7-集成運算放大器

第7章集成運算放大器7.1集成運算放大器的基本組成7.2理想運算放大器 集成運算放大電路是模擬電子技術(shù)的重點內(nèi)容之一。本章主要介紹集成運算放大電路的基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用，首先分別介紹集成運算放大電路的各個基本組成部分：偏置電路、輸入級、中間級和輸出級。然后介紹集成運放的主要性能指標(biāo)，最后介紹理想運放的概念及其特點。 集成電路是將半導(dǎo)體三極管、二極管、電阻等元件及連線全部集中制造在同一小塊半導(dǎo)體基片上，成為一個完整的固體電路。集成電路的元件密度高、引線短、外部接線少，從而提高了電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并且減低了成本，為電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了一個新的時代。 將彼此獨立的三極管、二極管、電阻、電容等用導(dǎo)線連接成的電路稱為分立元件電路。與分立元件電路相比，集成電路除了體積小、元件高度集中外，還有以下特點。 (1)所有各元件是在同一塊硅片上用相同的工藝過程制造的，因而具有相同的同向偏差，溫度特性等參數(shù)，特別適用于制造對稱性較高的差分放大電路。(2)由于電阻元件是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成的，阻值范圍有一定的局限性，一般在幾十歐到幾十千歐之間，過高或過低的電阻制造很困難。(3)由于集成工藝不適于制作大容量的電容，更難于制造電感器件，所以電路結(jié)構(gòu)大都采用直接耦合方式。(4)為了提高集成度（單位硅片面積上所集成的元件數(shù)）和集成電路性能，一般集成電路的功耗要小，這樣集成運放各級的偏置電路通常較小。(5)在集成電路中，制造有源器件（晶體三極管、場效應(yīng)管等）比制造大電阻占用的面積小，工藝上也不麻煩。所以在集成放大電路中，常用三極管代替電阻，尤其是大電阻。 集成電路常有3種外形，即雙列直插式、圓殼式和扁平式，如圖7.1所示。圖7.1集成電路的外形 集成電路按其功能分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路。集成運算放大器是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路，簡稱集成運放。它實質(zhì)是一個多級直接耦合高電壓放大倍數(shù)的放大器，早期的應(yīng)用主要是數(shù)值運算，故稱運算放大器，目前的用途已經(jīng)遠遠超過了此范圍，但仍沿用此名稱。 集成運放的符號如圖7.2所示，它有兩個輸入端：同相輸入端和反相輸入端。標(biāo)“+”的為同相輸入端，表明輸出電壓信號與該輸入端電壓信號相位相同；標(biāo)“-”的為反相輸入端，表明輸出電壓與該輸入端的電壓信號相位相反。圖7.2集成運放的符號7.1集成運算放大器的基本組成 圖7.3是典型集成運放的原理框圖，集成運放一般由偏置電路、輸入級、中間級和輸出級4部分組成。另外，還有電平移動電路、短路保護電路等部分。圖7.3集成運放的原理框圖①偏置電路：采用恒流源，向各級提供穩(wěn)定的靜態(tài)電流。②輸入級：采用差動放大器，減小零漂，提高輸入電阻。③中間級：采用一至兩級直接耦合放大器，提供足夠的電壓放大倍數(shù)。④輸出級：采用功率放大器，提高集成運放的帶負(fù)載能力，向負(fù)載提供一定的功率。7.1.1偏置電路 集成運放為設(shè)置合適、穩(wěn)定的直流偏置電路以保證其正常工作中，常采用恒流源電路。1.基本鏡像電流源電路 基本鏡像電流源電路如圖7.4所示，它是由兩個特性對稱的三極管VT1和VT2及一個電阻R構(gòu)成的。圖7.4鏡像電流源這種電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，電路對稱易集成，且具有一定的溫度補償作用。它的缺點是輸出電流Ic2受直流電源UCC影響。而且，若要求得到小的電流源時，電阻值將達兆歐級，集成電路無法實現(xiàn)。2.減小β影響的鏡像電流源電路為了減小β的影響，可采用如圖7.6所示的改進型電路，在這個電路中，將VT1管的集電極與基極之間的短路線用VT3管取代。圖7.6改進的鏡像電流源3.多路輸出電流源電路 在集成電路中，有時需要多個相同的電流源，這時可采用多路輸出電流源電路。4.微電流源電路 微電流源電路是在鏡像電流源的基礎(chǔ)上，在VT2的發(fā)射級上接一個電阻Re，如圖7.8所示。圖7.8微電流源電路 Re的負(fù)反饋作用可以使輸出電流變小，提高恒流源對電源變化的穩(wěn)定性，且溫度穩(wěn)定性更好。 該電路的特點是用很小的Re就可以獲得很弱的輸出電流，一般在毫安級，適合用于小電流場合。7.1.2輸入級 輸入級的好壞對提高集成運放的整體質(zhì)量至關(guān)重要，如輸入電阻、共模抑制比、輸入電壓范圍以及電壓放大倍數(shù)等許多性能指標(biāo)的優(yōu)劣，輸入級都起決定性作用。 輸入級大都采用差分放大電路的形式，最常見的有3種：基本形式、長尾式和恒流源式。1.基本差分放大器 典型電路組成及抑制零漂的原理如下。 用兩級相同的共射電路接成面對面的形式，將兩個輸入信號分別接于兩個輸入端與地之間，實現(xiàn)雙端輸入。輸出信號取自兩管的集電極，即將負(fù)載接于兩管集電極之間，構(gòu)成雙端輸出，如圖7.9所示。2.輸入信號類型及差模電壓放大倍數(shù) 基本差分放大器的輸入信號可分為共模信號和差模信號兩種。在放大器兩輸入端分別輸入大小相等、極性相同的信號，這種輸入方式稱為共模輸入，信號稱為共模信號，常用uIc表示，即uIc=uI1=uI2。 在共模輸入情況下，因電路對稱，兩管的集電極電位變化相同，因而輸出電壓Uoc恒為零。其原理與輸入信號為零(靜態(tài))的輸出結(jié)果一樣，如圖7.10所示。3.共模抑制比 差分放大器的輸入信號可以看成一個差模信號與一個共模信號的疊加。對于差模信號，要求放大倍數(shù)盡量地大；對于共模信號，希望放大倍數(shù)盡量地小。為了全面衡量一個差分放大器放大差模信號信號、抑制共模信號的能力，引入共模抑制比KCMR這個量，來綜合表征這一性質(zhì)。 在實際應(yīng)用電路中，共模輸入信號常常比差模輸入信號大，而且零漂也可看成共模信號。因此，要求放大器的共模抑制比高，這樣，電路受共模信號及零漂的干擾就小，電路的質(zhì)量就高。共模抑制比是差分放大器的一項十分重要的技術(shù)指標(biāo)。理想情況下，KCMR→∞。一般差放電路的KCMR為40～60dB，高水平的可達120dB以上。4.長尾式差動放大電路 基本差分放大器，利用對稱補償原理抑制零漂。但是在單管集電極對地的單端輸出電壓中，漂移電壓并沒有被補償，因此漂移現(xiàn)象仍然存在。圖7.11所示為長尾式差動放大電路。圖7.11長尾式差動放大電路(1)差放抑制共模的原理(2)差放的靜態(tài)計算(3)差放的動態(tài)分析及計算①差模電壓放大倍數(shù)②差模輸入電阻RId③差模輸出電阻RO5.恒流源的差分放大器 用恒流源來代替Re就可以解決靜態(tài)工作點和共模抑制比之間矛盾。因為恒流源具有交流電阻大，直流電阻小的特性。圖7.14所示為恒流源的差分放大器，圖7.15所示為恒流源式差分放大電路的簡化表示法。圖7.14恒流源的差分放大器圖7.15恒流源式差分放大電路的簡化表示法6.差動放大電路的4種接法(1)4種接法 差動放大電路的4種接法如圖7.17所示。①雙端輸入、雙端輸出②雙端輸入、單端輸出③單端輸入、雙端輸出④單端輸入、單端輸出圖7.17差分放大電路的4種接法7.1.3中間級 中間級的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，不僅要求電壓放大倍數(shù)，而且還要求輸入電阻較高。1.有源負(fù)載 圖7.20是鏡像電流源做集電極負(fù)載RC的有源負(fù)載放大器。圖7.20有源負(fù)載單管共射放大電路2.復(fù)合管 中間級的放大管有時采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)形式，不僅可以獲得很高的電流放大系數(shù)，而且能夠大大提高中間級的輸入電阻，以免對前級放大倍數(shù)產(chǎn)生不良影響，特別是前級采用有源負(fù)載時，提高集成運放總的電壓放大倍數(shù)。所謂復(fù)合管，即把兩個或兩個以上的三極管按一定的規(guī)律連接在一起，組成一個復(fù)合型的管子。復(fù)合管的組成原則：（1）第2個管子的基極電流應(yīng)與其相連的第一個管子的電極電流方向一致，保證兩個管子都工作在放大區(qū)；（2）復(fù)合管的類型與第一個管子相同，基極是第一個管子的基極。 復(fù)合管的接法有多種，它們可以由相同類型的三極管組成，也可以由不同類型的三極管組成。例如在圖7.22中，圖(a)和(b)分別由兩個同為NPN型或同為PNP型的三極管組成，但圖(c)和(d)中的復(fù)合管卻由不同類型的兩個三極管組成。圖7.22復(fù)合管的接法 如圖7.22所示,復(fù)合管的電流放大系數(shù)滿足關(guān)系式β=β1β2。復(fù)合管的類型取決于第一級管子的型號。在集成運放中，復(fù)合管不僅用于中間級，也常用于輸入級和輸出級。7.1.4輸出級電路 集成運放的輸出級直接與負(fù)載相連接,為了提高它的帶負(fù)載能力,要求輸出電阻較低。此外,輸出級的交流電壓和電流和幅度都比較大,故還要求它有較大的輸出功率。顯然,在放大器的3種組態(tài)中,具有低輸出電阻的共集(或共漏)放大器最適合作為輸出級的電路。但是,一般的射級輸出器因為功耗大、效率低，輸出電壓范圍不夠大，還不能直接作為輸出級電路，而必須加以改進。1.互補對稱電路2.準(zhǔn)互補對稱電路 過流保護電路集成運放輸出級的輸出電流很大，當(dāng)輸出端意外短路或負(fù)載電流太大時，容易損壞運放的內(nèi)部管子，所以必須有過流保護電路。圖7.23輸出級電路7.1.5集成運放內(nèi)部電路組成 F007是集成運放的第二代產(chǎn)品，它由24個三極管、10個電阻和1個電容組成，它是一種性能較好、放大倍數(shù)較高、且具有內(nèi)部補償?shù)耐ㄓ眯图蛇\放（對應(yīng)的國外型號為uA741）。F007的內(nèi)部電路如圖7.25所示，圖中個引出端所標(biāo)數(shù)字為其管腳編號。圖7.25F007內(nèi)部電路圖下面分析F007的工作原理。(1)輸入級(2)中間級(3)輸出級7.1.6集成運放的性能指標(biāo) 集成運放的質(zhì)量如何，根據(jù)什么來選擇測試集成運放，這涉及到運放的技術(shù)指標(biāo)問題。在實際應(yīng)用中可以通過元器件手冊直接查到各種型號運放的技術(shù)指標(biāo)。為了正確選擇和使用集成運放，必須了解各參數(shù)的意義。下面介紹幾個主要的參數(shù)。(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod(2)輸入失調(diào)電壓UIO

(3)輸入失調(diào)電壓溫漂αUIO

(4)輸入偏置電流IIb和輸入失調(diào)電流IIO(5)輸入失調(diào)電流溫漂αIIO

(6)差模輸入電阻rId

(7)共模抑制比KCMR(8)最大共模輸入電壓UICM

(9)最大差模輸入電壓UIDM(10)-3dB帶寬fH

(11)轉(zhuǎn)換速率(SR)除了以上介紹的幾項主要技術(shù)指標(biāo)外，還有很多項其他的指標(biāo)，如最大輸出電壓、靜態(tài)功耗等，由于含義比較明顯，因此不再贅述。集成運放指標(biāo)的含義只有結(jié)合具體應(yīng)用才能正確領(lǐng)會。 集成運放種類較多，有通用型，還有為適應(yīng)不同需要而設(shè)計的專用型，如高速型、高阻型、高壓型、大功率型、低功耗型及低漂移型等。在實際應(yīng)用中，考慮到便宜與采購方便，一般應(yīng)選擇通用型集成運放，特殊需要時，則應(yīng)選擇專用型。7.1.7集成運放應(yīng)用的一些實際問題 國內(nèi)外的集成運放種類繁多，應(yīng)用非常廣泛。除通用型集成運放外，還有很多特殊運放，它們的部分性能比通用型好得多。例如，高輸入阻抗型，主要用作測量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器及采樣—保持電路；高精度型，一般用于精密檢測、自控儀表等；高速型，一般用于快速?！獢?shù)和數(shù)—模轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、精度比較器、高速采樣—保持電路和視頻放大器等要求輸出對輸入響應(yīng)迅速的情況；低功耗型，一般用于遙測，遙感、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)等要求能源消耗有限制的場合。

除了根據(jù)用途和要求正確選型之外，為了能達到使用要求和精度，避免在調(diào)試過程中損壞，在調(diào)試使用時還應(yīng)注意以下問題。1.調(diào)零 失調(diào)電壓、失調(diào)電流的存在，使得實際運放當(dāng)輸入信號為零時，輸出不為零。為此，有些運放在引腳中設(shè)有調(diào)零端子，接上調(diào)零電位器可調(diào)零。電位器應(yīng)選用精密的線繞電位器。調(diào)零時，將電路的輸入端接地，調(diào)整電位RP，同時用最低擋直流電壓表測輸出電壓，使輸出電壓為零即可，如圖7.26所示。圖7.26集成運放 有些集成運放沒設(shè)調(diào)零端，例如有些雙運放、四運放就不設(shè)調(diào)零端。為此，使用中可采取輔助調(diào)零的辦法，如圖7.27所示。圖7.27輔助調(diào)零措施2.消除自激

運放工作時很容易產(chǎn)生自激振蕩，此時用示波器接在輸出端，可看到輸出信號上疊加了波形近似正弦的高頻振蕩，偶爾也有出現(xiàn)低頻振蕩情況。為了消除自激，有些集成運放在內(nèi)部已做了消振電路，有些集成運放則引出消振端子，外接RC消振網(wǎng)絡(luò)。在實際應(yīng)用中，為了使電路穩(wěn)定，有些電路分別在運放的正、負(fù)電源端與地之間并接上幾十微法與0.01~0.1μF的電容，有些在反饋電阻兩端并聯(lián)電容。有些在輸入端并聯(lián)一個RC支路，見圖7.28。圖7.28集成運放的消振電路3.保護措施 在使用過程中，由于電源極性接反、輸入信號過大、輸出端負(fù)載過重等原因會造成集成運放損壞。因此，除操作過程中加以注意外，還應(yīng)在電路上采取一定的保護措施。（1）輸入保護 運放的差?；蚬材］斎胄盘栯妷哼^高會引起其輸入級損壞，為此，可在集成運放輸入端并聯(lián)接入極性相反的兩只二極管，以將輸入電壓限制在二極管導(dǎo)通電壓之內(nèi)，如圖7.29所示。圖7.29輸入保護（2）輸出保護 輸出端保護是為了防止輸出碰到過電壓時使輸出級擊穿，可采用圖7.30所示電路。正常工作時，輸出電壓小于雙向穩(wěn)定管的穩(wěn)壓值，雙向穩(wěn)壓管相當(dāng)于開路。當(dāng)輸出端電壓大于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管將擊穿，使運放負(fù)反饋加深，將輸出電壓限制在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。圖7.30輸出保護（3）電源極