集成運(yùn)算放大器講解

1、1,第三章 集成運(yùn)算放大器,3.1 概述 3.2 差動(dòng)放大電路 3.3電流源電路與輸出級(jí)電路 3.4 MOS集成運(yùn)算放大器中的主要單元電路 3.5 常用集成運(yùn)算放大器,2,3.1 概述,集成電路是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型器件，它把整個(gè)電路中的各個(gè)元器件以及元器件之間連接，采用半導(dǎo)體集成工藝同時(shí)制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，封裝并引出管腳，做成具有特定功能的集成電子線路。 優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、性能優(yōu)良、重量輕、造價(jià)低、使用方便等。,什么是集成電路?,3,集成電路的分類,模擬集成電路,分類,在眾多的模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器應(yīng)用極為廣泛. 集成運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多級(jí)直接耦合高電壓放大倍數(shù)

2、的放大器，具有輸入電阻大、輸出電阻小的特點(diǎn)。,數(shù)字集成電路,對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路。,集成運(yùn)算放大器,集成功率放大器,集成穩(wěn)壓器,模擬乘法器,對(duì)不連續(xù)的0 -低電平,1-高電平,躍進(jìn)的信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路。,4,3.1 概述,3.1.1 集成運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)上的特點(diǎn) 3.1.2 集成運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu),5,3.1.1集成運(yùn)放的特點(diǎn),1、電路與元件參數(shù)具有對(duì)稱性 2、采用有源電阻代替無源電阻 3、采用直接耦合的形式 4、利用二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償 5、采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu),6,3.1.2 集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu),差動(dòng)輸入級(jí),中間放大級(jí),輸出級(jí),偏置電路,輸入級(jí)：由可以抑制零點(diǎn)漂移的差動(dòng)

3、放大器組成 中間級(jí)：采用共射電路可獲較大的 輸出級(jí)：射極跟隨器，增加帶負(fù)載能力 偏置電路：供給各級(jí)電路合理的偏置電流,(差動(dòng)放大器),(共射電路),(射極跟隨器),7,3.2 差動(dòng)放大電路,差動(dòng)放大電路的特點(diǎn)是只有兩個(gè)輸入的信號(hào)有差值 時(shí)，才能進(jìn)行放大，即 稱為差模電壓放大倍數(shù),8,3.2 差動(dòng)放大電路,3.2.1 為什么選用“差動(dòng)”的電路形式 3.2.2 基本差動(dòng)放大電路的分析 3.2.3 差動(dòng)放大電路的輸入、輸出形式 3.2.4 差動(dòng)放大電路的改進(jìn)形式,9,3.2.1為什么選用“差動(dòng)”的電路形式?,1、集成電路級(jí)與級(jí)之間采用直接耦合，而直接耦合電路必然會(huì)產(chǎn)生“零點(diǎn)漂移”。 零點(diǎn)漂移：當(dāng)輸入

4、信號(hào)為0，由于電源波動(dòng)、溫度變化等原因，使工作點(diǎn)發(fā)生變化，使放大器輸出電壓偏離起始點(diǎn)做上下漂動(dòng)，成為零點(diǎn)漂移。,如圖3-3中，當(dāng) 時(shí)，由于某種原因使 ，設(shè) ，則 這種緩慢變化的信號(hào)將淹沒有用的信號(hào)，這是不允許的。,2、為了有效抑制零漂，輸入級(jí)必須采用差動(dòng)放大器。,10,3.2.2 差動(dòng)放大電路的分析,圖3-4 基本差動(dòng)放大電路構(gòu)成原理,要想實(shí)現(xiàn)“有差能動(dòng)”電路如圖所示，電路最大特點(diǎn)是電路完全對(duì)稱，其中V1、V2 兩管特性相同，元件參數(shù)之值相等。有兩個(gè)輸入端稱雙入，兩個(gè)輸出端稱雙出。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)相同時(shí)，由于電路對(duì)稱性，兩管集電極電位相同，所以u(píng)0=0,11,3.2.2 差動(dòng)放大電路的分析,抑制

5、零點(diǎn)漂移的原理：當(dāng)溫度變化時(shí)，對(duì)兩管的影響是一致的，相當(dāng)給兩管電路同時(shí)加入大小相等、極性相同的輸入信號(hào)，因此，當(dāng)電路特性完全對(duì)稱的情況下，兩管的集電極電位始終相同， 不會(huì)出現(xiàn)普通直接耦合放大器那樣的漂移電壓，這就是為什么差動(dòng)放大電路能夠抑制零點(diǎn)漂移的原因。,12,圖3-5 典型基本差動(dòng)放大電路,僅靠電路的對(duì)稱性來抑制“零漂”是有限度的，對(duì)兩個(gè)單管本身集電極電位的漂移并未加限制，所以實(shí)用電路為圖3-5，在圖3-4的基礎(chǔ)上加RE 和-UEE,13,1、靜態(tài)分析 (ui1=ui2=0 ),圖3-5 典型基本差動(dòng)放大電路,直流通路,14,兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等、極性相反,即ui1=- ui2 ，稱差模輸

6、入.如ui1為正、ui2為負(fù) 所以，差動(dòng)放大電路輸入差模信號(hào)時(shí)的輸出電壓是兩管各自輸出電壓變化量的兩倍,2、差模信號(hào)輸入,15,3、共模信號(hào)輸入,兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等、極性相同，即ui1=ui2 ， 這時(shí)uo=uc1-uc2=0 。差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力很強(qiáng)。 溫度變化對(duì)差動(dòng)放大電路來說相當(dāng)于一對(duì)共模信號(hào)。所以差動(dòng)放大電路對(duì)其零點(diǎn)漂移的抑制就是對(duì)共模信號(hào)抑制的一種特例。,16,4、任意信號(hào)輸入,在實(shí)際應(yīng)用中，加給差動(dòng)放大電路輸入信號(hào)的大小和極性往往是任意的，既不是一對(duì)差模信號(hào)，也不是一對(duì)共模信號(hào)，為了分析方便通常，通常將一對(duì)任意輸入信號(hào)分解為差模信號(hào) 和共模信號(hào) 兩部分分別定義差模信

7、號(hào)和共模信號(hào)為：,差模信號(hào):,共模信號(hào):,17,4、任意信號(hào)輸入,差模信號(hào)加到電路上,兩管 V1 和 V2 的基極獲得差模信號(hào)為: 共模信號(hào)加到電路上,兩管 V1 和 V2 的基極獲得共模信號(hào)為: ui1=ui2=uic,18,4、任意信號(hào)輸入,例: 則,19,當(dāng)差模輸入信號(hào)和共模輸入信號(hào)都存在的 情況下，根據(jù)疊加原理可以得出任意輸入信號(hào) 下總的輸出電壓，即 越大，電路差模放大能力越強(qiáng) 越小，電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng),20,5、差模特性動(dòng)態(tài)分析,圖3-7 差模輸入時(shí)基本差動(dòng)放大電路的交流通路,圖為差模輸入時(shí)圖3-7所示雙入雙出差動(dòng)放大電路的交流通路。 ui1=-ui2 Ie1、Ie2大小相等

8、，方向相反這兩個(gè)交流電流之和為0,因此在Re 上產(chǎn)生交流電壓降為0。所以把 Re 視為交流短路,21,可見：差動(dòng)放大電路雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)和單邊電路的電壓放大倍數(shù)相同，差動(dòng)放大電路為了實(shí)現(xiàn)同樣的電壓放大倍數(shù)，必須用二倍于單邊電路的元器件數(shù)，但是換來了對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制。,(1)差模電壓放大倍數(shù)Aud,A.無負(fù)載:,22,B.帶有負(fù)載電阻 RL: 由于電路對(duì)稱，RL 中點(diǎn)始終為零電位,(1)差模電壓放大倍數(shù)Aud,中點(diǎn)零電位,23,(2)差模輸入電阻rid,雙入雙出差動(dòng)放大電路的交流通路,24,(3)差模輸出電阻rod,雙入雙出差動(dòng)放大電路的交流通路,25,6、共模特性動(dòng)態(tài)分析,共模信號(hào)

9、輸入時(shí)交流通路,(1)共模信號(hào)輸入時(shí)交流通路如圖ui1=ui2=uic ie1和ie2大小相等，方向相同 ie =2ie1,26,6、共模特性動(dòng)態(tài)分析,(2)Re對(duì)差模信號(hào)不起負(fù)反饋?zhàn)饔?Re對(duì)共模信號(hào)起強(qiáng)烈的負(fù)反饋.Re越大負(fù)反饋越強(qiáng)，抑制漂移越好,27,6、共模特性動(dòng)態(tài)分析,(3) Re 過大，當(dāng)電源電壓一定時(shí)，使三極管靜 態(tài)電流變小，影響靜態(tài)工作點(diǎn)及電壓放大倍數(shù)，為此，加-UEE 來抵消Re 上的壓降獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。還可以考慮用恒流源來替代 Re ，恒流源的動(dòng)態(tài)電阻更大，得到更好的負(fù)反饋效果。,28,6、共模特性動(dòng)態(tài)分析,(4)共模電壓放大倍數(shù)Auc,(理想),29,6、共模特性動(dòng)

10、態(tài)分析,(5)共模抑制比 越大， 越小， 越大，差動(dòng)放大電路的性能越好。理想情況下， 為 。 實(shí)際上是一個(gè)很大的數(shù)值，為了方便，用分貝（dB）形式表示 。,（3-12）,（3-13）,30,3.2.3 差動(dòng)放大電路的輸入輸出形式,1、單端輸入 單端輸入可以看成雙端輸入的一種特例。即ui1=ui, ,ui2=0可以有如圖所示 對(duì)輸入方式來說，單入和雙入并沒有本質(zhì)區(qū)別,差模信號(hào),共模信號(hào),31,差動(dòng)放大電路的兩種單端輸出形式:,（a） 反相輸出形式,2、單端輸出,（b） 同相輸出形式,32,2、單端輸出,(1）單端輸出時(shí)的 (2）單端輸出時(shí)的,差模信號(hào),共模信號(hào),33,2、單端輸出,(3)單端輸出

11、KCMRR (4）單端輸出時(shí)的ro 僅從一管的集電極輸出 rod=RC,34,表3-1 差動(dòng)放大電路的輸入輸出形式,35,表3-1 差動(dòng)放大電路的輸入輸出形式,36,3.2.4 差動(dòng)放大電路的改進(jìn)形式,1、帶電流源的差動(dòng)放大電路 (1)為了得到Re大，又要使 UEE不致增加，用恒流源替代Re (2)因?yàn)楫?dāng) IB 一定時(shí)，工作于放大區(qū)的 IC 的基本恒定。其交流電阻 較大，抑制零漂效果好，但V3的UCE電壓又不大（只要大于飽和壓降），所以 UEE 的電壓不致增加。Rb31 和Rb32構(gòu)成分壓式偏置電路。 (3)Rp為調(diào)零電位器，一般為幾十到幾百歐姆之間。,37,例3-1 圖3-11（a）中雙入雙

12、出的差動(dòng)放大電路參數(shù)為： 1=2=3=50，UCC=UEE=9 V，Rc=4.7 k，Rb31=10 k， Rb32=3.3 k， Rb1= Rb2=1 k， Re=2 k，Rp=220且動(dòng)端在中點(diǎn)， 三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降為0.7 V。 求： （1） 靜態(tài)時(shí)的集電極電位UC1； （2） 差模電壓放大倍數(shù)； （3） 差模輸入電阻和差模輸出電阻,38,2、共集共基復(fù)合差動(dòng)放大電路,(1)共集共基復(fù)合差動(dòng)放大電路如圖所示。 圖中縱向 NPN 管 V1 和 V2是基極輸入、射極輸出，組成共集電極電路，可以提高輸入阻抗。 橫向 PNP 管 V3 和 V4 則組成射極輸入、集電極輸出的共基極電路，有利于提

13、高輸入級(jí)的電壓放大倍數(shù)、最大差模輸入電壓和最大共模輸入電壓范圍，同時(shí)可以改善頻率響應(yīng)。在需要PNP管輸入級(jí)與提高輸入電阻時(shí)，可采用此種電路形式。,39,2、共集共基復(fù)合差動(dòng)放大電路,(2)用復(fù)合管構(gòu)成的差分放大電路 電路為圖3-14，V1和V3、 V2和V4分別構(gòu)成了復(fù)合管的電路形式。 利用復(fù)合管可以獲得很高的電流放大系數(shù)。,圖3-14 復(fù)合管差動(dòng)放大電路,40,綜上所述， 我們可以得到如下結(jié)論,A、差動(dòng)放大電路具有放大差模信號(hào)、 抑制共模信號(hào)的能力， 因此， 在普遍采用直接耦合的集成運(yùn)算放大器中， 廣泛采用差動(dòng)放大電路作為輸入級(jí)，以起到抑制零點(diǎn)漂移的作用。 B、差動(dòng)放大電路的射極電阻不影響差

14、模信號(hào)的放大，但射極電阻越大， 抑制共模的能力就越強(qiáng)，一般采用恒流源電路來替代射極電阻， 以獲得較好的共模抑制能力。 C、差動(dòng)放大電路共有兩種輸入形式和兩種輸出形式，可以組合成四種典型電路， 它們具有不同的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇合適的電路形式。,41,3.3 電流源電路與輸出級(jí)電路,3.3.1 基本電流源電路 3.3.2 其他電流源形式 3.3.3 輸出級(jí)電路,42,3.3.1 基本電流源電路,1、鏡像電流源 (1)基本鏡像電流源如圖3-15所示。 由于V1和V2是特性完全相同的對(duì)管，并且 二者的發(fā)射結(jié)偏置電壓相同， 因此可以認(rèn)為兩管的參數(shù)完全相同， IB1=IB2，IC1=IC2,

15、43,(參考電流),1、鏡像電流源,當(dāng)參考電流IREF 確定后， 該恒流源的輸出電流 也就確定了。當(dāng)足夠大時(shí) 由上式可以看出，當(dāng) R 確定后，IREF 就確定了，輸出電流Io 也隨之確定。,44,(2)若希望獲得相反方向的輸出電流， 可用PNP管構(gòu)成電流源， 如圖3-16所示。,圖 3-16,1、鏡像電流源,45,1、鏡像電流源,(3)帶緩沖級(jí)的鏡像電流源 對(duì)于基本鏡像電流源來說， 只有在值較大時(shí)，才能認(rèn)為IOIREF， 否則兩個(gè)者差別較大。 為了解決這一問題， 在電路中加入V3。 利用V3的電流放大作用， 減小了IB1 和IB2 對(duì)IREF的分流作用， 從而提高了IO對(duì)IREF的鏡像程度。可

16、以證明,46,2、電流源作有源負(fù)載,（a） PNP電流源作NPN管的有源負(fù)載; （b） 等效電路,圖3-19（a）中， V2和V3以及電阻R構(gòu)成PNP管鏡像電流源，作為共發(fā)射極形式連接的放大管V1的集電極有源負(fù)載,這里電流源起了兩個(gè)作用， 一是給放大管提供靜態(tài)工作電流， 二是以電流源的交流電阻ro替代集電極負(fù)載電阻Rc的作用。由于ro很大，使每級(jí)的Au電壓放大倍數(shù)達(dá)到103以上,47,3.3.2 其他電流源形式,1、微電流源 在集成電路中，有時(shí)需要A級(jí)的小電 流， 如果利用鏡像電流源實(shí)現(xiàn)，就必須提高電阻 R 的阻值，這在集成電路中非常困難。,48,3.3.2 其他電流源形式,1.微電流源 UB

17、E1-UBE2=IE2Re2 所以 由于兩個(gè)三極管發(fā)射結(jié)電壓之差UBE是一個(gè)較小的數(shù)值，因此利用不大的Re2 就可以獲得較較小的恒流輸出， 故稱為微電流源。,圖3-20 微電流源,UBE1,UBE2,49,2、比例電流源,顧名思義，比例電流源就是輸出電流與參考電流成一特定的比例關(guān)系的電流源，如圖3-21所示。 UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2 且 UBE1UBE2， IREFIC1IE1 可得 也就是說，改變Re1 與 Re2 就可以獲得和 IREF 成不同比例的電流輸出 。,圖 3-21,50,例3-2,圖3-22為多路電流源原理電路，說明三級(jí)管V5的作用，并寫出IO1、 IO

18、2和IO3的表達(dá)式。,51,3.3.3 輸出級(jí)電路,集成運(yùn)算放大電路的輸出級(jí)應(yīng)具有高輸入 電阻、 低輸出電阻的特性。一般采用互補(bǔ)對(duì)稱 形式的射極輸出器來做輸出級(jí)。,52,1、輸出級(jí)電路,(1)為了降低管耗，提高效率，采用圖 3-23 所示互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路,(2)原理: 靜態(tài)時(shí):二管截止 靜態(tài)損耗極小 動(dòng)態(tài)時(shí):正弦波正半周:v1導(dǎo)通,v2截止, +Uccv1RL (正半周輸出） 正弦波負(fù)半周: v1截止,v2導(dǎo)通, RLv2-Ucc(負(fù)半周輸出） 所以在RL上得到一個(gè)完整的正弦波，但由于存在三極管都有死區(qū)電壓，輸出波形存在交越失真。,導(dǎo)通,導(dǎo)通,截止,截止,互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路,53,1、輸出級(jí)電路

19、,(3)為了克服交越失真采用圖3-25所示的電路 利用兩個(gè)二極管VD1,VD2的PN節(jié)壓降使兩個(gè)三級(jí)管在ui=0 時(shí)處于微通狀態(tài)。 這樣，較小的 ui 也可以通過三級(jí)管輸出到負(fù)載上，從而消除了交越失真。,54,2、采用復(fù)合管的輸出級(jí)結(jié)構(gòu),(1) 為什么要采用復(fù)合管？ 為了對(duì)輸入正弦信號(hào)的正負(fù)半周有相同的放大能力， 要求互補(bǔ)的NPN和PNP三極管的參數(shù)盡可能對(duì)稱。 但實(shí)際上，小功率管還比較容易做到， 而對(duì)于大功率管來說， 就相當(dāng)困難了。 要想解決這一矛盾， 必須采用復(fù)合管的形式。,55,2、采用復(fù)合管的輸出級(jí)結(jié)構(gòu),(2)復(fù)合管的組成 通常用一個(gè)中（小）功率管和一個(gè)大功率管復(fù)合而成。 復(fù)合的規(guī)律：

20、即第一管子輸出電流必須與第二管子輸入電流方向一致。,56,幾種典型復(fù)合管復(fù)合形式,圖3-26 （a）、 (d)等效為NPN管; （b）、 (c)等效為PNP管,57,2、采用復(fù)合管的輸出級(jí)結(jié)構(gòu),(3) 復(fù)合管的特點(diǎn) A、復(fù)合管的管型與第一只管子V1相同。 因?yàn)閂1 的基極電流決定了復(fù)合管的基極電流方向。IB 流入復(fù)合管為NPN，反之為PNP。 B、復(fù)合管的12 。,58,(3) 復(fù)合管的特點(diǎn) C、如果V1的發(fā)射極接V2， 則V2相當(dāng)于V1的射極電阻，復(fù)合管的輸入電阻：rbe=rbe1+（1+1）rbe2 如果V1的集電極接V2， 此時(shí)的V2相當(dāng)于V1的集電極電阻， 復(fù)合管的輸入電阻： rbe=

21、rbe1,59,例3-3 以圖3-26（a）為例， 證明復(fù)合管 的電流放大系數(shù)約為V1、 V2電流放大系數(shù)之 積， 即 12。 證明: 由圖3-26（a）的電路結(jié)構(gòu)可知 ic=ic1+ic2=1ib1+2ib2 =1ib1+2ie1=1ib1+2(1+1)ib1=(1+2+12)ib1 所以,60,3.4 MOS繼承運(yùn)算放大器的主要單元,3.4.1 MOS集成運(yùn)放的主要特點(diǎn) 3.4.2 MOS集成運(yùn)放中的基本單元電路,61,3.4.1 MOS集成運(yùn)放的主要特點(diǎn),MOS集成運(yùn)算放大器的組成和雙極型集成運(yùn)算放大器相同， 各部分電路結(jié)構(gòu)及作用也基本相似， 只不過MOS集成工藝主要適用于制造數(shù)字集成電

22、路， 對(duì)于模擬集成電路來說， 在性能上和雙極型運(yùn)放相比還有一定的差距。 但由于MOS集成運(yùn)放具有制造工藝簡單、 集成度高、 功耗低以及溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)， 隨著集成制造工藝的發(fā)展，這些優(yōu)勢已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)， 特別在模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)中，MOS電路更加顯示出它的優(yōu)越性。,62,MOS集成運(yùn)算放大器主要有NMOS和CMOS兩種類型。 NMOS集成運(yùn)放全部由N溝道MOS管構(gòu)成， 具有工藝簡單、 集成度高的優(yōu)點(diǎn)。 CMOS集成運(yùn)放是互補(bǔ)的MOS電路， 由互補(bǔ)的NMOS管和PMOS管構(gòu)成， 這種CMOS制造工藝具有設(shè)計(jì)靈活、 低功耗等特點(diǎn)。,63,3.4.2 MOS集成運(yùn)放中的基本單元,MOS繼承運(yùn)算放大器

23、與由差動(dòng)輸入級(jí)，中間級(jí)別，輸出級(jí)和偏置電路幾部分組成,64,3.4.2 MOS集成運(yùn)放中的基本單元,1、MOS管差動(dòng)輸入級(jí)電路 采用MOS管構(gòu)成差動(dòng)放大電路，如圖3-28所示，可以提高輸入電阻。圖3-28為雙入單出的CMOS管差動(dòng)輸入級(jí)。,圖 3-28,1、MOS管差動(dòng)放大電路 其中NMOS管V1和V2為差放工作管； PMOS管V3和V4組成鏡像電流源， 作為V1和V2的有源負(fù)載； V5為單管電流源， 為差放管提供偏置電流。 MOS管差動(dòng)放大電路仍具有放大差模、 抑制共模的特點(diǎn)。,65,2、MOS管基本鏡像電流源,基本場效應(yīng)管鏡像電流源如圖3-29所示。 從中可得出： IREF=UCC-UGS

24、 根據(jù)場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線即可確定IREF。因?yàn)镸OS管的Ig=0 。 所以在V1和V2對(duì)稱的條件下， 有IO=IREF。,圖3-29 MOS管基本鏡像電流源,66,3.5 常用集成運(yùn)算放大器,3.5.1 集成運(yùn)算放大器的基本概念 3.5.2 集成運(yùn)放的組成與工作原理 3.5.3 集成運(yùn)放的主要參數(shù) 3.5.4 集成運(yùn)放在電子技術(shù)中的運(yùn)用,67,3.5.1 集成運(yùn)算放大器的基本概念,1、集成運(yùn)算放大器的性質(zhì) 2、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào) 3、集成運(yùn)算放大器的外形,（a）雙列直插式；（b） 扁平式； （c） 圓殼式,68,3.5.1 集成運(yùn)算放大器的基本概念,4、理想集成運(yùn)放的模型 (1)開環(huán)

25、差模電壓放大倍數(shù) Aud=uo/(u+-u-) (2)差模輸入電阻，rid (3)輸出電阻，ro0 (4)共模抑制比，KCMRR 實(shí)際上：A741 Aud100dB rid1M 以上對(duì)工程計(jì)算來講，已十分精確,69,3.5.2 集成運(yùn)放的組成與工作原理,從20世紀(jì)60年代發(fā)展至今已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品，A741（F 007）和單極型CMOS集成運(yùn)放5G1457為例對(duì)運(yùn)放多級(jí)電路的基本原理和功能進(jìn)行簡單介紹。,70,1、集成運(yùn)算放大器A741（F 007）,A741（F 007）是第二代雙極型通用集成運(yùn)算放大器， 具有高電壓放大倍數(shù)、 高輸入電阻、 高共模抑制比、 低功耗及有過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 圖3-4

26、5為集成運(yùn)放A741的電路原理圖。,71,1、集成運(yùn)算放大器A741（F 007）,圖3-45 集成運(yùn)算放大器A741電路原理圖,72,1、集成運(yùn)算放大器A741（F 007）,整個(gè)電路共有24個(gè)晶體三極管， 10個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。 電路有12個(gè)引腳， 腳是反相輸入端， 腳是同相輸入端， 腳是輸出端， 腳是負(fù)電源端（-15 V）， 腳是正電源端（15 V）， 腳與腳之間外接調(diào)零電位器， 腳與腳接相位補(bǔ)償電容。 原理電路由差動(dòng)輸入級(jí)、 中間放大級(jí)、 互補(bǔ)輸出級(jí)和偏置電路四部分組成， 現(xiàn)分別介紹如下:,調(diào)零-,-IN,+IN,-UCC,+UCC,調(diào)零+,-Uo,NC,73,1） 偏置電路 V1

27、2、 R5、 V11組成主偏置電路， 在+UCC和-UCC的作用下提供整個(gè)放大器的參考電流IREF， IREF=IC12=IC112UCC/R5。 V10和V11組成微電流源， 給輸入級(jí)的V3和V4提供偏置。 V8、 V9也組成一組鏡像電流源， 給輸入級(jí)V1、 V2提供偏流（IC8=IC9=IC10）。 需要說明的是， 這種偏置電路具有負(fù)反饋的作用， 可以減小零點(diǎn)漂移。 如果溫度升高使IC3、 IC4增加時(shí)， 則導(dǎo)致IC8增加， 也就使IC9增加。,74,但由于IC10是恒定的， 而IC10=IC9+IB3+IB4， 因此IB3、 IB4下降， 導(dǎo)致IC3、 IC4也下降。 由于上述負(fù)反饋?zhàn)饔?/p>

28、， 使IC3、 IC4基本恒定， 從而穩(wěn)定了輸入級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)， 提高了整個(gè)電路的共模抑制比。 V12、 V13是組成兩路輸出（A、 B）的鏡像電流源電路， A路供給輸出級(jí)的偏置電流， 并使V18和V19工作； B路給中間級(jí)提供偏置并作為中間級(jí)的有源負(fù)載。,75,2） 差動(dòng)輸入級(jí) 差動(dòng)輸入級(jí)是由V1V6 組成的互補(bǔ)共集共基差動(dòng)放大電路。 縱向的NPN管V1、 V2組成共集電極電路可以提高輸入電阻， 橫向的PNP管V3、 V4組成共基電路配合V5、 V6和V7組成有源負(fù)載， 有利于提高輸入級(jí)的電壓放大倍數(shù)、 最大差模輸入電壓和擴(kuò)大共模輸入電壓的范圍。 另外， 帶緩沖級(jí)的鏡像電流源使有源負(fù)載兩邊電

29、流更加對(duì)稱， 也有利于提高輸入級(jí)抑制共模信號(hào)的能力。 電阻R2用來增加V7的工作電流， 避免因V7的工作電流過小， 使7下降而減弱緩沖作用。,76,3） 中間級(jí) 中間級(jí)由V16和V17組成復(fù)合管共發(fā)射極放大電路， 集電極負(fù)載為V13B所組成的有源負(fù)載， 因有源負(fù)載的交流電阻很大， 所以本級(jí)可以得到較高的電壓放大倍數(shù)， 同時(shí)由于射極電阻的存在， 且V17接于V16的發(fā)射極的接法也使該級(jí)電路具有較大的輸入電阻。 V17的集電極與V16基極間的電容C是用作相位補(bǔ)償， 以消除自激， 通常容量較小。,77,4） 輸出級(jí) 本級(jí)由V14和V20組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)， V18和V19接成二極管的形式， 利用V1

30、8和V19的PN結(jié)壓降使V14和V20處于微導(dǎo)通狀態(tài)， 以消除交越失真。,78,2、CMOS集成運(yùn)算放大器5G14573 5G14573是一種通用型CMOS集成運(yùn)算放大器， 該芯片含有同樣的四個(gè)運(yùn)算放大器單元， 為雙列直插封裝形式。 圖3-46為5G14573中一個(gè)運(yùn)放單元的電路原理圖， 場效應(yīng)管符號(hào)采用了簡化的表示方法。,79,圖3-46 CMOS集成運(yùn)算放大器5G14573內(nèi)部電路原理圖,80,差動(dòng)輸入級(jí)由V1、 V2組成， V3、 V4構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)的漏極有源負(fù)載。 V5、 V6為差動(dòng)輸入級(jí)提供源極偏置電流。 輸出級(jí)由V8組成NMOS共源極放大器并由PMOS管V7作V8的有源負(fù)載。 C是

31、相位補(bǔ)償電容， 用于防止自激振蕩。 為了獲得較小的參考電流IREF， 5G14573的偏置電阻外接， 并且每兩個(gè)運(yùn)放共用一個(gè)偏置電阻。,81,3.5.3 集成運(yùn)放的主要參數(shù),1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)ud 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在開環(huán)（無反饋）情況下的直流差模電壓放大倍數(shù)，即開環(huán)輸出直流電壓與差模輸入電壓之比， 用ud表示。 集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)通常很大， 經(jīng)常用db表示。,82,2輸入失調(diào)電壓UIO 對(duì)于一個(gè)理想放大器來說， 在不使用調(diào)零電阻時(shí)也應(yīng)具有零入零出的特性， 這主要取決于電路的對(duì)稱性。 因此， 沒有完全對(duì)稱的電路， 就沒有完全的零入零出， 集成運(yùn)放在輸入電壓為0時(shí)

32、， 都存在著或多或少的輸出電壓。,83,在室溫25 及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下， 當(dāng)輸入電壓為零時(shí)， 為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為0， 在輸入端所加的補(bǔ)償電壓叫做輸入失調(diào)電壓， 記為UIO， UIO的大小實(shí)際上就是此時(shí)的輸出電壓折合到輸入端的電壓的負(fù)值。 UIO越小， 表示集成運(yùn)放的對(duì)稱程度和電位匹配情況越好， 其值一般為（110 mV）。,84,3輸入偏置電流IIB 對(duì)于雙極型集成運(yùn)放， 靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)兩差放管基極電流IB1和IB2的平均值， 稱為輸入偏置電流， 用IIB表示。 即,（3-32）,輸入偏置電流越小， 信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也越小， 一般為10 nA1 A。,85,4輸入失調(diào)電流I

33、IO 對(duì)于雙極型集成運(yùn)放， 輸入失調(diào)電流是指當(dāng)輸出電壓為0時(shí)， 流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差， 即 IIO=IB2-IB1 （3-33） 它反映了放大器的不對(duì)稱程度， 所以希望越小越好， 其值約為1 nA0.1 A。,86,5溫度漂移 （1） 輸入失調(diào)電壓溫漂UIO/T。 是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)， 輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化率， 它是反映集成運(yùn)放電壓漂移特性的指標(biāo)， 不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償， 一般為（1030 V）/。 （2） 輸入失調(diào)電流溫漂IIO/T。 是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)， 輸入失調(diào)電流隨溫度的變化率， 它是反映集成運(yùn)放電流漂移特性的指標(biāo)， 同樣不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。 其范

34、圍一般在 (550 nA)， 高質(zhì)量的每度幾個(gè)皮安。,87,6.共模抑制比KCMRR 集成運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)， 其差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比稱為共模抑制比， 即,88,7差模輸入電阻rid 運(yùn)算放大器開環(huán)時(shí)從兩個(gè)差動(dòng)輸入端之間看進(jìn)去的等效交流電阻， 稱為差模輸入電阻， 表示為rid， 高質(zhì)量的運(yùn)放的差模輸入電阻可達(dá)幾兆歐姆。 8輸出電阻rod 從集成運(yùn)放的輸出端和地之間看進(jìn)去的等效交流電阻， 稱為運(yùn)放的輸出電阻， 記為rod。,89,9最大差模輸入電壓Uidmax 集成運(yùn)放兩輸入端之間能承受的最大電壓差值叫做最大差模輸入電壓Uidmax。 超過這個(gè)電壓， 運(yùn)放輸入級(jí)某側(cè)的三極管將會(huì)

35、出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿， 而使運(yùn)放性能惡化或損壞。 一般利用平面工藝制成的硅NPN管的Uidmax約為5 V左右， 而橫向三極管可達(dá)30 V以上。,90,10最大共模輸入電壓Uicmax 最大共模輸入電壓是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。 超過這個(gè)數(shù)值， 運(yùn)放的共模抑制比將顯著下降或出現(xiàn)永久性破壞， 高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)13 V。,91,11 轉(zhuǎn)換速率SR 指運(yùn)放在額定輸出電壓下， 輸出電壓的最大變化率， 即,（3-34）,它反映了運(yùn)算放大器對(duì)于高速變化輸入信號(hào)響應(yīng)的快慢， 也叫壓擺率， 表示為SR。,92,12單位增益帶寬BWG（fT） 當(dāng)開環(huán)電壓增益下降到1（電壓放大倍數(shù)為0 dB）時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率， 稱為單位增益帶寬， 記為BWG或fT。 除以上參數(shù)外， 還有已經(jīng)介紹過的帶寬以及其他參數(shù)， 在具體使用時(shí)可查閱相關(guān)的手冊、 說明等， 以獲得正確和最佳的使用方法。,93,3.7.