第4章集成運(yùn)算放大電路

第四章集成運(yùn)算放大電路4.1集成運(yùn)算放大電路概述4.2集成運(yùn)放中的電流源電路4.3集成運(yùn)放簡(jiǎn)介4.4集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及低頻等效電路4.5集成運(yùn)算的種類及選擇4.1集成運(yùn)算放大電路概述4.1.1

集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器——高增益的直接耦合的集成多級(jí)放大器。集成電路的工藝特點(diǎn)：（1）因?yàn)楣杵喜荒苤谱鞔箅娙?，所以集成運(yùn)放均采用直接耦合方式。（2）因?yàn)橄噜徳哂辛己玫膶?duì)稱性，而且受溫度和干擾等影響后的變化也相同，所以集成運(yùn)放中大量采用差動(dòng)電路（作輸入級(jí)）和恒流源電路（作偏置電路或有源負(fù)載）。（3）因?yàn)橹谱鞑煌问降腎C，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成運(yùn)放允許采用復(fù)雜的電路形式，以達(dá)到提高電路各方面性能的目的。（4）因?yàn)楣杵喜灰字谱鞲咦柚惦娮?，需要大電阻時(shí)，往往使用有源元件（晶體管或FET）取代電阻。（5）集成晶體管和FET因制作工藝不同，性能上有較大差異，所以在集成運(yùn)放中常采用復(fù)合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。4.1.2集成運(yùn)放電路的組成及各部分的作用＋－u-－u+uo4.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性國(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同相輸入端反相輸入端輸出端集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)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-Uom0uoui2.理想運(yùn)算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞差摸輸入電阻Rid=∞輸出電阻Ro=0為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件：

電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（u+=u-）虛斷（ii+=ii-=0）3.線性區(qū)4.非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！+10V-10V+Uom-Uom0uoui一.

鏡像電流源基準(zhǔn)電流：無(wú)論T1的負(fù)載如何變化，IC1的電流值將保持不變。4.2集成運(yùn)放中的電流源電路4.2.1基本電流源電路二.

微電流源三.

多路電流源例4.2.14.2.4.以電流源為有源負(fù)載的放大電路二、有源負(fù)載差分放大電路4.3集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介F007偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)輸入級(jí)4.4

集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)及低頻等效電路1、開環(huán)差模增益Aod無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。通用型集成運(yùn)放一般在105左右，即100dB左右。F007的Aod大于94dB。2、共模抑制比KCMRF007的共模抑制比大于80dB，AOC小于14dB。3、差模輸入電阻ridF007:ri>2M,有的可達(dá)100M以上。4、輸出電阻roro

=幾幾十。4.4.1集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

5、輸入失調(diào)電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)。6、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。8、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)稱的程度。

7、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、－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

。

13、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

4.4.2

集成運(yùn)放的低頻等效電路簡(jiǎn)化的低頻等效電路

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，沒有特殊要求的場(chǎng)合。特殊類型的集成運(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。用戶可以從特殊類型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。4.5集成運(yùn)放的種類及選擇4.5.1集成運(yùn)放的發(fā)展概況4.5.2集成運(yùn)放的種類一、按工作原理分類1、電壓放大型實(shí)現(xiàn)電壓放大，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電壓源。(F007、F324、C14573)2、電流放大型實(shí)現(xiàn)電流放大，輸出回路等效成由輸入電流控制的電流源。(LM3900、F1900)3、跨導(dǎo)型將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電流源。(LM3080、F3080)4、互阻型將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，輸出回路等效成由輸入電流控制的電壓源。(AD8009、AD8011)二、按可控性分類1、可變?cè)鲆孢\(yùn)放壓控增益運(yùn)放(VCA610),控制電壓從0V變?yōu)?2V時(shí)，增益從-40dB到+40dB連續(xù)可調(diào)。數(shù)控增益運(yùn)放(AD526),用數(shù)字編碼控制增益。2、選通控制運(yùn)放兩通道選通控制運(yùn)放OPA676的原理示意圖通用型和特殊型二、按性能指標(biāo)分類1.高輸入阻抗型

這種類型的集成運(yùn)放差模輸入電阻往往大于109Ω，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級(jí)。這種類型的集成運(yùn)放，輸入級(jí)經(jīng)常采用超β管或場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)。其典型產(chǎn)品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。

2.高速型

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。主要應(yīng)用在高速數(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。高速型運(yùn)放的典型產(chǎn)品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。3.高精度型高精度運(yùn)放具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益等特點(diǎn)。一般ΔUIO/ΔT<2mV∕℃,ΔIIO/ΔT<200PA∕℃,KCMR≥110dB。

大多選用匹配特性優(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、F5037、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。4.低功耗型具有靜態(tài)功耗低，工作電源電壓低等特點(diǎn)。其功耗為微瓦數(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。

5.大功率型

大功率型集成運(yùn)放的電源電壓為正負(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。4.5.3

集成運(yùn)放的選擇一、信號(hào)源的性質(zhì)二、負(fù)載的性質(zhì)三、精度要求四、環(huán)境條件4.6

集成運(yùn)算放大器的使用4.6.1使用時(shí)必做的工作一、正確識(shí)別運(yùn)放的外引線（管腳）二、參數(shù)測(cè)量使用前，用簡(jiǎn)易測(cè)試法判斷其好壞，用萬(wàn)用表電阻的中間檔測(cè)試管腳有無(wú)短路或斷路現(xiàn)象。必要時(shí)用專用設(shè)備測(cè)試主要參數(shù)。三、調(diào)零或調(diào)整偏置電壓由于失調(diào)電壓及失調(diào)電流的存在，輸入為零時(shí)輸出往往不為零。對(duì)于內(nèi)部無(wú)自動(dòng)穩(wěn)零措施的運(yùn)放需外加調(diào)零電路，使之在零輸入時(shí)輸出為零。四、消除自激振蕩為防止電路產(chǎn)生自激振蕩，應(yīng)在集成運(yùn)放的電源端加上去耦電容。有的運(yùn)放需外接頻率補(bǔ)償電容C,應(yīng)注意接入合適容量的電容。一、輸入保護(hù)4.6.2保護(hù)措施防止差模電壓過(guò)大的保護(hù)電路防止共模電壓過(guò)大的保護(hù)電路二、輸出保護(hù)+--+三、電源保護(hù)第4章作業(yè)4.14.2

4.8

4.104.124.134.141．直耦放大器的一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是零點(diǎn)漂移。差動(dòng)放大器是解決零點(diǎn)漂移問(wèn)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。因此，運(yùn)算放大器都使用差動(dòng)放大器作為輸入級(jí)。2．電流源電路是構(gòu)