第4章集成运放及应用

第4章集成运算放大器•一通用运放原理•二集成运放结构及特性参数•三理想运放第4章模拟集成单元电路引言：集成电路是在60年代初在分立元件基础上发展起来的一种新型电路，其主要利用半导体制作工艺将二三极管.电阻等制作在一小块芯片上（厚约0.2-0.25mm面积0.5mm2P型硅片）并将其连成能完成特定功能的电路。概括如下：半导体集成电路(IC)概述60年代初期出现70年代后期VLSI出现分为数字IC和模拟IC如运算放大器、电压比较器了解集成工艺的特点4.1集成运算放大器基础4.1.1集成运算放大器概述运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，由于它最初主要用作模拟计算机的运算放大，故至今仍保留这个名字。集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。集成运算放大器简称为集成运放。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，目前，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能。可以说，之一。(1)所有元件都是在同一硅片上，在相同的条件下，采用相同的工艺流程制造，因而各元件参数具有同向偏差，性能比较一致。这是集成电路特有的优点，利用这一优点恰恰可以制造像差动放大器那样的对称性要求很高的电路。实际上，集成电路的输入级几乎都无例外地采用差动电路，以便充分利用电路对称性，使输出的零漂得到较好的抑制。(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，高阻值电阻在硅片上占用面积很大，难以制造，而制作晶体管在硅片上所占面积较小。例如，一个5kΩ电阻所占用硅片的面积约为一个三极管所占面积的三倍。所以，常采用三极管恒流源代替所需要的高值电阻。(3)集成电路工艺不宜制造几十微微法以上的电容，更难以制造电感元件。为此，若电路确实需要大电容或电感，只能靠外接来解决。由于直接耦合可以减少或避免使用大电容及电感，所以集成电路中基本上都采用这种耦合方式。(4)集成电路中需用的二极管也常用三极管的发射结来代替，只要将三极管的集电极与基极短接即可。这样做的原因主要是这样制作的“二极管”的正向压降的温度系数与同类型三极管的UBE的温度系数非常接近，提高了温度补偿性能。由此可见，集成电路在设计上与分立元件电路有很大差别，这在分析集成电路的结构和功能时应当予以注意。§4.1.2通用运放原理1.集成运放的组成及特点：①组成：差动放大,中间放大,推挽输出,偏置电路和附加电路输入级：差动放大,高增益,直接耦合,高输入电阻输出级：OCL电路,偏置电路为恒流源电路（及各种变形电路）,低输出阻抗附加电路：双端输出→单端输出，电平位移→零输入零输出，过载保护电路②运放符号：图8-2（a）同相输入端→同相端→“+”端;反相输入端→反相端→“-”端不计共模输出时的输出电压：vo=Avd(v+－v－),当v－=0，vo=Avdv+→信号从“+”输入，同相放大器当v+=0，vo=－Avdv－→信号从“－”输入，反相放大器4.2实际集成运算放大器的内部电路简介集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不相同，但其内部电路的基本结构却大致相同。本节主要从使用的角度来介绍典型集成运放内部电路的组成、工作原理和性能，从而对集成运放有个全面而深入的了解。集成运放的内部电路可分为输入级、偏置电路、中间级及输出级四个部分。输入级由差动放大器组成，它是决定整个集成运放性能的最关键一级，不仅要求其零漂小，还要求其输入电阻高，输入电压范围大,并有较高的增益等。偏置电路用来向各放大级提供合适的静态工作电流,决定各级静态工作点。在集成电路中，广泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置。中间级主要是提供足够的电压放大倍数，同时承担将输入级的双端输出在本级变为单端输出，以及实现电位移动等任务。输出级主要是给出较大的输出电压和电流，并起到将放大级与负载隔离的作用。常用的输出级电路形式是射极输出器和互补对称电路，有些还附加有过载保护电路。下面以国产第二代通用型集成运放F007(5G24、μA741)为例，对各部分电路的功用作以分析。F007的电原理图如图4-6所示。电路共有九个对外引线端：②、③为信号输入端，⑥为信号输出端，在单端输入时，②和⑥相位相反，③和⑥相位相同，故称②为反相输入端，③为同相输入端；⑦和④为正、负电源端；①和⑤为调零端；⑧和⑨为（消除寄生自激振荡的）补偿端。1.输入级输入级的性能好坏对提高集成运放的整体质量起着决定性作用。很多性能指标，如输入电阻、输入电压（包括差模电压、共模电压）范围、共模抑制比等，主要由输入级的性能来决定。在图4.2.1中，V1～V7以及R1、R2、R3组成F007的输入级。其中，V1～V4组成共集—共基复合差动放大器（V1、V2为共集电路，V3、V4为共基电路），构成整个运放的输入电路。差模信号由V1、V2的基极（②、③端）输入，经放大后由V4、V6的集电极以单端形式输出到中间级V{16}的基极。V5、V6、V7构成V3、V4的有源负载。由V1、V2组成的共集电路输入电阻已经很高，它们的发射极又串有V3、V4共基电路的输入阻抗，使输入端②、③之间的差模输入阻抗比一般差动电路提高一倍，可高达1MΩ。由于两只PNP管V3、V4的基射结之间的反向击穿电压较高，因而差模输入电压范围较宽，可达+30V。V1、V2的集电极经V8接到+15V，Uc1=Uc2=150.7=14.3V。可见，当共模输入电压为13V时，V1、V2的集基之间仍可有1.3V的反偏电压，仍可正常工作，故可输入的共模电压较高。由于有源负载比较对称，使共模抑制比可以很高。V7的作用除了向V5、V6提供偏流外，还将V3、V5集电极电压的变化传递到V6的基极，使V6的集电极电压变化量提高一倍，从而使单端输出的电压接近于双端输出的电压。2.在集成运放中，为了减少静耗、限制温升，必须降低各管的静态电流。而集成工艺本身又限制了大阻值偏置电阻的制作，因此，集成运放多采用恒流源电路作为偏置电路。这样既可使各级工作电流降低，又可使各级静态电流稳定。F007中采用的恒流源电路是“镜像电流源”及“微电流源”电路,3）F007图4.2.4示出了F007的偏置电路，由V8至V{13}以及R4、R5组成。图中共三对镜像电流源，它们是V8与V9、V10与V11、V12与V13（其中V10与V11是微电流源）。流过R5的电流IR是V{12}与V{13}、V{10}与V{11}这两对电流源的基准电流。IR在V{13}中的镜像电流IC13向中间级的V16、V17提供静态电流；IR在V{10}中的镜像电流IC10为V9提供集电极电流，同时为V3、V4提供基流I{3，4}。即IC10=IC9+I3，4。V8与V9电流源中，IC8为输入级的V1、V2提供集电极静态电流。51112RUUUUIBEBEEECCR5RUUEECC可见，IR是一个基本恒定的基准电流。还应指出，V8、V9与恒流源V{10}在这里组成了一个共模负反馈环节，具有稳定IC3、IC4的作用。比如，当温度升高使IC3、IC4增加时，也会引起IC8增加，IC9便也随之增加。但IC10恒定，结果导致I3，4}减少，进而使IC3、IC4减少，从而保证了V3、V4静态工作点的稳定，提高了输入级的共模抑制比。4.F007的输出级主要由三部分电路组成：由V14、V18、V19组成的互补对称电路；由V15、R7、R8组成的UBE扩大电路；由VD1、VD2、R9、R10组成的过载保护电路。（关于互补对称电路及UBE扩大电路的工作原理，请看第5章中的有关内容。）信号从中间级的V13、V16（V17）的集电极加至互补对称电路两管基极，放大后从⑥端输出。过载保护电路是为防止功放管电流过大造成损坏而设置的。3.中间级是由V16、V17组成的复合管共射放大电路，其输入电阻大，对输入级的影响小；其集电极负载为有源负载（由恒流源V13组成），而V13的动态电阻很大，加之放大管的β很大，因此中间级的放大倍数很高。此外，在V16、V12的集电极与基极之间还加接了一只约30pF的补偿电容，用以消除自激。正常工作时，VD1、VD2不通。当V14导通（V18、V19截止）且导通电流过大时，会引起UR9增大而使VD1导通，VD1对IB14分流，从而限制V14的输出电流。同样，当V18、V19导通（V14截止）且导通电流过大时，会引起UR10增大而使VD2导通，ID2对IB18分流，从而限制了复合管V18、V19的输出电流。这就是过载保护功能。4.2.3集成运放的基本技术指标衡量集成运放质量好坏的技术指标很多，基本指标有10项左右。实用中可通过器件手册直接查到各种型号运放的技术指标。不过，并不是一种运放的所有各项技术指标都是最优的，往往各有侧重。即使是同一型号的组件在性能上也存在一定的分散性，因而使用前常需要进行测试和筛选。为此，必须了解各项性能参数的含义。2.输入失调电流IOSIOS是当运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差，IOS=|IB1IB2|。它是由内部元件参数不一致等原因造成的。IOS越小越好，一般为1nA～10μA。1.输入失调电压UOS实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时,输出电压并不为零。规定在室温（25℃）及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放两输入端额外附加的补偿电压称为输入失调电压UOS。UOS越小越好，一般约为0.5～5mV。1.输入失调电压UOS实际的集成运放难以做到差动输入级完全对称，当输入电压为零时,输出电压并不为零。规定在室温（25℃）及标准电源电压下，为了使输出电压为零，需在集成运放两输入端额外附加的补偿电压称为输入失调电压UOS。UOS越小越好，一般约为0.5～5mV。4.开环差模电压放大倍数Aod集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差模信号电压之比称开环差模电压放大倍数Aod。它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝（dB）表示，目前最高值可达140dB以上。5.共模抑制比KCMRRKCMRR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即KCMRR=|Aod/Aoc|，其含义与差动放大器中所定义的KCMRR相同，高质量的运放KCMRR可达160dB。6.输入失调电压温漂dUOS/dt和输入失调电流温漂dIOS/dt在规定的工作温度范围内，输入失调电压对温度的变化率称为输入失调电压温漂，用以表征UOS受温度变化的影响程度，一般为1～50μV/℃，好的可达0.5μV/℃。在规定的工作温度范围内，输入失调电流对温度的变化率称为输入失调电流温漂，用以表征IOS受温度变化的影响程度，一般为1～5nA/℃，好的可达pA/℃数量级。7.最大共模输入电压UIcmaxUIcmax是在线性工作范围内集成运放所能承受的最大共模输入电压。超过此值，集成运放的共模抑制比、差模放大倍数等会显著下降。8.最大差模输入电压UIdmaxUIdmax是运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值。输入差模电压超过UIdmax时，可能使输入级的管子反向击穿。9.差模输入电阻ridrid是集成运放在开环时，输入电压变化量与由它引起的输入电流的变化量之比，即从输入端看进去的动态电阻。一般为MΩ数量级，以场效应管为输入级的可达104MΩ。10.开环输出电阻roro是集成运放开环时，从输出端向里看进去的等效电阻。其值越小，说明运放的带负载能力越强。除上述这些指标外，集成运放还有最大输出电压、最大输出电流、带宽、单位增益带宽、静态功耗等技术指标。还应说明，随着技术的改进，近些年来，各种专用型集成运放也不断问世，如高阻型（输入电阻高）、高压型（输出电压高）、大功率型（输出功率高达十几瓦）、低功耗型（静态功耗低，如1～2V、10～100μA）、低漂移型（温漂小）、高速型（过渡时间短、转换率高）等。通用型集成运放价格便宜，容易购买；专用型集成运放则可满足一些特殊要求。有关具体器件的详细资料，须参看生产厂家提供的产品说明。4.3理想运放•理想运放的条件：输入失调电压VI