集成運算放大器的結構及特性

集成運算放大器的結構及特性第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1集成運算放大電路概述一、集成電路（IC）概述在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件制作在一塊硅片上，構成特定功能的電子電路，稱為集成電路。它體積小、性能很好，能完成一定的功能。二、模擬集成電路的分類（三種分類方法）1、按結構工藝分：半導體集成電路、混合集成電路、電子管集成電路2、按集成度分：小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路3、按功能分：模擬集成電路、數字集成電路第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、模擬集成電路的特點1、同在一塊硅片上制造，元件參數的一致性很好。2、電路中電阻元件一般由硅半導體的體電阻構成，阻值范圍為幾十歐~20千歐左右，另外電阻值的精度不易控制，誤差在20%~30%左右。3、電路中電容值也不大（幾十PF）。4、集成電路存在溫漂。5、電路中的二極管多用作溫度補償或電位移動。運算放大器是由直接耦合多級放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應用于各種電子電路之中。集成電路中第一級常采用差動電路。（為克服或減小溫漂）第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、模擬集成運放的組成及各部分的作用集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖08.01所示。圖08.01運算放大器方框圖第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.輸入級要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。

4.偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。

3.互補輸出級由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。

2.中間放大級要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月五、運算放大器的符號和型號

運算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號‘+’或‘IN+’表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號“-”或“IN-”表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側，在符號邊框內標有‘+’號。實際的運算放大器通常必須有正、負電源端，有的品種還有補償端和調零端。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)集成放大器的符號

按照國家標準符號如圖08.02所示。

(a)(b)圖08.02模擬集成放大器的符號

(a)國家標準符號(b)原符號第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)集成運算放大器的型號命名

數字序號

(與世界上其它廠家同類型產品的序號相同。)

其它例如:集成功率放大器的型號命名CD－－－－集成穩(wěn)壓器的型號命名CW－－－－第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月六、集成運放的電壓傳輸特性

集成運算放大器的電壓傳輸特性如下圖（b）所示，它具有如下特點：第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由集成運算放大電路的特性曲線可知：（1）輸入信號只有在很小的范圍內(±Uid)，輸出與輸入有線性關系；（2）當輸入信號幅值過大時，輸出會產生失真，Uod趨于飽和值（±Uom）。第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2電流源電流源是一個輸出電流恒定的電源電路，與電壓源相對應，它是電子線路中廣泛大量使用的單元電路。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1電流源概述(1)電流源電路是一個電流負反饋電路，并利用PN結的溫度特性，對電流源電路進行溫度補償，以減小溫度對電流的影響。(2)電流源電路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點，這對直接耦合放大器是十分重要。(3)用電流源做有源負載，可獲得增益高、動態(tài)范圍大的特性。(4)用電流源給電容充電，以獲得線性電壓輸出。(5)電流源還可單獨制成穩(wěn)流電源使用。(6)在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等。第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2三極管基本電流源

用普通的三極管接成電流負反饋電路，即可構成一個基本的電流源電路。分壓偏置基本放大電路就具有這一功能，其電路如圖04.01所示。分壓偏置電路對工作點具有穩(wěn)定作用，也就是對IO有穩(wěn)定作用，具有穩(wěn)流特性。電壓源的內阻小，電流源的內阻大，內阻越大穩(wěn)流特性越好。三極管電流源的內阻rce有較大提高。

(a)(b)

圖04.01三極管電流源第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3集成電路電流源

一、鏡象電流源三極管T1、T2匹配，則,BE2BE1BE21VVV====bbb鏡象電流源電路如圖04.03所示，它的特點是工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡象(電流相等）。圖04.03鏡象電流源第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、精密鏡象電流源（帶緩沖）

精密鏡象電流源和普通鏡象電流源相比，其精度提高了

倍。電路如圖04.04所示。由于有T3存在，IB3和將比鏡象電流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。

圖04.04精密電流源第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、微電流源微電流源電路如圖04.05所示，通過接入Re電阻得到一個比基準電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路中。由圖可得：

圖04.05微電流源

e2BEE2C2oBEBE2BE1e2E2e2E2BE2BE1/=RVIIIVVVRIRIVVD=?=D=-=+第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

Io與IR的關系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV-=-=D??=??

一般有IS1=IS2，所以

Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI==D=

因DVBE小，Io<<IR。同時Io的穩(wěn)定性也比IR好。第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、比例電流源

在鏡象電流源電路的基礎上，增加兩個發(fā)射極電阻，使兩個發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關系，即可構成比例電流源。其電路如圖04.06所示。圖04.06比例電流源

因兩三極管基極對地電位相等，于是有

e2e1Roe2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV???++因第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月五、多電流源通過一個基準電流源穩(wěn)定多個三極管的工作點電流，即可構成多路電流源，電路見圖04.07。圖中一個基準電流IREF可獲得多個恒定電流IC2、IC3

。圖04.07多電流源第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月六、電流源用作有源負載目的：提高放大倍數電壓放大倍數

=－βR'L/rbe(03.16)

當Rc趨于無窮時，RL’最大，此時電壓放大倍數也最大。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.3集成運算放大電路簡介集成運放是一種高性能的直接耦合多級放大電路，該產品的種類繁多，但每種的基本組成、結構形式、組成原則都一致。下面以通用運放F007為例加以說明，其電路原理圖及放大部分電路如圖所示：第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4集成運算放大器性能指標、低頻等效電路及種類4.4.1運算放大器的主要參數4.4.2運算放大器的低頻等效電路4.4.3運算放大器分類第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1運算放大器的主要參數運算放大器的技術指標很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據運算放大器本身的特點而設立的。各種主要參數均比較適中的是通用型運算放大器，對某些項技術指標有特殊要求的是各種特種運算放大器。第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、運算放大器的靜態(tài)技術指標

1.輸入失調電壓Vio

：(inputoffsetvoltage)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。

2.輸入失調電流

Iio

：(inputoffsetcurrent)在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

3.輸入偏置電流IB

：(inputbiascurrent)運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.輸入失調電壓溫漂

dVio/dT5.輸入失調電流溫漂dIio/dT

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。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25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.最大差模輸入電壓Vidmax

7.最大共模輸入電壓Vicmax

(maximumdifferentialmodeinputvoltage)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。(maximumcommonmodeinputvoltage)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，輸入差分對管出現飽和，放大器失去共模抑制能力。第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、運算放大器的動態(tài)技術指標

1.開環(huán)差模電壓放大倍數

Avd

：(openloopvoltagegain)運放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。

2.差模輸入電阻rid

：(inputresistance)輸入差模信號時，運放的輸入電阻。

3.共模抑制比

KCMR

：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd

與共模電壓增益Avc

之比，常用分貝數來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月運算放大器外形圖第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2

運算放大器的低頻等效電路簡化的集成運放低頻等效電路如下圖所示：第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，發(fā)展了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。4.4.3運算放大器分類第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月通用型

通用型運算放大器的技術指標比較適中，價格低廉。通用型運放也經過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741(

A741)為例，輸入失調電壓1～2

mV、輸入失調電流20

nA、差模輸入電阻2

M

，開環(huán)增益100

dB、共模抑制比90

dB、輸出電阻75

、共模輸入電壓范圍

13

V、轉換速率0.5

V/

s。第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月高速型和寬帶型

用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數據采集測試系統。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