2010秋《低頻電子線路》(19)集成運放內部電路和性能指標

?低頻電子線路?(19)山東大學信息科學與工程學院劉志軍9/19/20221上節(jié)課運放的功放級功率放大器9/19/20222本次課6.5集成運放電路舉例6.7集成運算放大器的主要性能指標〔包括2.5.3有限的壓擺率〕9/19/20223集成運放的特點及構成以具有代表意義的通用型模擬集成運算放大器為例。介紹通用型模擬集成運算的結構、原理、應用、特點等。9/19/20224模擬集成電路特點從制造工藝來看：采用直接耦合的電路結構〔不宜做大電容和電感〕；輸入級〔及其它〕常用差動電路〔利用對稱性做補償〕；大量采用恒流源電路〔做偏置和有源負載〕，做晶體管比做電阻等元件還容易。也常常采用組合電路形式。9/19/20225集成電路的優(yōu)點

有體積小、功耗小、功能強、可靠性好的優(yōu)點，故得到廣泛應用開展。9/19/20226集成運放的組成框圖

集成運放一般由四局部組成

輸入級中間級輸出級偏置電路9/19/20227運放框圖介紹輸入級中間級輸出級偏置級9/19/20228輸入級特點一般采用差動電路〔對稱性、抑制溫漂和噪聲〕。這是芯片性能好壞的關鍵。

9/19/20229中間級特點一般采用復合管和帶有源負載的共射放大電路。主要為獲得電壓增益，起到主要的放大作用。9/19/202210輸出級特點主要考慮功率輸出〔帶載能力強〕和過載保護。

9/19/202211偏置級特點為各級提供適宜的靜態(tài)工作點〔往往采用各種電流源〕保證各級能夠穩(wěn)定工作。9/19/2022126.5

集成運放電路舉例將以通用型集成運放為例，介紹模擬集成電路的構造、特點、性能技術指標和應用。具體介紹μA741〔F007、5G24等型號均為此管〕。9/19/202213集成運放組成框圖中間級輸出級偏置級輸入級9/19/202214〔1〕μA741特點雙極集成工藝第二代產品〔比較成熟〕通用型經典產品

9/19/202215主要缺點帶寬很窄，頻率特性差。只能用于低頻〔頻率很低〕的信號。9/19/202216〔2〕內部結構和工作原理集成運放內部電路，一般分為以上提到的四局部。結構特點：大量采用電流源電路〔有源負載，穩(wěn)定偏置〕。

9/19/202217集成運放內部電路圖見書P140、圖9/19/202218①輸入級分析輸入級為差動組合放大器；管子：VT1～VT8；主要任務：輸入阻抗高，共模抑制。9/19/202219輸入級分析VT1、VT3和VT2、VT4，共集—共基〔CC—CB〕差放組合電路。其中VT1、VT3縱向NPN管，CC電路，可提高輸入阻抗，β值大。VT2、VT4橫向PNP管，CB電路，有利提高差模輸入電壓。

9/19/202220輸入級分析VT5、VT6、VT7為比例電流源。組成差放的有源負載，可提高增益〔單端輸出相當雙端輸出〕。完成雙端—單端化輸出轉換。同時具有共模擬制作用。9/19/202221輸入級分析

9/19/202222②中間級分析主要性能是通過放大而獲得增益。主要由VT16和VT17組成可接成復合管形式〔注意電路圖有誤〕。VT13A〔多集電極電流源〕做有源負載提高增益9/19/202223電路圖9/19/202224③

輸出級分析由VT23〔多發(fā)射極〕是功放推動級,為CC電路，VT13B是有源負載；VT14、VT20是互補對稱功放級〔實際是射隨器〕。以上共同組成帶推動級的功放電路。請問：功放級是OTL還是OCL？注意：“互補〞指NPN、PNP類型互補，是兩個CC〔射隨器〕，“對稱〞指兩個管子參數(shù)一致。

9/19/202225電路圖9/19/202226保護電路工作原理R9、VT15組成限流保護電路。當正向電流過大時，保護功放輸出管。R9為例說明保護時VT15由截止到導通。

9/19/202227電路圖9/19/202228保護電路分析R10

截流保護。負向電流大時，R10壓降大，使VT21導通，同時使VT24、VT22均導通，從而降低VT16、VT17基極電壓，使Vc17電位和Ve23上升，使VT20的基極電位抬高，使管子截止。因此是截流保護。9/19/202229電路圖9/19/202230保護電路分析推動管保護〔VT16、VT17〕VT23的發(fā)射級之一，對此管也有過流保護作用。當VT16基流過大時，會使VT17飽和；UB23↓—UE23↓，由連線可分流一局部IB16電流；因而是過流保護。

9/19/202231電路圖9/19/202232④偏置電路偏置電路主要依托電流源起作用。偏置電路有哪些電流源?9/19/202233電流源看電路圖分析，請問?找一找,該芯片電路包括幾套電流源？分別屬于什么電流源？9/19/202234電路圖9/19/202235偏置電路分析VT10、VT11是參考電流源〔微電流源〕。提供全局的基準電流

改變R5，可進行調整基準和整機電流大小。

9/19/202236偏置電路分析VT8、VT9組成鏡像電流源〔由VT10帶動，給差動輸入級做偏置供電〕。VT5、VT6組成比例電流源，做差放級的有源負載。9/19/202237偏置電路分析VT12、VT13〔由VT11帶動〕組成鏡像源，為多輸出電流源。分別為中間級〔做VT17的有源負載〕和輸出級〔供給VT14、VT20〕兩處供電。

9/19/202238電路圖9/19/202239UBE擴展電路由VT18、VT19、R8組成。用于消除功放輸出的交越失真。9/19/202240電路圖9/19/202241

補償電容C1為補償電容〔頻率補償〕，是密勒電容補償。防止自激。9/19/202242電路圖9/19/202243靜態(tài)分析整個電路應該保持靜態(tài)平衡〔零輸入時零輸出〕。VT5、VT6可外接調零電路〔RP〕。一個好的運放器件，應該無需調零。9/19/202244F007管腳和電源注意管腳位置和電源位置。2314567+15V-15V+_9/19/202245電路圖9/19/202246動態(tài)分析自行判斷信號流向〔從輸入到輸出的信號流通路徑〕。可以使用電路組態(tài)〔哪進哪出〕的方法。9/19/202247F007電路原理圖(本書〕9/19/2022486.7

集成運放的主要性能指標輸入失調電壓UIO和輸入失調電流IIO以及失調的溫漂〔dIio/Dt，dIio/dT〕輸入偏置電流IiB開環(huán)差模電壓增益Aud共模擬制比KCMR差模輸入阻抗Rid共模輸入阻抗Ric輸出電阻Ro輸入電壓范圍〔Udm、Ucm〕帶寬BW轉換速率〔壓擺率〕SR靜態(tài)功耗Pc9/19/202249輸入失調電壓VIO和輸入失調電壓溫度系數(shù)反映制造中電路的對稱程度〔UBE〕和電位配合性能好壞。參數(shù)值越小越好〔1μv～20mv之間〕

9/19/202250輸入偏置電流IIB反映差分對管β1和β2大小，一般在nA～uA量級。

9/19/202251

輸入失調電流IIO及溫度系數(shù)反映β1、β2的對稱程度，和IIB有關。9/19/202252差模開環(huán)電壓增益Aud表示運放放大能力，一般在80~180dB。9/19/202253

共模抑制比KCMR表示運放共模擬制能力，一般大于100dB,有的達180dB.

9/19/202254最大差模輸入電壓差模輸入時，輸入端所能承受的最大輸入電壓值。9/19/202255最大共模輸入電壓接成電壓比較器時，產生1%跟隨誤差時的輸入電壓值?；蚨xKCMR下降6dB時所加共模電壓值。一般在幾伏～幾十伏。9/19/202256集成運放主要頻率參數(shù)開環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬GBW〔小信號時〕轉換速率/壓擺率SR〔大信號時〕建立時間tset差模和共模輸入阻抗9/19/202257差模和共模入阻同差放參數(shù)含義。

9/19/202258開環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬GBW

在小信號時衡量。是對器件增益和頻率特性的綜合衡量。9/19/202259建立時間tset在運放閉環(huán)電壓增益為1，規(guī)定負載并輸入階越大信號條件下，運放輸出電壓到達某一特定值范圍所需時間。9/19/202260轉換速率/壓擺率SR〔見P62〕指在大信號時的反響速度。反映運放輸出對高速變化的輸入信號的響應情況。一般接成跟隨器形式進行測試。SR大說明運放高頻特性好。9/19/202261μA741典型參數(shù)見書P145

9/19/202262特殊型集成運放簡介通用型——指運放一般指標比較均衡。特殊型——指運放某些指標特別優(yōu)越。如高入阻、高精度、微功耗、低噪聲、寬帶、高速、高壓、大功率等類型。

9/19/202263集成運放的選擇應用〔1〕如沒有特殊要求或一般應用，那么選用通用性集成運放系列即可，如741、324系列。9/19/202264集成運放的選擇應用〔2〕如系統(tǒng)要求精密、溫漂小、噪聲干擾低，那么選擇高精度、低漂移、低噪聲的集成運放。如對于微弱信號檢測、精密測量等自動化儀表或高精度穩(wěn)壓電源方面的應用。9/19/202265集成運放的選擇應用〔3〕如運放要求輸入阻抗高、輸入偏流小，那么要選擇高輸入阻抗的集成運放。常用于取樣/保持、峰值檢波、高質量積分器、光電檢測等應用電路中。9/19/202266集成運放的選擇應用〔4〕假設系統(tǒng)對功耗有嚴格要求，那么要選擇低功耗集成運放。9/19/202267集成運放的選擇應用〔5〕假設系統(tǒng)工作頻率高，或信號為窄脈沖，那么要選擇寬帶、高速集成運放電路。9/19/2022689/19/2022699/19/202270運放的選擇見P65表2.5.2