模擬電子技術章三

第3章集成運算放大器3.1集成運算放大器的基本組成3.2理想運算放大器 集成運算放大電路是模擬電子技術的重點內(nèi)容之一。本章主要介紹集成運算放大電路的基礎知識及其應用，首先分別介紹集成運算放大電路的各個基本組成部分：偏置電路、輸入級、中間級和輸出級。然后介紹集成運放的主要性能指標，最后介紹理想運放的概念及其特點。 集成電路是將半導體三極管、二極管、電阻等元件及連線全部集中制造在同一小塊半導體基片上，成為一個完整的固體電路。集成電路的元件密度高、引線短、外部接線少，從而提高了電子設備的可靠性和靈活性，并且減低了成本，為電子技術的應用開辟了一個新的時代。 將彼此獨立的三極管、二極管、電阻、電容等用導線連接成的電路稱為分立元件電路。與分立元件電路相比，集成電路除了體積小、元件高度集中外，還有以下特點。 (1)所有各元件是在同一塊硅片上用相同的工藝過程制造的，因而具有相同的同向偏差，溫度特性等參數(shù)，特別適用于制造對稱性較高的差分放大電路。(2)由于電阻元件是由硅半導體的體電阻構成的，阻值范圍有一定的局限性，一般在幾十歐到幾十千歐之間，過高或過低的電阻制造很困難。(3)由于集成工藝不適于制作大容量的電容，更難于制造電感器件，所以電路結構大都采用直接耦合方式。(4)為了提高集成度（單位硅片面積上所集成的元件數(shù)）和集成電路性能，一般集成電路的功耗要小，這樣集成運放各級的偏置電路通常較小。(5)在集成電路中，制造有源器件（晶體三極管、場效應管等）比制造大電阻占用的面積小，工藝上也不麻煩。所以在集成放大電路中，常用三極管代替電阻，尤其是大電阻。 集成電路常有3種外形，即雙列直插式、圓殼式和扁平式，如圖3.1所示。圖3.1集成電路的外形集成跪電路服按其鑄功能蔽分，盾有數(shù)仗字集串成電盜路和獻模擬核集成基電路少。集遞成運磁算放摸大器弟是發(fā)高展最氧早、裂應用秋最廣算泛的困一種另模擬就集成炎電路躍，簡脖稱集什成運型放。紅它實蚊質(zhì)是招一個糕多級刻直接慣耦合吩高電填壓放跌大倍初數(shù)的葬放大央器，描早期輩的應浙用主嚼要是結數(shù)值暢運算壞，故話稱運激算放殊大器此，目厲前的筒用途禮已經(jīng)膠遠遠陳超過邀了此怨范圍晴，但岸仍沿運用此遲名稱害。集成鍋運放濱的符魂號如座圖3.沈2所示壤，它偉有兩嚷個輸運入端凡：同殘相輸零入端爆和反摸相輸匯入端增。標范“+”的為螞同相消輸入塞端，旅表明爹輸出豬電壓遙信號毒與該叢輸入餐端電辜壓信沒號相想位相馳同；脈標“-”的為麗反相仔輸入千端，鉛表明仍輸出部電壓痰與該答輸入率端的康電壓明信號凱相位書相反護。圖3.錘2集成驅(qū)運放公的符忍號3.交1區(qū)集嶺成運高算放稿大器踏的基械本組矛成圖3.諸3是典莫型集經(jīng)成運燒放的積原理膀框圖啄，集樹成運碎放一里般由獲偏置炭電路妨、輸粘入級員、中營間級踏和輸重出級4部分假組成認。另議外，轉(zhuǎn)還有劈燕電平療移動餓電路律、短猴路保奔護電胞路等是部分替。圖3.韻3集成倒運放臺的原粒理框慨圖①成偏置勉電路料：采智用恒碗流源土，向待各級乏提供即穩(wěn)定桐的靜堡態(tài)電嶺流。②篩輸入怨級：唉采用套差動岔放大慚器，發(fā)減小來零漂敞，提贏高輸恭入電寇阻。③騰中間撥級：年采用炕一至啄兩級盾直接龍耦合霧放大癥器，悼提供膜足夠體的電泉壓放直大倍類數(shù)。④屢輸出寨級：域采用偵功率歲放大沈器，寶提高腹集成哀運放席的帶丸負載邁能力勤，向票負載希提供益一定駝的功潑率。偏置超電路集成查運放柱為設競置合攀適、云穩(wěn)定集的直探流偏弊置電躺路以哪保證美其正拆常工遭作中賀，常庭采用妻恒流旅源電緞路。1.基本跌鏡像抖電流朱源電令路基本慎鏡像阿電流粥源電溪路如輸圖3.孤4所示若，它遺是由維兩個收特性伸對稱叮的三卸極管VT1和VT2及一卸個電朗阻R構成臭的。圖3.詳4鏡像紹電流蠶源這種尚電路紋的優(yōu)景點是刺結構慰簡單磁，電告路對挎稱易傭集成灘，且賢具有吵一定頁的溫旋度補投償作咬用。它的膀缺點負是輸容出電域流Ic2受直肯流電擱源UCC影響低。而憑且，必若要繪求得蒙到小急的電河流源亡時，艘電阻賀值將值達兆工歐級迷，集甜成電荒路無玩法實嫌現(xiàn)。2.減小β影響綱的鏡逝像電桐流源寬電路為了獻減小β的影慨響，蹈可采舞用如車圖3.寶6所示塊的改掉進型杠電路泰，在箏這個港電路番中，箏將VT1管的而集電努極與提基極起之間伍的短屠路線帖用VT3管取浮代。圖3.打6改進計的鏡醒像電豬流源3.多路眉輸出酷電流距源電彩路在集律成電蜓路中僚，有谷時需心要多慢個相耐同的耕電流鑼源，命這時卵可采畜用多熄路輸歐出電傅流源花電路薄。4.微電出流源影電路微電脹流源揮電路有是在高鏡像瞇電流施源的紛基礎錄上，川在VT2的發(fā)挽射級攤上接籠一個菜電阻Re，如沒圖3.蒜8所示綱。圖3.墨8微電兇流源鑄電路Re的負頭反饋鉛作用布可以債使輸畝出電蟻流變婆小，盒提高檢恒流牢源對癢電源犧變化煌的穩(wěn)閘定性磁，且俯溫度蔽穩(wěn)定悼性更再好。該電賄路的倒特點膏是用音很小熔的Re就可暫以獲銷得很乒弱的尼輸出挽電流扛，一箱般在拳毫安飛級，踏適合能用于槽小電眨流場狗合。輸入夕級輸入蘿級的娘好壞邊對提箭高集鞠成運富放的嚼整體可質(zhì)量刻至關吸重要然，如紋輸入土電阻豬、共均模抑擋制比寇、輸妖入電輕壓范說圍以曠及電愛壓放案大倍抵數(shù)等相許多潮性能丈指標美的優(yōu)泉劣，繭輸入杏級都夜起決少定性神作用宮。輸入棵級大驗都采在用差祥分放偏大電郵路的隱形式顛，最到常見墳的有3種：傷基本互形式掠、長涂尾式停和恒述流源野式。1.基本狀差分裳放大除器典型騾電路余組成災及抑面制零緊漂的融原理袖如下適。用兩劉級相徹同的談共射牢電路頸接成將面對蔽面的瘡形式露，將政兩個疼輸入?yún)残盘柣j分別足接于昨兩個特輸入駛端與皺地之婦間，逼實現(xiàn)腫雙端結輸入蛛。輸島出信滲號取掀自兩恨管的富集電動極，痕即將晴負載現(xiàn)接于紀兩管堡集電錄極之躍間，壤構成媽雙端伐輸出牲，如諒圖3.灘9所示彎。2.輸入結信號碰類型余及差潮模電掌壓放掏大倍女數(shù)基本紐奉差分泛放大辮器的碎輸入長信號腹可分默為共辰模信疤號和停差模附信號園兩種質(zhì)。在杯放大基器兩沒輸入闊端分恭別輸聯(lián)入大壇小相農(nóng)等、丑極性陸相同粒的信卷號，貸這種良輸入菌方式煩稱為登共模宵輸入蒼，信庸號稱糞為共醉模信排號，鋪常用uIc表示戚，即uIc=uI1=uI2。在共慘模輸武入情膀況下榜，因百電路貨對稱盡，兩調(diào)管的戲集電伯極電寄位變賭化相胖同，呀因而斜輸出宋電壓Uoc恒為酸零。切其原寧理與也輸入攤信號默為零(靜態(tài))的輸檔出結宮果一何樣，爆如圖3.嘉10所示墻。3.共模漂抑制雜比差分圾放大妹器的予輸入告信號滋可以匯看成滋一個泄差模早信號已與一監(jiān)個共鐵模信筐號的鳳疊加用。對脫于差桶模信貴號，滑要求冷放大移倍數(shù)尊盡量栽地大枯；對悼于共膠模信單號，院希望同放大毛倍數(shù)殿盡量量地小池。為賭了全稻面衡寬量一還個差散分放案大器圍放大最差模秋信號量信號傳、抑戶制共術模信境號的欄能力饑，引位入共金模抑慮制比KCM看R這個定量，壞來綜建合表腦征這蒜一性拳質(zhì)。在實紛際應衛(wèi)用電宗路中典，共姓模輸荒入信毅號常棵常比球差模搖輸入助信號吵大，聞而且李零漂械也可撞看成內(nèi)共模誓信號篩。因參此，丘要求盤放大賞器的靜共模旦抑制允比高裂，這預樣，州電路從受共徹模信帳號及飲零漂喊的干寫擾就盡小，上電路迎的質(zhì)細量就盡高。脅共模皂抑制評比是存差分漢放大吉器的息一項跑十分動重要航的技慘術指如標。采理想冊情況屢下，KCM托R→∞。一老般差菠放電稀路的KCM有R為40～60尚dB，高竄水平男的可糾達12雪0d要B以上久。4.長尾蹄式差柴動放百大電川路基本耽差分賓放大插器，條利用蟲對稱粥補償賺原理孩抑制移零漂寸。但另是在負單管龜集電售極對葛地的掃單端幫輸出歇電壓幣中，撕漂移今電壓鞠并沒冒有被驚補償氣，因疲此漂選移現(xiàn)寺象仍懼然存沸在。皺圖3.盈11所示望為長栗尾式別差動演放大度電路飯。圖3.嫁11長尾迅式差狀動放看大電碼路(1算)差放艇抑制聯(lián)共模項的原制理(2郊)差放暢的靜核態(tài)計寇算(3黑)差放握的動兇態(tài)分奔析及考計算①差?？s慧電壓皮放大鼻倍數(shù)②差模物輸入撈電阻RI策d③差模閉輸出陶電阻RO5.恒流迷源的嘴差分畜放大韻器用恒負流源利來代勁替Re就可責以解圣決靜斑態(tài)工耍作點秋和共特模抑使制比歪之間非矛盾信。因爆為恒容流源稠具有溉交流哲電阻州大，損直流精電阻賴小的恩特性勒。圖3.扇14所示輩為恒確流源去的差先分放程大器構，圖3.話15所示傲為恒谷流源殃式差并分放桌大電姥路的爺簡化浮表示動法。圖3.匠14恒流坑源的狡差分什放大姨器圖3.嘆15恒流火源式踐差分催放大伏電路搞的簡慘化表球示法6.差動梢放大飲電路修的4種接趕法(1沸)怖4種接混法差動故放大瘋電路是的4種接謎法如盲圖3.歌17所示舊。①雙端呆輸入督、雙序端輸枕出②雙端弊輸入她、單掏端輸豈出③單端辮輸入肝、雙裂端輸銜出④單端俯輸入?yún)?、單覆端輸洽出圖3.臣17差分驅(qū)放大砍電路聽的4種接課法中間皮級中間礙級的趁主要鵝任務璃是提鳴供足唯夠大后的電欣壓放柱大倍蠶數(shù)，遷不僅絕要求塌電壓緣瑞放大記倍數(shù)妖，而侄且還勁要求權輸入剩電阻園較高云。1.有源摩負載圖3.惱20是鏡橡像電淺流源底做集祝電極饞負載RC的有及源負無載放蘭大器多。圖3.盆20有源室負載弱單管般共射天放大溉電路2.復合次管中間大級的驢放大朽管有賀時采肅用復低合管垂的結幼構形孝式，票不僅花可以克獲得級很高池的電透流放指大系睜數(shù)，線而且低能夠猾大大永提高另中間距級的遍輸入帳電阻溫，以伯免對踩前級車放大太倍數(shù)堵產(chǎn)生孟不良獨影響盈，特揀別是域前級迷采用器有源灶負載善時，展提高表集成佳運放墳總的飄電壓易放大葬倍數(shù)若。所謂之復合辟管，搏即把炎兩個牧或兩約個以對上的店三極瀉管按炮一定丙的規(guī)苦律連菌接在嫁一起忽，組窄成一堪個復別合型嘗的管搬子。復合看管的鑒組成置原則糟：（1）第2個管冷子的遍基極踏電流屯應與徹其相蝦連的吩第一肢個管從子的嘩電極乏電流旅方向責一致住，保少證兩毛個管蘆子都迷工作達在放設大區(qū)民；（2）復蛋合管席的類接型與銀第一教個管均子相很同，留基極述是第死一個獵管子股的基搭極。復合哲管的眨接法輕有多盒種，構它們?？梢圆逵上嗤鐾惪裥偷呐Ｈ龢O旨管組旺成，訴也可裹以由創(chuàng)不同擇類型您的三梯極管濃組成爹。例顛如在編圖3.沫22中，過圖(a濱)和(b好)分別字由兩歡個同拖為NP玻N型或達同為PN棒P型的斧三極鏈管組每成，紀但圖(c圣)和(d乎)中的懂復合堂管卻計由不砌同類燭型的伙兩個歷三極扭管組灑成。圖3.論22復合談管的救接法如圖3.逗22所示,復合德管的究電流括放大度系數(shù)升滿足犯關系漠式β=雁β1β2。復挪合管嘉的類帳型取賀決于廢第一兵級管遭子的被型號餓。在幣集成惡運放饑中，充復合驕管不賭僅用朵于中鏡間級訊，也填常用僑于輸茅入級訴和輸探出級焰。輸出該級電高路集成際運放扒的輸犯出級鍬直接起與負經(jīng)載相巡壽連接,為了全提高零它的芹帶負羞載能登力,要求膽輸出她電阻坐較低半。此波外,輸出偷級的差交流春電壓殿和電蕩流和增幅度施都比南較大,故還社要求紹它有么較大跪的輸孔出功脹率。秒顯然,在放冬大器央的3種組康態(tài)中,具有肅低輸進出電金阻的懷共集(或共鎖漏)放大鉛器最娃適合杜作為浴輸出抽級的覺電路過。但周是,一般例的射禮級輸挖出器倉因為望功耗漏大、拿效率鍬低，垂輸出勝電壓莖范圍概不夠魂大，桶還不機能直初接作尺為輸際出級燒電路現(xiàn)，而賊必須卡加以未改進雞。1.互補腦對稱趁電路2.準互有補對僅稱電童路過流傾保護灑電路途集成植運放脆輸出庫級的故輸出簽電流圈很大誓，當?shù)敵龀级艘馐Ｍ舛虜y路或絹負載筍電流排太大水時，挪容易續(xù)損壞政運放則的內(nèi)哭部管擴子，籍所以離必須譽有過殖流保悟護電亞路。圖3.央23輸出蠶級電躁路集成歪運放子內(nèi)部籮電路潔組成F0赴07是集彈成運桐放的猴第二摔代產(chǎn)銹品，場它由24個三損極管喇、10個電陣阻和1個電匙容組斗成，匙它是芒一種釋性能救較好母、放執(zhí)大倍凡數(shù)較匹高、狐且具乎有內(nèi)舞部補醫(yī)償?shù)幕ㄍㄓ弥餍图牫蛇\儉放（做對應亂的國貓外型載號為uA蔥74占1）。F0捎07的內(nèi)礎部電爺路如誰圖3.距25所示扔，圖眼中個異引出岔端所婆標數(shù)洗字為陷其管觸腳編泛號。圖3.食25般F0套07內(nèi)部魯電路口圖下面壁分析F0慈07的工朗作原礙理。(1籮)輸入距級(2聾)中間帖級(3脆)輸出義級集成之運放鞭的性堵能指葡標集成鴿運放芬的質(zhì)搬量如巡壽何，趣根據(jù)繪什么辟來選索擇測牙試集頑成運瘦放，米這涉衰及到叉運放聚的技醋術指雀標問拒題。挖在實債際應登用中仇可以苦通過逐元器圓件手柴冊直需接查卡到各可種型疤號運互放的原技術灣指標留。為白了正擱確選衡擇和劃使用去集成駛運放裁，必設須了蠶解各紹參數(shù)攏的意謙義。瞧下面玻介紹藝幾個巖主要優(yōu)的參險數(shù)。(1慨)開環(huán)跟差模秋電壓或放大施倍數(shù)Aod(2票)輸入樂失調(diào)萬電壓UIO(3其)輸入運失調(diào)估電壓糖溫漂αUI厚O(4步)輸入昨偏置擁電流IIb和輸繳入失妙調(diào)電病流IIO(5梳)輸入訴失調(diào)咬電流社溫漂αII秋O(6疑)差模減輸入盆電阻rId(7忙)共模候抑制饞比KCM史R(8木)最大腥共模掩輸入蠢電壓UIC它M(9賣)最大癥差模收輸入拌電壓UID跨M(1島0)害-貿(mào)3倍dB帶寬fH(1俗1)轉(zhuǎn)換樓速率(S租R)除了旋以上鹽介紹傅的幾毛項主需要技忠術指急標外遇，還武有很飯多項冤其他游的指值標，桶如最赤大輸父出電移壓、這靜態(tài)但功耗胸等，叛由于匠含義螺比較他明顯燃，因拍此不漢再贅吃述。集成膏運放吹指標炭的含誦義只伶有結冒合具鼠體應啄用才貓能正拉確領攝會。集成亂運放頃種類遞較多勺，有屈通用化型，漢還有城為適拘應不蝦同需慘要而鑰設計撐的專藍用型藝，如隱高速挨型、淡高阻黑型、喘高壓酷型、湖大功耐率型扯、低襯功耗膏型及幻玉低漂大移型毀等。翁在實母際應盜用中柱，考肢慮到黨便宜豆與采名購方畢便，籌一般謊應選非擇通川用型住集成徹運放既，特巨殊需刮要時絞，則親應選秩擇專妥用型木。集成麥運放蜻應用品的一借些實應際問林題國內(nèi)股外的頸集成階運放慣種類郵繁多洞，應魄用非枯常廣薯泛。體除通若用型諒集成箱運放刺外，冒還有譯很多狼特殊慶運放更，它衰們的仙部分蹤蝶性能鉛比通墳用型啟好得齊多。竭例如戚，高窗輸入稍阻抗酒型，裕主要股用作旅測量傍放大自器、間模擬樓調(diào)節(jié)少器、蜓有源臥濾波糟器及左采樣—保持征電路璃；高枝精度含型，骨一般載用于切精密堵檢測稿、自鋪控儀達表等畫；高釣速型寨，一室般用咬于快怨速?！獢?shù)和還數(shù)—模轉(zhuǎn)贏換器立、有填源濾鼻波器搏、精溪度比爸較器別、高墊速采瞎樣—保持鐮電路勵和視鴨頻放儀大器蹈等要兩求輸態(tài)出對遼輸入礙響應帶迅速拳的情浴況；穗低功冶耗型倦，一闖般用擋于遙汽測，爸遙感蟻、生耽物醫(yī)再學和臣空間他技術輩等要信求能討源消旨耗有湊限制跑的場倦合。除了暑根據(jù)漆用途笛和要吳求正賄確選蠢型之忽外，加為了敏能達宇到使爹用要志求和騰精度圍，避饑免在塔調(diào)試術過程糞中損儀壞，棋在調(diào)晶試使沫用時揚還應橋注意篩以下槐問題古。1.調(diào)零失調(diào)圍電壓乳、失才調(diào)電奏流的置存在劉，使杯得實路際運集放當被輸入楊信號抖為零場時，遼輸出伸不為寒零。聰為此壘，有漸些運伴放在昌引腳鞭中設幕有調(diào)狡零端覽子，咸接上從調(diào)零喚電位館器可碼調(diào)零女。電旅位器器應選烘用精起密的惜線繞孤電位納器。勻調(diào)零箏時，耐將電駕路的本輸入陷端接本地，著調(diào)整唉電位RP，同威時用茂最低槍擋直勻流電醫(yī)壓表泰測輸網(wǎng)出電呀壓，佩使輸拘出電難壓為園零即渠可，攻如圖3.腔26所示測。圖3.干26集成嶼運放有些崇集成恐運放竟沒設辦調(diào)零筑端，盒例如貼有些篩雙運延放、孩四運會放就明不設董調(diào)零編端。壩為此鞠，使螺用中籠可采賞取輔禮助調(diào)克零的割辦法執(zhí)，如婚圖3.叫27所示謊。圖3.雞27輔助節(jié)調(diào)零傅措施2.消除煉自激運放澆工作串時很狀容易暢產(chǎn)生斗自激垃振蕩談，此韻時用晌示波鋪器接特在輸雪出端街，可猛看到追輸出礙信號讓上疊律加了厭波形吉近似都正弦曬的高祝頻振筍蕩，漏偶爾狀也有嘩出現(xiàn)簽低頻籃振蕩線情況滔。為耳了消桌除自泊激，取有些柏集成血運放褲在內(nèi)抖部已望做了蒜消振央電路蠅，有符些集破成運倘放則盈引出騎消振愚端子副，外反接RC消振席網(wǎng)絡用。在丑實際耳應用揪中，效為了棚使電副路穩(wěn)宮定，擠有些槳電路山分別完在運她放的渣正、慨負電貸源端興與地撥之間弊并接也上幾歌十微鎖法與0.看01毯~0槍.1搖μF的電面容，覆有些雷在反油饋電莖阻兩俗端并標聯(lián)電鴿容。辭有些喝在輸霉入端溪并聯(lián)果一個RC支路炭，見存圖3.霉28。圖3.菜28集成運運放它的消詞振電舅路3.保護匪措施在使游用過抹程中壺，由劫于電叼源極槍性接烘反、縱輸入郊信號橡過大引、輸映出端卷負載撥過重辟等原血因會亭造成修集成異運放訓損壞隱。因情此，擾除操恒作過薦程中榮加以挪注意進外，鋒還應桌在電號路上逢采取億一定杯的保點護措縮慧施。（1）墻輸入燙保護運放簡的差翅?；蜃旃材＿x輸入雅信號固電壓殼過高漂會引門起其盛輸入批級損牲壞，宣為此輩，可暗在集崖成運柳放輸哥入端泡并聯(lián)雖接入老極性忌相反妹的兩歷只二斤極管門，以質(zhì)將輸森入電蹦壓限漏制在殺二極故管導違通電怠壓之舒內(nèi)，柜如圖3.覽29所示紐奉。圖3.咐29輸入荒保護（2）逼輸出晃保護輸出拾端保禮護是范為了計防止界輸出秩碰到辯過電逮壓時素使輸蒜出級恢擊穿功，可鹿采用叼圖3.宴30所示蹄電路掛。正志常工獸作時領，輸獨出電駁壓小懷于雙省向穩(wěn)角定管鴨的穩(wěn)秧壓值漏，雙融向穩(wěn)閘壓管敬相當攏于開逐路。巷當輸蠻出端詠電壓贈大于胳穩(wěn)壓墓管穩(wěn)福壓值甜時，薪穩(wěn)壓卡管將宰擊穿觸，使渴運放喜負反爐饋加辯深，做將輸講出電挺壓限月制在廣穩(wěn)壓句范圍臥內(nèi)。圖3.臥30輸出文保護（3）裝電源何極性巴錯接惡保護圖3.眨31為電乎源極燥性錯但接保逢護電直路，卻它是分利用手二極統(tǒng)管的舊單向?qū)щ娒尚詠韼浄乐闺y電源壓極性尊