第四章 集成運(yùn)算放大器

第四章集成運(yùn)算放大器第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日集成運(yùn)算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級(jí)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(duì)稱(chēng)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(shí)，往往使用有源負(fù)載。

(由于集成電路中，電阻是利用NPN管的基區(qū)體電阻構(gòu)成，電阻值的范圍一般為幾十歐~10千歐左右，阻值范圍不大，且阻值精度不易控制，誤差可達(dá)10%~20%。所以，若需要高阻值電阻，可用BJT或FET等組成的恒流源代替，或采用外接電阻的方法。)什么是集成運(yùn)算放大器？第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日（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。

(電容則采用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成，約在100PF以下，誤差也較大，因此電路結(jié)構(gòu)只能采用直接耦合方式。)（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。

(6)在集成電路制造工藝中，制造三極管（特別是NPN管）比制造其他元件容易，且占用面積小，性能好。[因此常用BJT（或FET）構(gòu)成恒流源作偏置電阻；將BJT的基極和集電極短接構(gòu)成二極管﹑穩(wěn)壓管等；]\第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日一、集成運(yùn)放的組成部分：1、四個(gè)部分：偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)2、各部分的作用、要求和常采用的電路形式：偏置電路：向各個(gè)放大級(jí)提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。要求提供的靜態(tài)電流小而穩(wěn)定。常采用電路：比例電流源、鏡像電流源、微電流源輸入級(jí)：接收輸入信號(hào)，對(duì)集成運(yùn)放的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)起決定性的作用。要求該級(jí)抑制零點(diǎn)漂移能力高。常采用電路：差分放大電路中間級(jí)：提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。要求該級(jí)電壓放大倍數(shù)大且輸入電阻高。常采用電路：共射放大電路（有源負(fù)載和復(fù)合管）第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日輸出級(jí)：處理大信號(hào)、帶負(fù)載。要求設(shè)法減小輸出波形的非線性失真，提供較大電流，帶負(fù)載能力強(qiáng)。常采用電路：互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功放電路3、框圖:輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路Vi1Vi2Vo級(jí)間直接耦合差分式輸入電壓（流）放大恒流源功放第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1.鏡像電流源基準(zhǔn)電流：無(wú)論T2的負(fù)載如何變化，IC2的電流值將保持不變。因?yàn)椋核裕憾⒓蛇\(yùn)放中的偏置電路特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)：存在問(wèn)題：當(dāng)β不夠大時(shí)，IC2與IREF差異較大第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.微電流源（1）電流?。ㄒ?yàn)椤鱑BE?。?。（2）電流穩(wěn)定（電流負(fù)反饋）微電流源的特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)：鏡像電流源電路適合用于較大工作電流（mA級(jí)）的場(chǎng)合，若需要IC2↓→R↑，在集成電路中不易實(shí)現(xiàn)。故推出微電流源（μA級(jí)）第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.多支路比例電流源同樣，IC2

和IC3也與IR成比例電路結(jié)構(gòu)：+RRIIC0IC1IC2IC3E1IE2IE3IR0R1R2R30TT1T2T3VCC第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日即：1=2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb三、輸入級(jí)電路－－差分放大電路（三種形式：基本式、長(zhǎng)尾式、恒流源式）（一）長(zhǎng)尾式（結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：對(duì)稱(chēng)性）第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日四、輸出級(jí)工作原理：ui為正半周時(shí)，T1管工作，T2管截止，輸出uo為正；ui為負(fù)半周時(shí)，T2管工作，T1管截止；輸出uo為負(fù)。兩管交替工作，在負(fù)載電阻RL上得到完整的正弦波。

1.互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)射極輸出電路第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.克服交越失真的互補(bǔ)對(duì)電路

靜態(tài)時(shí)，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：第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日簡(jiǎn)單的集成運(yùn)放

原理電路：第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日通用型集成運(yùn)放F007AB第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日AB第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日分析：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(guò)T8和T9組成的鏡象電流源為差動(dòng)輸入級(jí)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，其集電極電流的大小比例為3:1。B路作為中間級(jí)的有源負(fù)載。A路為輸出級(jí)提供偏置。第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.輸入級(jí)：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)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(hào)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(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。它們同時(shí)還有單端輸出轉(zhuǎn)換為雙端增益的功能。第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.中間級(jí)：

T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13B作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。電容C用來(lái)克服自激振蕩第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日T14和T20管組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)4.輸出級(jí)：T21、T23、T22管和R10保護(hù)T20管在負(fù)向電流過(guò)大時(shí)不致燒壞。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(guò)大時(shí)不致燒壞。第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日5.相位分析：用“瞬時(shí)極性法”判定，3號(hào)腿為同相端；2號(hào)腿為反相端。ABRP為平衡電位器第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日五、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

1.輸入失調(diào)電壓UIO

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)。

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。第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：

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。

3.輸入偏置電流IIB

：

輸入電壓為零時(shí)，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。

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。第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

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(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

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。第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

8.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無(wú)反饋時(shí)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(jí)約為105～106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)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。第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

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(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：

第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日六、特殊集成運(yùn)算放大器

反映集成運(yùn)放性能的好壞有幾十個(gè)參數(shù)，一種運(yùn)放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。

通用型運(yùn)放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合。

特殊類(lèi)型的集成運(yùn)放，在某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶(hù)可以從特殊類(lèi)型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日

1.高輸入阻抗型

特點(diǎn)：差模輸入電阻往往大于109W，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級(jí)。

輸入級(jí)經(jīng)常采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)，稱(chēng)為BiFET，或采用超管與BJT結(jié)合的電路，構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)。其典型產(chǎn)品有5G28、F3130、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。主要應(yīng)用：測(cè)量放大、取樣電路第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2.高精度、低漂移型

特點(diǎn)：很低的漂移量和很高的精度。一般ΔUIO/ΔT<2mV∕℃,ΔIIO/ΔT<200PA∕℃,KCMR≥110dB。

大多選用匹配特性?xún)?yōu)良的差動(dòng)對(duì)管，還采用熱匹配設(shè)計(jì)和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對(duì)管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，還有的運(yùn)放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650、AD508、OP-27等。主要應(yīng)用：輸入信號(hào)微弱的高精度儀器設(shè)備。第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3.高速型

特點(diǎn)：高速運(yùn)放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR大于幾十伏∕微秒，單位增益帶寬BW>10MHZ。

高速型運(yùn)放的典型產(chǎn)品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。

主要應(yīng)用：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速A∕D和D∕A轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性能優(yōu)良的高速運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏∕微秒。第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日4.低功耗型特點(diǎn)：功耗為微瓦數(shù)量級(jí)。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。典型產(chǎn)品有CA3078、mPC253、ICL7641等。主要應(yīng)用：能源有限的宇航、軍事技術(shù)。

5.大功率型

特點(diǎn)：電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。典型產(chǎn)品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日＋－u-－u+uo國(guó)際符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：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七、集成運(yùn)算放大器的模型第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1、運(yùn)放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓±VCC=±10V。運(yùn)放的Aod=104│Ui│≤1mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當(dāng)Aod→∞時(shí)，線性區(qū)→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2、理想運(yùn)算放大器：（1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞（2）差摸輸入電阻Rid=∞（4）輸出電阻Ro=0（3）共模抑制比KCMR=