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1、模拟电子技术 基 础,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 电流源 4.3 集成运放内部电路简介 4.4 集成运放的性能指标和低频等效电路 4.5 集成运放电路的种类及选择 4.6 集成运放的使用,第四章 集成运算放大电路,了解集成电路的组成、特点，集成运放的典型电路、集成运放的主要技术指标、各类集成运放的性能特点、集成运放使用中应注意的问题等。 理解集成运算放大电路各基本组成部分的功能和相互关系，理解差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、有源负载、复合管、交越失真、过载保护、理想运放、“虚短”、“虚断”等基本概念。 掌握镜像电流源、比例电流源、微电流源、互补对称电
2、路的组成、工作原理和基本分析方法，掌握理想运放工作在线性区和非线性区的特点，掌握复合管的构成方法。, 集成运放电路的概念 将放大电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,优点,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,分类,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,4.1 集成运算放大电路概述,集成运放的外形：,级间耦合采用直接耦合方式，电路结构紧凑； 采用差分放大电路做为输入级； 偏置电流由电流源提供； 多采用复合管，提高电路性能； 用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。,集成运放的特点（一）,片内元器件管子性能一致性高。电路元件制作在一个芯片上，
3、元件参数偏差方向一致，温度均一性好。 电阻由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。 电容几十pF 以下的小电容用PN结的结电容构成。大电容要外接。 二极管一般用三极管的发射结构成。,集成运放的特点（二）,集成运放电路的组成（一）,偏置电路：为各级放大电路提供合适的静态工作点。采用电流源供电方式。,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小，输入端耐压高。 中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。 输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真电压尽可能大。,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管
4、放大器,+,集成运放的组成（二）,极 性 判 断,采用四级以上的多级放大器； 输入级和第二级一般采用差动放大器； 输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻； 输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,集成运放的组成（二）,ri 大: 几十k 几百k； ro 小：几十几百 ；,集成运放的性能特点,运放符号和电压传输特性,Aod 很大: 104 107 KCMR 很大,集成运放有线性放大区和饱和区（或非线性区）。 线性区曲线的斜率为电压放大倍数； 饱和区输出电压只有两种可能的情况： +UOM或UOM。,例：若UOM=14V，Aod=5*105。 则只
5、有当| uP-uN|28V，运放才处于线性区。,Aod越大，运放的线性范围越小，只有在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,集成运放的低频等效电路,理想运放： ri ro 0 Aod KCMR ,电流源的分类镜像电流源、比例电流源、微电流源、多路电流源等； 电流源的作用在电路中提供静态偏置，或作为有源负载替代电阻负载。 电流源的特点理想的电流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大，但不会影响差模放大倍数。,4.2 电流源,一.镜像电流源,恒流特性！,无论Rc的值如何， IC1的电流值将保持不变。,三极管工作状态？,镜像电流源的优点：电路简单。,镜像电流源的缺点：,1
6、. IC1受VCC及UBE和R的影响；,2. 若想得到微电流源，要求R很大；,3. 要求管子的 值大，否则IC1和IR差别很大。,4. IC1与IR近似相等，不便调整。,二.比例电流源,三. 微电流源,要求产生很小的静态电流，且不使用大电阻。,P.190,四. 改进型电流源,加射极输出器的电流源 （减小基极电流对基准电流的影响）,威尔逊电流源 （使IC2高度稳定）,五. 多路电流源电路,选取合适的发射极电阻，实现各路电流的设置。,选取合适的集电区面积，实现各路电流的设置。,选取合适的场效应管几何尺寸，实现各路电流的设置。,六. 有源负载的放大电路,（1）有源负载共射放大电路及其等效电路,T1是
7、放大管，T2、T3构成镜像电流源。,显著增大了！,（2）有源负载差分放大电路,静态时，,当输入差模信号时，,结论： 利用镜像电流源作有源负载，不但可使T2管的输出静态电流为零，而且还使所有变化电流（交流量）流向负载RL。 使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。,了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。 化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。 分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。 统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。 定量计算：必要时可估算或应用计算机计算电路的主要参数。,4.3 集成运放内部电路简介,读图方
8、法,对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。,电路分析举例F007,F007 电路原理图,F007 电路放大部分,以复合管为放大 管，恒流源作负载的共射放大电路,双端输入、单端输出共集-共基放大电路,用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级,输入级分析：共集-共基形式,T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基结构电路频带宽。,T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。,T7的作用
9、：抑制共模信号，放大差模信号,Ri大，Ad大，Ac小，共模输入范围大，输入端耐压高，并完成电平转换。,中间级分析,T16、T17：复合管共射放大,（C改善频率特性）,D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。 iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护T14。,输出级分析,4.4 集成运放性能指标 和低频等效电路,开环差模电压放大倍数Aod：一般在105 107之间。理想运放的Aod为 共模抑制比KCMMR：常用分贝作单位，一般100dB以上 差模输入电阻rid：rid1M, 有的可达100M以上 输出电阻ro：ro =几几十 -3dB带宽BW：运放是直流放大器， 也
10、可放大低频信号，但不适用于高频信号。,输入失调电压VIO及温漂VIO/T 输入失调电流IIO及温漂IIO/T 输入偏置电流IIB 转换速率SR 最大共模输入电压Vicmax 最大差模输入电压Vidmax -3dB带宽,op07的主要参数,1) 低的输入噪声电压幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz) 2) 极低的输入失调电压10 V 3) 极低的输入失调电压温漂0.2 V/ 4) 具有长期的稳定性0.2 V/MO 5) 低的输入偏置电流 1nA 6) 高的共模抑制比126dB 7) 宽的共模输入电压范围14V 8) 宽的电源电压范围 3V 22V,INA118的主要参数： 最大偏移电压
11、：50V； 最大输入基极电流：5nA； 最小共模抑制比：110dB； 输入过压保护电压：40V； 电源电压：1.35V18V； 带宽：单位增益时为 800kHz； 稳定时间：单位增益时为 25s； 工作温度范围：4085； 封装形式：8 脚 DIP,集成运放的低频等效电路,理想运放： ri ro 0 Aod KCMR ,4.5 集成运放的种类与选择,一、集成运放的发展 第一代：基本沿用了分立元件放大电路的设计思想，电路的集成度很低。 典型产品：uA709;F003 第二代：普遍采用了有源负载。 典型产品：uA741;F007 第三代：输入级采用了超管，版图设计上考虑了热效应的影响。 典型产品：
12、AD508;F1556 第四代：采用了斩波稳零和动态稳零技术。 典型产品：HA2900;5G7650,二、集成运放的种类,1.按工作原理分类 电压放大型、电流放大型、跨导型、互阻型 2.按可控性分类 高阻型、高速型、高精度型、低功耗型等 3.按性能指标分类 可变增益运放、选通控制运放,三、集成运放的选择,了解集成电路的类型，掌握集成电路的主要参数是选择集成电路的前提。 选择的依据： 信号源的性质； 精度的要求； 负载的性质； 环境条件。,4.6 集成运放的使用,集成运放的电源供给方式 集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是
13、不同的。 对称双电源供电方式：可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。 单电源供电方式：保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位，输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。,集成运放的调零问题,由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。 为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。 常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。,内部调零与外部调零电路,集成运放的自激振荡问题,运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反馈条件下,很容易产生自激振荡。 为使放大器能稳定的工作,就需在电源端加去耦电容或外接一定的频率补偿网络,以消除自激振荡。,使用相位补偿的消自激电路,集成运放的保护问题,集成运放的安全保护有三个方面： 电源保护电源极性接反和电压跳变；,集成运放的保护问题,输入保护输入差模电压过高或者输入共模电压过高；,集成运放的保护问题,输出保护运放过载或输出端短路时的保护。内部设置了限流保护或短路保护的运放就不需加输出保护，否则就需要加输出保护。,输出过流保护,输出过压保护,本章结束,
