第5章集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)及特性

1、第第5 5章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 5.1 集成運(yùn)算放大電路簡(jiǎn)介 5.2差分放大電路 5.3電流源電路 5.4集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介 5.5 集成運(yùn)放的主要參數(shù)及低頻等效電路 5.6 集成運(yùn)放的使用5.1 模擬集成電路簡(jiǎn)介 一、集成電路（IC）概述 在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。它體積小、性能很好，能完成一定的功能。 二、模擬集成電路的分類（三種分類方法） 1、按結(jié)構(gòu)工藝分：半導(dǎo)體集成電路、混合集成電路、電子管集成電路 2、按集成度分：小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路 3、按功能分：模擬

2、集成電路、數(shù)字集成電路 三、模擬集成電路的特點(diǎn) 1、同在一塊硅片上制造，元件參數(shù)的一致性很好。 2、電路中電阻元件一般由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值范圍為幾十歐20千歐左右，另外電阻值的精度不易控制，誤差在20%30%左右。 3、電路中電容值也不大（幾十PF）。 4、集成電路存在溫漂。 5、電路中的二極管多用作溫度補(bǔ)償或電位移動(dòng)。 運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。集成電路中第一級(jí)常采用差動(dòng)電路。（為克服或減小溫漂）5.1 集成運(yùn)算放大電路概述 一、集成運(yùn)放電路（IC）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2. 集成運(yùn)放內(nèi)部電路的輸入級(jí)采用

3、差分電路。5.集成運(yùn)放內(nèi)部電路經(jīng)常用復(fù)合管。3. 集成運(yùn)放內(nèi)部電路用有源元件（晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管）替代電阻。4. 集成運(yùn)放內(nèi)部電路用恒流源電路作偏置電路。集成運(yùn)放內(nèi)部電路均采用直接耦合方式的多級(jí)放大電路。 二、集成運(yùn)放電路的組成及各部分的作用 集成運(yùn)放電路方框圖1. 輸入級(jí)：輸入級(jí)：要求其輸入電阻高，抑制共模能力強(qiáng)，差模放大倍數(shù)大。2. 中間級(jí)：中間級(jí)：要求放大倍數(shù)大。多采用共射（或共源）電路，并采用復(fù)合管做放大管，用恒流源做集電極負(fù)載。3. 輸出級(jí)：輸出級(jí)：要求輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻?。◣ж?fù)載能力強(qiáng)）和非線性失真小。4. 偏置電路：偏置電路：偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作

4、點(diǎn)。集成運(yùn)放采用電流源電路為各級(jí)提供集電極（或發(fā)射極、漏極）靜態(tài)工作電流。 5.2 差分放大電路 一、電路結(jié)構(gòu)二、靜態(tài)分析（1） 差分放大電路輸入共模信號(hào)icoccuuA=共模增益：cA在電路參數(shù)理想對(duì)稱情況下：0cA 電路參數(shù)對(duì)稱起互相補(bǔ)償作用，抑制溫度漂移。 Re對(duì)共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，抑制溫度漂移。三三、?dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析1（2） 差分放大電路加差模信號(hào)三三、動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析2具有恒流源的差分放大電路四、 改進(jìn)型差分放大電路5.3 集成運(yùn)放中的電流源電路 電流源是一個(gè)輸出電流恒定的電源電路，電流源是一個(gè)輸出電流恒定的電源電路，與電壓源相對(duì)應(yīng)，它是電子線路中廣泛大量使與電壓源相對(duì)應(yīng)，它是電子

5、線路中廣泛大量使用的單元電路。用的單元電路。5.3.1 基本電流源電路5.3.2 改進(jìn)型電流源電路5.3.3 多路電流源電路5.3.4 以電流源為有源負(fù)載的放大多路一、 鏡像電流源5.3.1 基本電流源電路鏡像電流源具有一定的溫度補(bǔ)償作用溫度補(bǔ)償作用CCBCBECCRIIIIRUVI2 2 2RCIIRUVIIBECCRC1 2 當(dāng)時(shí)CCCIII10BBBIII1010基準(zhǔn)電流5.3.2 威爾遜電流源 23RUUVIBEBECCR5.3.2 威爾遜電流源 ) 2221 (23RCII5.3.3 微電流源eBEBEECRUUII101111lnCReTCIIRUI式中：基準(zhǔn)電流RUVIBECCR

6、0基于比例電流源的多路電流源5.3.4 多路電流源電路二、 多集電極管構(gòu)成的多路電流源三、 MOS管多路電流源1. 5.3.5 電流源的應(yīng)用 為集成運(yùn)放各級(jí)電路提供偏置電流; 作為各級(jí)放大電路的有源負(fù)載,提高電壓增益;F007中的電流源電路六、電流源用作有源負(fù)載六、電流源用作有源負(fù)載目的：提高放大倍數(shù)目的：提高放大倍數(shù) 舉例說(shuō)明：舉例說(shuō)明：電壓放大倍數(shù) = RL / rbe (03.16)io/VVAvLcL/= RRR 當(dāng)當(dāng)Rc趨于無(wú)窮時(shí)，趨于無(wú)窮時(shí)，RL最大，此時(shí)電壓放大倍數(shù)最大，此時(shí)電壓放大倍數(shù)也最大也最大。圖4.2.10 有源負(fù)載共射放大電路返回返回圖4.2.11 有源負(fù)載差分放大電路

7、返回返回4.3 集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介 第一代產(chǎn)品:以A709為代表.開(kāi)環(huán)增益為45000.缺點(diǎn)是內(nèi)部缺乏過(guò)流保護(hù). 第二代產(chǎn)品:以A741為代表.開(kāi)環(huán)增益約為10萬(wàn).缺點(diǎn)是輸入失調(diào)參數(shù)和共模抑制比不理想. 第三代產(chǎn)品:4E325、AD508等,采用 (=10005000)管,輸入失調(diào)和溫漂小. 第四代產(chǎn)品:5G7650、HA29000等.為高阻、高精度、低漂移型集成運(yùn)放,性能已接近理想運(yùn)放,圖4.3.1 F007電路原理圖5.5 運(yùn)算放大器的符號(hào)和型號(hào)集成放大器的符號(hào) 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)如圖08.02所示。 (a) (b)圖08.02 模擬集成放大器的符號(hào) (a) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào) (b)原符號(hào)5.5.

8、1 運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據(jù)運(yùn)算放大器本身的特點(diǎn)而設(shè)立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運(yùn)算放大器，對(duì)某些項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有特殊要求的是各種特種運(yùn)算放大器。一、運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 1.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ：(open loop voltage gain)運(yùn)放在無(wú)外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。 2.最大輸出電壓Uop-p: 最大輸出電壓是指在一定的電源電壓下,集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值.如P007電源電壓為15V時(shí)的最大輸出電壓為10V,設(shè)Aod =100000,則輸出為

9、10V,按Aod=100000計(jì)算,輸出為10V時(shí), 當(dāng)Uid的峰-峰值超過(guò)0.1mV時(shí),輸出恒為10V,運(yùn)算放大器進(jìn)入非線性工作狀態(tài).3.差模輸入電阻rid ：(input resistance)輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。輸入級(jí)為雙極型管其輸入電阻為 , MOSFET為 .4.輸出電阻Ro: 輸出電阻的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的帶負(fù)載能力. 5.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)反映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力.定義為差模電壓增益 Aud 與共模電壓增益 Auc 之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。 KCMR=20lg(Aud / Au

10、c ) (dB)910510610 6.最大差模輸入電壓Uidmax 7.最大共模輸入電壓Uicmax (maximum differential mode input voltage)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。(maximum common mode input voltage)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。 8.輸入失調(diào)電壓UIO ：(input offset voltage)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

11、內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。 10.輸入失調(diào)電流 Iio ：(input offset current)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)稱的程度。 9.輸入偏置電流IIB ：(input bias current)運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值， IIB=(IBP+IBN)/2, 用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。11.輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT12.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)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。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。 13. -3dB帶寬 fH 與

12、單位增益帶寬 fC ： fH是集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益下降3dB時(shí)的頻率.理想運(yùn)放的fH為無(wú)窮大,實(shí)際的通用型集成運(yùn)放fH比較低,一般為幾赫茲到幾十赫茲. fC為Aod下降至0 dB時(shí)的頻率.fC與 fH之間存在關(guān)系:增益帶寬積為: 14.轉(zhuǎn)換速率SR ：轉(zhuǎn)換速率是指在給定負(fù)載條件下,當(dāng)輸入一個(gè)比較大的階躍電壓時(shí),集成運(yùn)放輸出電壓變化的最大速率,SR的單位為V/s.工作時(shí),輸入電壓的變化率不應(yīng)超過(guò)SR.SR高的集成運(yùn)放,其高頻響應(yīng)通常較好.HodCfAfHodfA 5.5.2 運(yùn)算放大器傳輸特性和理想模型開(kāi)環(huán)時(shí),輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系:)(UUAUAUodidodO5.5.2 運(yùn)算放大器傳輸特

13、性和理想模型一、理想運(yùn)算放大器的條件二、理想運(yùn)算放大器的特性 滿足下列參數(shù)指標(biāo)的運(yùn)算放大器可以視為理想運(yùn)算放大器。 1.差模電壓放大倍數(shù)Aud，實(shí)際上Aud80dB即可。 一、理想運(yùn)算放大器的條件 2.差模輸入電阻Rid，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的電阻大23個(gè)量級(jí)即可。 3.輸出電阻Ro0，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小12個(gè)量級(jí)即可。 4.帶寬足夠?qū)挕?5.共模抑制比足夠大。 實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。6.輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流及其溫度漂移為0. 理想運(yùn)算放大器具有“虛短”和“虛斷”的特性，

14、這兩個(gè)特性對(duì)分析線性運(yùn)用的運(yùn)放電路十分有用。為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)放必須在閉環(huán)(負(fù)反饋）下工作。 二、 “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念的概念 (1)虛短 由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10 V14 V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于 “短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。 “虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。 (2)虛斷 由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算

15、放大器的輸入電阻都在1 M以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1 A，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路。 “虛斷”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。 三、分析運(yùn)放電路的基本依據(jù)(1)運(yùn)放工作在線性區(qū):(2)運(yùn)放工作在非線性區(qū):UU0ii與UU時(shí)OmOUUUU時(shí)OmOUU四、集成運(yùn)放的低頻等效電路 5.6 集成運(yùn)放的使用一、使用前的準(zhǔn)備工作:P118二、保護(hù)措施:1.輸入保護(hù)2.輸出保護(hù)3.電源端保護(hù)運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖 通用型 高速型和

16、寬帶型 高精度(低漂移型） 高輸入阻抗型 低功耗型 功率型 為滿足實(shí)際使用中對(duì)為滿足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求，集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的除性能指標(biāo)比較適中的通通用型用型運(yùn)放外，發(fā)展了適應(yīng)運(yùn)放外，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專用型集成運(yùn)不同需要的專用型集成運(yùn)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指標(biāo)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指標(biāo)上比較突出。上比較突出。 根據(jù)運(yùn)算放大器的技根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類，術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類，主要有通用、高速、寬帶、主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。功耗等幾種。6.5.4 運(yùn)算放大器分類通 用 型 通用型運(yùn)算放大器

17、的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價(jià)格低廉。通用型運(yùn)放也經(jīng)過(guò)了幾代的演變，早期的通用型運(yùn)放已很少使用了。以典型的通用型運(yùn)放CF741 (A741)為例，輸入失調(diào)電壓12 mV、輸入失調(diào)電流20 nA、差模輸入電阻2 M，開(kāi)環(huán)增益100 dB、共模抑制比90 dB、輸出電阻75 、共模輸入電壓范圍13 V、轉(zhuǎn)換速率0.5 V/s。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： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 sV/201=RSMHz20=BWGSRV/2200=SZHMH600fSRV/0018=SZMH8000BWGSRV/17=SSRV/05=SZMH63BWGZMH20BWG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 CpA/5 . 1ddCV/03. 0ddnA3 . 0V4IOIOIOIOTITVIVCpA/128ddCV/5 . 03 . 0ddnA8 . 04 . 0