第四章集成運放

第四章集成運放第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日集成電路的工藝特點：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現需要對稱結構的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。4.1集成運算放大電路概述第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.2集成運算放大器的組成及其各部分的作用

一.

集成運放的總體結構第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日＋－u-u+uo集成運算放大器符號及電壓傳輸特性－＋＋∞反相輸入端u－（uN）同相輸入端u+（uP）輸出端uo國際符號：國內符號：集成運放的特點：電壓增益高:輸入電阻大:輸出電阻小:第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日電壓傳輸特性uouP、（—uN）uO=f(uP-uN)uO=Aod(uP-uN)差模開環(huán)放大倍數第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日

1.開環(huán)差模電壓放大倍數

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

2.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。

3.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。4.4集成運放的性能指標及低頻等效電路第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日5.輸入失調電壓溫漂在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.輸入失調電壓UIO

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電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

7.輸入失調電流在零輸入時，差分輸入級的差分對應管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

6.輸入偏置電流IB

：輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對應管輸入電流的大小。8.輸入失調電流溫漂在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日9.最大差模輸入電壓10.最大共模輸入電壓運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現反向擊穿現象。在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入對差分管出現飽和，放大器失去共模抑制能力。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日11.－3dB帶寬

fH

：運放的差模電壓放大倍數在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉換速率SR(壓擺率)：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉換速率SR的表達式為

第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日

集成運放的低頻等效電路第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日運算放大器外形圖第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日運算放大器外形圖第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日1.鏡像電流源基準電流：

無論Rc的值如何，IC2的電流值將保持不變。4.2集成運算放大器中的電流源電路一電流源電路因為：所以：ICIBIC2第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.比例電流源該電路具有較高的溫度穩(wěn)定性第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.微電流源很小，由于所以IC2也很小第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日1.加射極輸出器的電流源二改進型電流源電路第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.威爾遜電流源第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日三.多路電流源第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日多集電極管構成的電流源第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日四.以電流源為有源負載的放大電路T2、T3、R組成鏡像電流源，作為T1共射電路的負載。共射電路的電壓增益為：對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益比用電阻Rc作負載時大大提高了。放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源1.有源負載共射極放大電路第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.有源負載差動放大電路T3、T4組成鏡像電流源，作T1、T2的負載。同時可使單端輸出的電壓增益近似為雙端輸出的電壓增益。ΔiC1=–

Δ

iC2ΔiC3=Δ

iC1ΔiC3=Δ

iC4ΔiO=Δ

iC4–

Δ

iC2=2ΔiC1第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.共集—共基差動輸入級輸入阻抗高。T3、T4為橫向PNP管，可承受幾十伏的反向電壓。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日

4.3集成運放電路簡介第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日三.通用型集成運放F007第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日1.偏置電路：T12、R5和T11構成了主偏置電路，產生基準電流：其他偏置電流都與基準電流有關。

T10、T11和R4組成微電流源，通過T8和T9組成的鏡象電流源為差動輸入級提供偏置電流。

T12和T13管構成鏡象電流源。T13管為中間級、輸出級提供偏置電流,作為中間級的有源負載。第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.輸入級：T1、T2和T3、T4管組成共集一共基復合差動輸入電路。其中T1和T2管作為射極輸出器，輸入電阻高。

T3

和T4管是橫向PNP管，發(fā)射結反向擊穿電壓高，可使輸入差模信號達到30V以上。T5、T6、T7

和R1

、R2

、R3組成具有基極補償作用的電流源，作為差動輸入級的有源負載，可以提高輸入級的增益。它們同時還有單端輸出轉換為雙端增益的功能。第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.中間級：T16和T17是復合管組成的共射放大電路，T13管作這一級的集電級有源負載。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日

4.輸出級：

T14和T18、T19管組成互補對稱輸出級，T15、R7和R8為其提供靜態(tài)偏置克服交越失真。

D1管R7和R9保護T14管，使其在正向電流過大時不致燒壞。D2管R8和R10保護T18T19管在負向電流過大時不致燒壞。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日5.相位分析：

用“瞬時極性法”判定，“+”號腿為同相端；“—”號腿為反相端。+++--第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日

為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的通用型運放外，還有適應不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術指標上比較突出。根據運算放大器的技術指標可以對其進行分類，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。4.5特殊集成運算放大器第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日

一.高速型和寬帶型

用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數據采集測試系統(tǒng)。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，用于小信號放大時，可注重fH或fc，用于高速大信號放大時，同時還應注重SR。例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日

二.高精度(低漂移型）

用于精密儀表放大器，精密測試系統(tǒng)，精密傳感器信號變送器等。例如：

OP177

CF714

第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日

三.高輸入阻抗型

用于測量設備及采樣保持電路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日四.低功耗型

用于空間技術和生物科學研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。例如：

OP22正常工作靜態(tài)功耗可低至36

W。

OP290在0.8

V電壓下工作，功耗為24W

。

CF7612在5

V電壓下工作，功耗為50W

。第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日

五.功率型

這種運放的輸出功率可達1W以上，輸出電流可達幾個安培以上。例如：LM12

TP1465第三十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日本章小結1．直接耦合放大器的一個嚴重的問題是零點漂移。差動放大器是解決零點漂移問題的有效方法。差動放大器既能放大直流信號，又能放大交流信號。它對差模信號有很強的放大能力，對共模信號有很強的抑制能力。運算放大器都用差動放大器作為輸入級。2．電流源電路是構成運放的基本單元電路，其特點是直流電阻小，而交流電阻很大。電流源電路既可以為電路提供偏置電流，又可以作為放