第4章集成运算放大器的结构及特性

第4章集成运算放大器4.1集成运算放大电路概述4.2电流源电路4.3集成运算放大电路简介4.4集成运算放大器性能指标低频等效电路及种类4.1集成运算放大电路概述一、集成电路（IC）概述在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。它体积小、性能很好，能完成一定的功能。二、模拟集成电路的分类（三种分类方法）1、按结构工艺分：半导体集成电路、混合集成电路、电子管集成电路2、按集成度分：小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路3、按功能分：模拟集成电路、数字集成电路三、模拟集成电路的特点1、同在一块硅片上制造，元件参数的一致性很好。2、电路中电阻元件一般由硅半导体的体电阻构成，阻值范围为几十欧~20千欧左右，另外电阻值的精度不易控制，误差在20%~30%左右。3、电路中电容值也不大（几十PF）。4、集成电路存在温漂。5、电路中的二极管多用作温度补偿或电位移动。运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。集成电路中第一级常采用差动电路。（为克服或减小温漂）四、模拟集成运放的组成及各部分的作用集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图08.01所示。图08.01运算放大器方框图1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。4.偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。五、运算放大器的符号和型号运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。(1)集成放大器的符号按照国家标准符号如图08.02所示。(a)(b)图08.02模拟集成放大器的符号(a)国家标准符号(b)原符号(2)集成运算放大器的型号命名数字序号(与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。)其它例如:集成功率放大器的型号命名CD－－－－集成稳压器的型号命名CW－－－－六、集成运放的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性如下图（b）所示，它具有如下特点：由集成运算放大电路的特性曲线可知：（1）输入信号只有在很小的范围内(±Uid)，输出与输入有线性关系；（2）当输入信号幅值过大时，输出会产生失真，Uod趋于饱和值（±Uom）。4.2电流源电流源是一个输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应，它是电子线路中广泛大量使用的单元电路。4.2.1电流源概述(1)电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。(2)电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要。(3)用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。(4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。4.2.2三极管基本电流源用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。分压偏置基本放大电路就具有这一功能，其电路如图04.01所示。分压偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对IO有稳定作用，具有稳流特性。电压源的内阻小，电流源的内阻大，内阻越大稳流特性越好。三极管电流源的内阻rce有较大提高。(a)(b)图04.01三极管电流源4.2.3集成电路电流源一、镜象电流源三极管T1、T2匹配，则,BE2BE1BE21VVV====bbbIIIIIIRCBCBC()===1222212b且RVVIBECCR=，当b2时,IICR2=，IC2和IR是镜象关系。镜象电流源电路如图04.03所示，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜象(电流相等）。图04.03镜象电流源二、精密镜象电流源（带缓冲）精密镜象电流源和普通镜象电流源相比，其精度提高了b倍。电路如图04.04所示。由于有T3存在，IB3和将比镜象电流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。图04.04精密电流源三、微电流源微电流源电路如图04.05所示，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路中。由图可得：图04.05微电流源e2BEE2C2oBEBE2BE1e2E2e2E2BE2BE1/=RVIIIVVVRIRIVVD==D==Io与IR的关系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV==D=一般有IS1=IS2，所以Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI==D=因DVBE小，IoIR。同时Io的稳定性也比IR好。四、比例电流源在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。其电路如图04.06所示。图04.06比例电流源因两三极管基极对地电位相等，于是有e2e1Roe2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV因五、多电流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，电路见图04.07。图中一个基准电流IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。图04.07多电流源六、电流源用作有源负载目的：提高放大倍数电压放大倍数=－βR'L/rbe(03.16)io/VVAv=LcL//='RRR当Rc趋于无穷时，RL’最大，此时电压放大倍数也最大。4.3集成运算放大电路简介集成运放是一种高性能的直接耦合多级放大电路，该产品的种类繁多，但每种的基本组成、结构形式、组成原则都一致。下面以通用运放F007为例加以说明，其电路原理图及放大部分电路如图所示：4.4集成运算放大器性能指标、低频等效电路及种类4.4.1运算放大器的主要参数4.4.2运算放大器的低频等效电路4.4.3运算放大器分类4.4.1运算放大器的主要参数运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。一、运算放大器的静态技术指标1.输入失调电压Vio：(inputoffsetvoltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电流Iio：(inputoffsetcurrent)在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流IB：(inputbiascurrent)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。4.输入失调电压温漂dVio/dT5.输入失调电流温漂dIio/dT在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。6.最大差模输入电压Vidmax7.最大共模输入电压Vicmax(maximumdifferentialmodeinputvoltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。(maximumcommonmodeinputvoltage)在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。二、运算放大器的动态技术指标1.开环差模电压放大倍数Avd：(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差模输入电阻rid：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。3.共模抑制比KCMR：(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比，常用分贝数来表示。KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)运算放大器外形图4.4.2运算放大器的低频等效电路简化的集成运放低频等效电路如下图所示：为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。4.4.3运算放大器分类通用型通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(A741)为例，输入失调电压1～2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/s。高速型和宽带型用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525AD9620AD9618OP37CF357sμV/201=RSMHz20=BWGSRμV/2200=SZHMH600=fSRμV/0018=SZMH8000=BWGSRμV/17=SSRμV/05=SZMH63=BWGZMH20=BWG高精度(低漂移型）用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177CF714CpA/5.1ddCV/μ03.0ddnA3.0Vμ4IOIOIOIO====TITVIVCpA/12~8ddCV/μ5.0~3.0ddnA8.0~4.0Vμ60~30IOIOIOIO====TITVIV高输入阻抗型用于测量设备及采样保持电路中。例如：AD549CF155/255/35513idBI10Ap040.0RI=12idBI10Ap30RI低功耗型用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22正常工作静态功耗可低至36W。OP290在0.8V电压下工作，功耗为24W。CF7612在5V电压下工作，功耗为50W。功率型这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12TP1465A10o=IA75.0o=I