壞。(4)輸出級：(5)相位分析：用“瞬時極性法”判定，3號腿為同相端；2號腿為反相端。3.4集成運(yùn)算放大器的類型和型號命名方法集成運(yùn)算放大器的類型

集成運(yùn)算放大器的種類很多，大致可以分為兩類，一類為通用型運(yùn)算放大器，如F741等；另一類為專用型運(yùn)算放大器?，F(xiàn)簡要介紹如下。

集成運(yùn)算放大器的種類專用型低功耗型高速型大功率型高壓型高阻型高精度型通用型集成運(yùn)算放大器型號命名方法1.集成電路器件型號命名方式

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3430—82，我國集成電路器件型號由五部分組成。其符號和意義見課本表5-2。2.集成運(yùn)算放大器型號舉例

這四種型號集成運(yùn)算放大器的工作溫度和封裝可通過查課本表5-2得到。CF0741MT：通用型運(yùn)算放大器CF1437CD：通用型雙運(yùn)算放大器CF0124MJ：通用型單電源四運(yùn)算放大器CF7600CP：CMOS高精度運(yùn)算放大器3.4集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.輸入失調(diào)電UIO

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(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。2.輸入失調(diào)電壓溫漂dUIO/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。4.輸入失調(diào)電流IIO

：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。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時，運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。5.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。6.最大差模輸入電壓Uidmax

運(yùn)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。7.最大共模輸入電壓Vicmax

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.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod

：無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。9.差模輸入電阻rid

：雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達(dá)109歐姆以上。

10.共模抑制比KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。11.－3dB帶寬fH

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

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運(yùn)放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為3.6理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

所謂理想運(yùn)算放大器就是指集成運(yùn)算放大器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，這些指標(biāo)主要有：Aud=∞Rid=∞Ro=0KCMR=∞帶寬BW→∞

這些指標(biāo)實(shí)際運(yùn)算放大器是不可能達(dá)到的，但在實(shí)際分析運(yùn)算放大器電路時，根據(jù)實(shí)際情況，采用理想化指標(biāo)來分析，既可簡化分析的過程，得到的結(jié)果與實(shí)際測量的結(jié)果之間誤差不大，所以，在實(shí)際分析運(yùn)算放大器電路，很多時候都把運(yùn)算放大器當(dāng)成理想運(yùn)算放大器來分析。理想運(yùn)算放大器在線性時的特性

理想運(yùn)算放大器在線性時的特性是指理想運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時顯現(xiàn)的一些特點(diǎn)，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)是指其輸出電壓與兩個輸入端電壓之間存在線性放大關(guān)系即Uo=Aud(U+-U-)

式中：Uo表示輸出端電壓；

U+表示同相端輸入電壓，即從該端輸入信號，輸出信號與輸入信號相位相同；U－反相輸入電壓，即從該端輸入信號，輸出信號與輸入信號相位相反。

＋－u-－u+uo

根據(jù)理想運(yùn)算放大器的Aud→∞，Uo/(U+

－U-)=Aud，相對一定值的Uo，U+

－U-≈0。

即：U+=U－。這表明理想運(yùn)算放大器兩個輸入端之間的電壓近似為零，兩端電位近似相等，這與電路中短路的情形類似，但由于在電路結(jié)構(gòu)中，運(yùn)算放大器兩輸入端并未真正短路，因此把這種情形