第4章集成運算放大電路

1、第四章 集成運算放大電路,4.1 集成運算放大電路概述,4.2 集成運放中的電流源電路,4.3 集成運放簡介,4.4 集成運放的性能指標(biāo)及低頻等效電路,4.5 集成運算的種類及選擇,4.1 集成運算放大電路概述,4.1.1 集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點,集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成多級放大器。,集成電路的工藝特點：（1）因為硅片上不能制作大電容，所以集成運放均采用直接耦合方式。（2）因為相鄰元件具有良好的對稱性，而

2、且受溫度和干擾等影響后的變化也相同，所以集成運放中大量采用差動電路（作輸入級）和恒流源電路（作偏置電路或有源負(fù)載）。（3）因為制作不同形式的IC，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成運放允許采用復(fù)雜的電路形式，以達(dá)到提高電路各方面性能的目的。,,（4）因為硅片上不易制作高阻值電阻，需要大電阻時，往往使用有源元件（晶體管或FET）取代電阻。（5）集成晶體管和FET因制作工藝不同，性能上有較大差異，所以在集成運放中常采

3、用復(fù)合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。,4.1.2 集成運放電路的組成及各部分的作用,,,4.1.3集成運放的電壓傳輸特性,國際符號：,國內(nèi)符號：,集成運放的特點：,電壓增益高,輸入電阻大,輸出電阻小,集成運放的兩種工作狀態(tài),1. 運放的電壓傳輸特性：,設(shè)：電源電壓±VCC=±10V。 運放的Aod=104,│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。,Aod越大，線性區(qū)越小，當(dāng)Aod →∞時，線性區(qū)→

4、0,2.理想運算放大器：,開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=∞差摸輸入電阻 Rid=∞輸出電阻 Ro=0,為了擴(kuò)大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負(fù)反饋：,理想運放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！,運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（u+=u-）虛斷（ii+=ii-=0）,3. 線性區(qū),4. 非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）,,運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！,,一. 鏡像電流源,基準(zhǔn)電流：

5、,無論T1的負(fù)載如何變化， IC1的電流值將保持不變。,4.2 集成運放中的電流源電路,4.2.1 基本電流源電路,,二. 微電流源,,三. 多路電流源,,例4.2.1,,4.2.4 . 以電流源為有源負(fù)載的放大電路,二、 有源負(fù)載差分放大電路,4. 3 集成運放電路簡介F007,,偏置電路,中間級,輸出級,輸入級,,4.4 集成運放的主要性能指標(biāo)及低頻等效電路,1、開環(huán)差模增益Aod,無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。通用型集成運

6、放一般在105左右，即100dB左右。F007的Aod大于94dB。,2、共模抑制比KCMR,F007的共模抑制比大于80dB，AOC小于14dB。,3、差模輸入電阻rid,F007:ri>2M?, 有的可達(dá)100M?以上。,4、輸出電阻ro,ro =幾??幾十?。,4.4.1 集成運放的主要性能指標(biāo),5、輸入失調(diào)電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(diào)電壓。是表征運放內(nèi)

7、部電路對稱性的指標(biāo)。,6、輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。,8、輸入失調(diào)電流 IIO ： 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。,7、輸入偏置電流IIB ： 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管輸入電流的大小。,9、輸入失調(diào)電流溫漂dIIO /D

8、T: 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。,10、最大差模輸入電壓Uidmax 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(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。,11、最大共模輸入電壓Vicmax 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(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。,12、－3dB帶寬 f H ：

9、運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬 f H 。,13、轉(zhuǎn)換速率S R (壓擺率)： 反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為,4.4.2 集成運放的低頻等效電路,簡化的低頻等效電路,反映集成運放性能的好壞有幾十個參數(shù)，一種運放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。特殊類型的集

10、成運放，在某一個或幾個參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。,4.5 集成運放的種類及選擇,4.5.1 集成運放的發(fā)展概況,4.5.2 集成運放的種類,一、 按工作原理分類,1、 電壓放大型,實現(xiàn)電壓放大，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電壓源。(F007、F324、C14573),2、 電流放大型,實現(xiàn)電流放大，輸出回路等效成由輸入電流控制的電流源。(LM39

11、00、F1900),3、 跨導(dǎo)型,將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電流源。(LM3080、F3080),4、 互阻型,將輸入電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓，輸出回路等效成由輸入電流控制的電壓源。(AD8009、AD8011),二、 按可控性分類,1、 可變增益運放,壓控增益運放(VCA610),控制電壓從0V變?yōu)?2V時，增益從-40dB到+40dB連續(xù)可調(diào)。數(shù)控增益運放(AD526),用數(shù)字編碼控制增益。,2、選

12、通控制運放,兩通道選通控制運放OPA676 的原理示意圖,通用型和特殊型,二、按性能指標(biāo)分類,1.高輸入阻抗型,這種類型的集成運放差模輸入電阻往往大于109Ω，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級。 這種類型的集成運放，輸入級經(jīng)常采用超β管或場效應(yīng)管構(gòu)成差動輸入級。 其典型產(chǎn)品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高速型,高速運放一般要求轉(zhuǎn)換速率SR大于幾十伏∕微

13、秒，單位增益帶寬BW >10MHZ。 主要應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速A∕D和D∕A轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性能優(yōu)良的高速運放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏∕微秒。 高速型運放的典型產(chǎn)品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,3.高精度型,高精度運放具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益等特點。一般ΔUIO/ΔT < 2mV∕℃, ΔIIO/ΔT < 200PA∕℃,

14、 KCMR≥110dB。 大多選用匹配特性優(yōu)良的差動對管，還采用熱匹配設(shè)計和低溫度系數(shù)的精密電阻。在工藝上采用精密的光刻和離子注入工藝，盡可能地提高對管的匹配性。典型產(chǎn)品有LH0044、F5037、AD707、OP-77、OPA177等。 另外，還有的運放采用了調(diào)制型的斬波穩(wěn)零技術(shù)，以得到更低的漂移特性。其產(chǎn)品有ICL7650、AD508、OP-27等。,4.低功耗型,具有靜態(tài)功耗低，工作電源電壓低等特點。其功耗為微瓦數(shù)

15、量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。 典型產(chǎn)品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5. 大功率型,大功率型集成運放的電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。 典型產(chǎn)品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,4.5.3 集成運放的選擇,一、信號源的性質(zhì)二、負(fù)載的性質(zhì)三、精度要求四、環(huán)境條件,4.6 集成運算放大器的使用,4.6.1 使用

16、時必做的工作,一、正確識別運放的外引線（管腳）,二、參數(shù)測量,使用前，用簡易測試法判斷其好壞，用萬用表電阻的中間檔測試管腳有無短路或斷路現(xiàn)象。必要時用專用設(shè)備測試主要參數(shù)。,三、調(diào)零或調(diào)整偏置電壓,由于失調(diào)電壓及失調(diào)電流的存在，輸入為零時輸出往往不為零。對于內(nèi)部無自動穩(wěn)零措施的運放需外加調(diào)零電路，使之在零輸入時輸出為零。,四、消除自激振蕩,為防止電路產(chǎn)生自激振蕩，應(yīng)在集成運放的電源端加上去耦電容。有的運放需外接頻率補(bǔ)償電容C,應(yīng)注意接入

17、合適容量的電容。,一、輸入保護(hù),4.6.2 保護(hù)措施,防止差模電壓過大的保護(hù)電路,防止共模電壓過大的保護(hù)電路,二、輸出保護(hù),三、電源保護(hù),第4章 作業(yè),4.1 4.2 4.8 4.10 4.12 4.13 4.14,1．直耦放大器的一個嚴(yán)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(qiáng)的放大能力，對共模信號有很強(qiáng)的抑制能力。因此

18、，運算放大器都使用差動放大器作為輸入級。2．電流源電路是構(gòu)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，又可以作為放大器的有源負(fù)載使用。3．集成運放是一個高增益、直耦的多級放大器。主要品種有BJT集成運放、FET集成運放、BiMOS集成運放等。本章重點介紹了BJT集成運放F007。應(yīng)熟悉集成運放的結(jié)構(gòu)特點及主要參數(shù)。 4．除了通用集成運放以外，還有大量特殊類型的運放。了解這些運放