第四章 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)放電路簡(jiǎn)介4.4集成運(yùn)放的指標(biāo)及低頻等效電路4.5集成運(yùn)放的種類及選擇4.6集成運(yùn)放的使用2/4/202314.1集成運(yùn)算放大電路概述

集成電路(Integratedcircuit_IC)是利用氧化，光刻，擴(kuò)散，外延，蒸鋁等半導(dǎo)體工藝，把晶體管，電阻，導(dǎo)線等集中制作在一小塊半導(dǎo)體（硅）基片上，構(gòu)成一個(gè)完整的電路。2/4/202324.1.1集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5．在集成電路中，NPN管都做成縱向管，大；PNP管都做成橫向管，小而PN結(jié)耐壓高。NPN管和PNP管無(wú)法配對(duì)使用。對(duì)PNP管，和(+1)差別大，IB往往不能忽略。1．單個(gè)元件精度不高，受溫度影響也大，但元器件的性能參數(shù)比較一致，對(duì)稱性好。適合于組成差動(dòng)電路。2．阻值太高或太低的電阻不易制造，在集成電路中管子用得多而電阻用得少。3．大電容和電感不易制造，多級(jí)放大電路都用直接耦合。4.

在集成電路中，常用二極管和三極管組成的恒流源和電流源代替大的集電極電阻和提供微小的偏量電流，二極管用三極管的發(fā)射結(jié)代替。2/4/202334.1.2集成運(yùn)放的組成及各部分的作用對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMR

,

輸入阻抗ri

盡可能大。對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

。即輸出阻抗ro小。偏置電路：為各級(jí)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)2/4/20234集成運(yùn)放的符號(hào)＋－uPuN

uoAod－＋＋

u－

u+

uoAo同相輸入端：uP、u＋反相輸入端：uN、u運(yùn)放的電壓傳輸特性線性區(qū)線性區(qū)：飽和區(qū)：飽和區(qū)4.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性2/4/202354.2集成運(yùn)放中的電流源電路4.2.1

基本電流源電路一、鏡像電流源currentmirrorT0、T1對(duì)稱。（常數(shù)）電路具有溫度補(bǔ)償作用：溫度↑→IC1↑IC1↓ICO↑→IR↑→UR↑→UB↓→IB↓2/4/20236二、比例電流源希望得到：IC1＝IR。當(dāng)Re0、Re1差別不太大時(shí)：由于Re0、Re1的存在，IC1的穩(wěn)定性比鏡像電流源好。2/4/20237三、微電流源Widlarcurrentmirror希望得到：很小的IC1(A級(jí))。而R又不能太大，前面的電流源電路不適用。電路中，>>1時(shí)：2/4/202384.2.2

改進(jìn)電流源電路一、加射極輸出的電流源IC1與IR的不同是由于2IB引起的。加入電流放大電路2/4/20239二、威爾遜電流源對(duì)基本3管電流源進(jìn)行改進(jìn)，使IC1與IR更加接近。WilsonCurrentSourcePNP威爾遜電流源2/4/2023104.2.3.多路電流源電路同時(shí)有多路電流輸出。1.基于比例電流源各BJT的UBE近似相等，有：2.基于多集電極三極管各集電極的面積為S0、S1、S2，有：2/4/2023113.MOS管多路電流源各MOS管溝道的W/L為S0、S1、S2、S3，則2/4/202312例題：電路如圖所示，計(jì)算：IR、IC10、IC13。解：2/4/2023134.2.3

電流源負(fù)載放大電路為了提高電路的增益Au，用電流源替代Rc/Rd。一、有源負(fù)載共射電路有源負(fù)載電路實(shí)際電路微變等效電路T2、T3沒(méi)有輸入信號(hào)，受控源開路。電路增益基本共射電路2/4/202314二、

有源負(fù)載差分電路電路：電流鏡的作用

由于鏡像電流源的作用，增益是電阻負(fù)載的2倍。電路增益差模信號(hào)

單端輸出結(jié)構(gòu)。2/4/2023154.3集成運(yùn)放簡(jiǎn)介一、F007電路1.偏置電路：

T12、R5和T11產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。分析

T10、T11和R4組成微電流源；T8和T9鏡象電流源。

T12和T13管電流源作為中間級(jí)的有源負(fù)載、并為輸出級(jí)提供偏置。4.3.1雙極型集成運(yùn)放2/4/2023162.輸入電路：

T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復(fù)合差動(dòng)輸入電路。

T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成鏡象電流源，作為差動(dòng)輸入級(jí)的有源負(fù)載，可以提高輸入級(jí)的增益。3.中間級(jí)：

T16和T17是復(fù)合管組成的共射放大電路，T13管作這一級(jí)的集電級(jí)有源負(fù)載。4.輸出級(jí)：T14和T18、T19

管組成互補(bǔ)輸出級(jí)。T15與R7、R8組成電壓源，提供靜態(tài)偏置。D1、D2為過(guò)流保護(hù)電路。2/4/202317二、LM324電路2/4/202318LM324簡(jiǎn)化電路(1/4)2/4/202319MC14573電路T1、T2、T7、R：多路電流源T3、T4、T5、T6：有源負(fù)載差分放大T8：共源放大運(yùn)放實(shí)物圖片4.3.2單極型集成運(yùn)放2/4/2023204.4.1集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.開環(huán)差模增益Aod在集成運(yùn)放無(wú)外加反饋時(shí)差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增益。60～180dB,F007:100dB左右。2.共模抑制比KCMR80～180dB,F007:80dB左右。

4.4集成運(yùn)放性能指標(biāo)和低頻等效電路2/4/2023213.差模輸入電阻rid在輸入差模信號(hào)時(shí)的輸入電阻。F007:大于2MΩ；反映UBE的失配

rid

越大從信號(hào)源索取的電流越小。4.輸入失調(diào)電壓UIO及其溫漂dUIO/dTUIO是使輸出電壓為零時(shí)，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓。F007:2～10mV,OP177:4uV。2/4/202322dUIO/dT是UIO

的溫度系數(shù)，是衡量運(yùn)放溫漂的重要參數(shù)。低漂移<1uV/℃,超低漂移<0.1～0.05uV/℃.F007:20～30uV/℃,OP177:0.03uV/℃.F007:50～100uA,OP177:0.3uA。dIIO/dT是IIO的溫度系數(shù)，是衡量運(yùn)放溫漂的重要參數(shù)。OP177:1.5PA/℃.5.輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂dIIO/dT反映輸入電流不對(duì)稱程度.VO為0時(shí)：2/4/202323IIB↓→IIO↓，信號(hào)源內(nèi)阻的影響也越小。VO為0時(shí)：6.輸入偏置電流IIBIIB

是輸入差放管的基極偏置電流的平均值。7.最大共模輸入電壓UIcmaxUIC>Uicmax時(shí)，運(yùn)放不能正常工作。8.最大差模輸入電壓UIdmax

UIdmax是不至于使PN結(jié)反向擊穿允許的最大差模輸入電壓。FOO7:±30V2/4/2023249.-3dB帶寬fHfH是使Aod下降3dB時(shí)的信號(hào)頻率。FOO7:7Hz10.單位增益帶寬fcfc是使Aod下降到零分貝時(shí)的信號(hào)頻率。理想運(yùn)放：

Aod

、KCMR、rid、fH等均為∞，

UIO、dUIO/dT、IIO、dIIO/dT

、IIB等均為0。11.轉(zhuǎn)換速率SR：集成運(yùn)放對(duì)信號(hào)變化速度的適應(yīng)能力.2/4/202325說(shuō)明參數(shù)典型值LM324A741MC14573開環(huán)差模增益

Aod10521053104共模抑制比

KCMR=20lg(AOd/AOc)80dB

9080單位增益帶寬fCAOd＝1時(shí)的頻率1.3MHz

1.4轉(zhuǎn)換速率SR0.4V

/s0.52.5輸入失調(diào)電壓UIO2mV

15InputOffsetVoltage30nA

200.2輸入失調(diào)電流IIO輸入偏置電流IIB150nA

801最大共模輸入電壓UIcmaxVCC－1.5

VCCVCC－2KCMR下降最大差模輸入電壓UIdmax32V

30差分管擊穿差模輸入電阻rid

2M2/4/2023264.4.2集成運(yùn)放的低頻等效電路輸入等效電路輸出等效電路簡(jiǎn)化等效電路rO：輸出電阻

Ω數(shù)量級(jí)理想運(yùn)放Aod

、KCMR

、rid、fC、

SR…＝ro

、UIO、IIB、IIO

。…＝02/4/2023274.5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F007、F3242.電流放大型LM3900、F19003.跨導(dǎo)型LM3080、F30804.互阻型AD8009、AD80112/4/2023281.可變?cè)鲆孢\(yùn)放2.選通運(yùn)放二、按可控性分類1.高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）三、按性能指標(biāo)分類2/4/2023292.低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗一般比通用型低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)(不超過(guò)毫瓦級(jí))，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）3.高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場(chǎng)效應(yīng)管組成差分輸入級(jí)，輸入電阻高達(dá)1012

。高阻型運(yùn)放可用在測(cè)量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號(hào)源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）2/4/2023304.高速型大信號(hào)工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)1000V/s，單位增益帶寬可達(dá)10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點(diǎn)：常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）2/4/2023315.高壓型性能特點(diǎn)：輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。6.大功率型性能特點(diǎn)：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。4.5.3運(yùn)放的選擇（略）2/4/2023324.6集成運(yùn)放的使用一、集成運(yùn)放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號(hào)過(guò)大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因4.6.1使用時(shí)必做的工作2/4/2023332.漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動(dòng)端接觸不良集成運(yùn)放本身?yè)p壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯(cuò)避免負(fù)反饋過(guò)強(qiáng)合理安排接線，防止雜散電容過(guò)大2/4/2023344.6.2保護(hù)措施一、輸入保護(hù)(a)防止輸入差模信號(hào)幅值過(guò)大(b)防止輸入共模信號(hào)幅值過(guò)大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件uO+