集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)及特性

集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)及特性第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1集成運(yùn)算放大電路概述一、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：模擬集成電路、數(shù)字集成電路第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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。運(yùn)算放大器是由直接耦合多級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。集成電路中第一級常采用差動電路。（為克服或減小溫漂）第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、模擬集成運(yùn)放的組成及各部分的作用集成運(yùn)算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖08.01所示。圖08.01運(yùn)算放大器方框圖第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。

4.偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。

3.互補(bǔ)輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。

2.中間放大級要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月五、運(yùn)算放大器的符號和型號

運(yùn)算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號‘+’或‘IN+’表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號“-”或“IN-”表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符號邊框內(nèi)標(biāo)有‘+’號。實(shí)際的運(yùn)算放大器通常必須有正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)集成放大器的符號

按照國家標(biāo)準(zhǔn)符號如圖08.02所示。

(a)(b)圖08.02模擬集成放大器的符號

(a)國家標(biāo)準(zhǔn)符號(b)原符號第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)集成運(yùn)算放大器的型號命名

數(shù)字序號

(與世界上其它廠家同類型產(chǎn)品的序號相同。)

其它例如:集成功率放大器的型號命名CD－－－－集成穩(wěn)壓器的型號命名CW－－－－第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月六、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性

集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性如下圖（b）所示，它具有如下特點(diǎn)：第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由集成運(yùn)算放大電路的特性曲線可知：（1）輸入信號只有在很小的范圍內(nèi)(±Uid)，輸出與輸入有線性關(guān)系；（2）當(dāng)輸入信號幅值過大時，輸出會產(chǎn)生失真，Uod趨于飽和值（±Uom）。第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2電流源電流源是一個輸出電流恒定的電源電路，與電壓源相對應(yīng)，它是電子線路中廣泛大量使用的單元電路。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1電流源概述(1)電流源電路是一個電流負(fù)反饋電路，并利用PN結(jié)的溫度特性，對電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對電流的影響。(2)電流源電路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，這對直接耦合放大器是十分重要。(3)用電流源做有源負(fù)載，可獲得增益高、動態(tài)范圍大的特性。(4)用電流源給電容充電，以獲得線性電壓輸出。(5)電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。(6)在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等。第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2三極管基本電流源

用普通的三極管接成電流負(fù)反饋電路，即可構(gòu)成一個基本的電流源電路。分壓偏置基本放大電路就具有這一功能，其電路如圖04.01所示。分壓偏置電路對工作點(diǎn)具有穩(wěn)定作用，也就是對IO有穩(wěn)定作用，具有穩(wěn)流特性。電壓源的內(nèi)阻小，電流源的內(nèi)阻大，內(nèi)阻越大穩(wěn)流特性越好。三極管電流源的內(nèi)阻rce有較大提高。

(a)(b)

圖04.01三極管電流源第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3集成電路電流源

一、鏡象電流源三極管T1、T2匹配，則,BE2BE1BE21VVV====bbb鏡象電流源電路如圖04.03所示，它的特點(diǎn)是工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡象(電流相等）。圖04.03鏡象電流源第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、精密鏡象電流源（帶緩沖）

精密鏡象電流源和普通鏡象電流源相比，其精度提高了

倍。電路如圖04.04所示。由于有T3存在，IB3和將比鏡象電流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。

圖04.04精密電流源第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、微電流源微電流源電路如圖04.05所示，通過接入Re電阻得到一個比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路中。由圖可得：

圖04.05微電流源

e2BEE2C2oBEBE2BE1e2E2e2E2BE2BE1/=RVIIIVVVRIRIVVD=?=D=-=+第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

Io與IR的關(guān)系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV-=-=D??=??

一般有IS1=IS2，所以

Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI==D=

因DVBE小，Io<<IR。同時Io的穩(wěn)定性也比IR好。第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、比例電流源

在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。其電路如圖04.06所示。圖04.06比例電流源

因兩三極管基極對地電位相等，于是有

e2e1Roe2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV???++因第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月五、多電流源通過一個基準(zhǔn)電流源穩(wěn)定多個三極管的工作點(diǎn)電流，即可構(gòu)成多路電流源，電路見圖04.07。圖中一個基準(zhǔn)電流IREF可獲得多個恒定電流IC2、IC3

。圖04.07多電流源第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月六、電流源用作有源負(fù)載目的：提高放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)

=－βR'L/rbe(03.16)

當(dāng)Rc趨于無窮時，RL’最大，此時電壓放大倍數(shù)也最大。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3集成運(yùn)算放大電路簡介集成運(yùn)放是一種高性能的直接耦合多級放大電路，該產(chǎn)品的種類繁多，但每種的基本組成、結(jié)構(gòu)形式、組成原則都一致。下面以通用運(yùn)放F007為例加以說明，其電路原理圖及放大部分電路如圖所示：第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4集成運(yùn)算放大器性能指標(biāo)、低頻等效電路及種類4.4.1運(yùn)算放大器的主要參數(shù)4.4.2運(yùn)算放大器的低頻等效電路4.4.3運(yùn)算放大器分類第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1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。第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)

1.輸入失調(diào)電壓Vio

：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時，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)部電路對稱性的指標(biāo)。

2.輸入失調(diào)電流

Iio

：(inputoffsetcurrent)在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

3.輸入偏置電流IB

：(inputbiascurrent)運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.輸入失調(diào)電壓溫漂

dVio/dT5.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。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.最大差模輸入電壓Vidmax

7.最大共模輸入電壓Vicmax

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)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,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。(maximumcommonmodeinputvoltage)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，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、運(yùn)算放大器的動態(tài)技術(shù)指標(biāo)

1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd

：(openloopvoltagegain)運(yùn)放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。

2.差模輸入電阻rid

：(inputresistance)輸入差模信號時，運(yùn)放的輸入電阻。

3.共模抑制比

KCMR

：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd

與共模電壓增益Avc

之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)算放大器外形圖第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2

運(yùn)算放大器的低頻等效電路簡化的集成運(yùn)放低頻等效電路如下圖所示：第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

為滿足實(shí)際使用中對集成運(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，發(fā)展了適應(yīng)不同需要的專用型集成運(yùn)放。它們在某些技術(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。4.4.3運(yùn)算放大器分類第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月通用型

通用型運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價格低廉。通用型運(yùn)放也經(jīng)過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ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1～2

mV、輸入失調(diào)電流20

nA、差模輸入電阻2

M

，開環(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。第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月高速型和寬帶型

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，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應(yīng)注重SR。例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37