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第四章 集成运算放大电路

第四章 集成运算放大电路. 4.1 集成运算放大电路概述. 4.2 集成运放中的电流源电路. 4.3 集成运放简介. 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路. 4.5 集成运算的种类及选择. 4.1 集成运算放大电路概述. 集成运算放大器 —— 高增益的直接耦合的集成多级放大器。. 4.1.1 集成运放的电路结构特点. 集成电路的工艺特点： （ 1 ）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。

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第四章 集成运算放大电路

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Presentation Transcript

  1. 第四章 集成运算放大电路 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路 4.3 集成运放简介 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路 4.5 集成运算的种类及选择

  2. 4.1 集成运算放大电路概述 集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成多级放大器。 4.1.1 集成运放的电路结构特点 集成电路的工艺特点： （1）因为硅片上不能制作大电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。 （2）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用差动电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。 （3）因为制作不同形式的IC，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高电路各方面性能的目的。

  3. （4）因为硅片上不易制作高阻值电阻，需要大电阻时，往往使用有源元件（晶体管或FET）取代电阻。（4）因为硅片上不易制作高阻值电阻，需要大电阻时，往往使用有源元件（晶体管或FET）取代电阻。 （5）集成晶体管和FET因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。

  4. 4.1.2 集成运放电路的组成及各部分的作用

  5. 同相输入端 输出端 反相输入端 u-－ － uo ＋ u+ 4.1.3集成运放的电压传输特性 国内符号： 集成运放的特点： 国际符号： • 电压增益高 • 输入电阻大 • 输出电阻小

  6. uo uo +Uom +10V ui ui 0 0 -1mV +1mV -10V -Uom +Uom +10V 非线性区 线性区 非线性区 -10V -Uom 集成运放的两种工作状态 1. 运放的电压传输特性： 设：电源电压±VCC=±10V。 运放的Aod=104 │Ui│≤1mV时，运放处于线性区。 Aod越大，线性区越小， 当Aod →∞时，线性区→0

  7. 2.理想运算放大器： 开环电压放大倍数 Aod=∞ 差摸输入电阻 Rid=∞ 输出电阻 Ro=0 3. 线性区 为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈： 理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！ 运放工作在线性区的分析方法： 虚短（u+=u-） 虚断（ii+=ii-=0）

  8. uo ui 0 +Uom +10V -10V -Uom 4. 非线性区（正、负饱和状态） 运放工作在非线性区的条件： 电路开环工作或引入正反馈！

  9. 4.2 集成运放中的电流源电路 4.2.1 基本电流源电路 一. 镜像电流源 基准电流： 无论T1的负载如何变化， IC1的电流值将保持不变。

  10. 二. 微电流源

  11. 三. 多路电流源

  12. 例4.2.1

  13. 4.2.4 . 以电流源为有源负载的放大电路

  14. 二、 有源负载差分放大电路

  15. 4. 3 集成运放电路简介F007 偏置电路 输入级 中间级 输出级

  16. 4.4 集成运放的主要性能指标及低频等效电路 4.4.1 集成运放的主要性能指标 1、开环差模增益Aod 无外加反馈回路的差模放大倍数。通用型集成运放一般在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、差模输入电阻rid F007:ri>2M, 有的可达100M以上。 4、输出电阻ro ro=几几十。

  17. 5、输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。 6、输入失调电压温漂dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

  18. 7、输入偏置电流IIB： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 8、输入失调电流IIO： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 9、输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

  19. 10、最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 11、最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

  20. 12、－3dB带宽f H： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H。 13、转换速率S R (压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

  21. 简化的低频等效电路 4.4.2集成运放的低频等效电路

  22. 4.5 集成运放的种类及选择 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。

  23. 4.5.1 集成运放的发展概况 4.5.2 集成运放的种类 一、 按工作原理分类 1、 电压放大型 实现电压放大，输出回路等效成由输入电压控制的电压源。(F007、F324、C14573) 2、 电流放大型 实现电流放大，输出回路等效成由输入电流控制的电流源。(LM3900、F1900)

  24. 3、 跨导型 将输入电压转换成输出电流，输出回路等效成由输入电压控制的电流源。(LM3080、F3080) 4、 互阻型 将输入电流转换成输出电压，输出回路等效成由输入电流控制的电压源。(AD8009、AD8011) 二、 按可控性分类 1、 可变增益运放 压控增益运放(VCA610),控制电压从0V变为-2V时，增益从-40dB到+40dB连续可调。 数控增益运放(AD526),用数字编码控制增益。

  25. 2、选通控制运放 两通道选通控制运放OPA676 的原理示意图

  26. 二、按性能指标分类 通用型和特殊型 1.高输入阻抗型 这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109Ω，输入偏置电流通常为pA数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用超β管或场效应管构成差动输入级。 其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。

  27. 2.高速型 高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏∕微秒，单位增益带宽BW >10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速A∕D和D∕A转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏∕微秒。 高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。

  28. 3.高精度型 高精度运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点。一般ΔUIO/ΔT < 2mV∕℃, ΔIIO/ΔT < 200PA∕℃, KCMR≥110dB。 大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、F5037、AD707、OP-77、OPA177等。 另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、OP-27等。

  29. 4.低功耗型 具有静态功耗低，工作电源电压低等特点。其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。 典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。 5. 大功率型 大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。

  30. 4.5.3 集成运放的选择 一、信号源的性质 二、负载的性质 三、精度要求 四、环境条件

  31. 4.6 集成运算放大器的使用 4.6.1 使用时必做的工作 一、正确识别运放的外引线（管脚）

  32. 二、参数测量 使用前，用简易测试法判断其好坏，用万用表电阻的中间档测试管脚有无短路或断路现象。必要时用专用设备测试主要参数。 三、调零或调整偏置电压 由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在零输入时输出为零。 四、消除自激振荡 为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上去耦电容。有的运放需外接频率补偿电容C,应注意接入合适容量的电容。

  33. 4.6.2 保护措施 一、输入保护 防止差模电压过大的保护电路 防止共模电压过大的保护电路

  34. + - - + 二、输出保护 三、电源保护

  35. 第4章 作业 4.1 4.2 4.8 4.10 4.12 4.13 4.14

  36. 本章小结 1．直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。 2．电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。 3．集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。主要品种有BJT集成运放、FET集成运放、BiMOS集成运放等。本章重点介绍了BJT集成运放F007。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。 4．除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。

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