第四章集成運(yùn)放

第四章集成運(yùn)放第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.1.1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。（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。4.1集成運(yùn)算放大電路概述第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.1.2集成運(yùn)算放大器的組成及其各部分的作用

一.

集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu)第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五＋－u-u+uo集成運(yùn)算放大器符號(hào)及電壓傳輸特性－＋＋∞反相輸入端u－（uN）同相輸入端u+（uP）輸出端uo國際符號(hào)：國內(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:第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五電壓傳輸特性u(píng)ouP、（—uN）uO=f(uP-uN)uO=Aod(uP-uN)差模開環(huán)放大倍數(shù)第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時(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。

2.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。

3.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。4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五5.輸入失調(diào)電壓溫漂在規(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)稱性的指標(biāo)。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

7.輸入失調(diào)電流在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)應(yīng)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

6.輸入偏置電流IB

：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)應(yīng)管輸入電流的大小。8.輸入失調(diào)電流溫漂在規(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。第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五9.最大差模輸入電壓10.最大共模輸入電壓運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。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(shí)，輸入對(duì)差分管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五11.－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

第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

集成運(yùn)放的低頻等效電路第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五運(yùn)算放大器外形圖第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五運(yùn)算放大器外形圖第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五1.鏡像電流源基準(zhǔn)電流：

無論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。4.2集成運(yùn)算放大器中的電流源電路一電流源電路因?yàn)椋核裕篒CIBIC2第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2.比例電流源該電路具有較高的溫度穩(wěn)定性第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五3.微電流源很小，由于所以IC2也很小第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五1.加射極輸出器的電流源二改進(jìn)型電流源電路第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2.威爾遜電流源第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五三.多路電流源第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五多集電極管構(gòu)成的電流源第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五四.以電流源為有源負(fù)載的放大電路T2、T3、R組成鏡像電流源，作為T1共射電路的負(fù)載。共射電路的電壓增益為：對(duì)于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益比用電阻Rc作負(fù)載時(shí)大大提高了。放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源1.有源負(fù)載共射極放大電路第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2.有源負(fù)載差動(dòng)放大電路T3、T4組成鏡像電流源，作T1、T2的負(fù)載。同時(shí)可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。ΔiC1=–

Δ

iC2ΔiC3=Δ

iC1ΔiC3=Δ

iC4ΔiO=Δ

iC4–

Δ

iC2=2ΔiC1第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五3.共集—共基差動(dòng)輸入級(jí)輸入阻抗高。T3、T4為橫向PNP管，可承受幾十伏的反向電壓。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

4.3集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五三.通用型集成運(yùn)放F007第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五1.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(dòng)輸入級(jí)提供偏置電流。

T12和T13管構(gòu)成鏡象電流源。T13管為中間級(jí)、輸出級(jí)提供偏置電流,作為中間級(jí)的有源負(fù)載。第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2.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。第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五3.中間級(jí)：T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13管作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

4.輸出級(jí)：

T14和T18、T19管組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，T15、R7和R8為其提供靜態(tài)偏置克服交越失真。

D1管R7和R9保護(hù)T14管，使其在正向電流過大時(shí)不致燒壞。D2管R8和R10保護(hù)T18T19管在負(fù)向電流過大時(shí)不致燒壞。第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五5.相位分析：

用“瞬時(shí)極性法”判定，“+”號(hào)腿為同相端；“—”號(hào)腿為反相端。+++--第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

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，還有適應(yīng)不同需要的專用型集成運(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，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特殊集成運(yùn)算放大器第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

一.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

第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

二.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

第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

三.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

第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五四.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

W。

OP290在0.8

V電壓下工作，功耗為24W

。

CF7612在5

V電壓下工作，功耗為50W

。第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

五.功率型

這種運(yùn)放的輸出功率可達(dá)1W以上，輸出電流可達(dá)幾個(gè)安培以上。例如：LM12

TP1465第三十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五本章小結(jié)1．直接耦合放大器的一個(gè)嚴(yán)重的問題是零點(diǎn)漂移。差動(dòng)放大器是解決零點(diǎn)漂移問題的有效方法。差動(dòng)放大器既能放大直流信號(hào)，又能放大交流信號(hào)。它對(duì)差模信號(hào)有很強(qiáng)的放大能力，對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。運(yùn)算放大器都用差動(dòng)放大器作為輸入級(jí)。2．電流源電路是構(gòu)成運(yùn)放的基本單元電路，其特點(diǎn)是直流電阻小，而交流電阻很大。電流源電路既可以為電路提供偏置電流，又可以作為放