模电第4章集成运算放大器的结构及特性

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1、第4章 集成运算放大器 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集成运放电路简介 4.4集成运放的性能指标及低频等效 电路 4.5 集成运放的种类及选择 4.6 集成运放的使用 模拟集成电路简介 一、集成电路（IC）概述 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的 元器件制作在一块硅片上，构成特定功能的电子 电路，称为集成电路。它体积小、性能很好，能 完成一定的功能。 二、模拟集成电路的分类（三种分类方法） 1、按结构工艺分：半导体集成电路、混合集 成电路、电子管集成电路 2、按集成度分：小规模集成电路、中规模集 成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路 3、按功能分：

2、模拟集成电路、数字集成电路 三、模拟集成电路的特点 1、同在一块硅片上制造，元件参数的一致性 很好。 2、电路中电阻元件一般由硅半导体的体电阻 构成，阻值范围为几十欧20千欧左右，另外电阻 值的精度不易控制，误差在20%30%左右。 3、电路中电容值也不大（几十PF）。 4、集成电路存在温漂。 5、电路中的二极管多用作温度补偿或电位移 动。 运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制 造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品 种，广泛应用于各种电子电路之中。集成电路中第 一级常采用差动电路。（为克服或减小温漂） 四、运算放大器外形图 4.1 集成运算放大电路概述 一、集成运放电路（IC）的结

3、构特点 2. 集成运放内部电路的输入级采用差分电路。 5.集成运放内部电路经常用复合管。 3. 集成运放内部电路用有源元件（晶体管或场效 应管）替代电阻。 4. 集成运放内部电路用恒流源电路作偏置电路。 1. 集成运放内部电路均采用直接耦合方式的多级 放大电路。 二、集成运放电路的组成及各部分的作用 集成运放电路方框图 1. 输入级：要求其输入电阻高，抑制共模能力强，差模放大倍数大 。 2. 中间级：要求放大倍数大。多采用共射（或共源）电路，并采用 复合管做放大管，用恒流源做集电极负载。 3. 输出级：要求输出电压线性范围宽，输出电阻小（带负载能力强 ）和非线性失真小。 4. 偏置电路：偏置电

4、路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作 点。集成运放采用电流源电路为各级提供集电极（或发射极、漏极 ）静态工作电流。 1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它 必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端 输入双端输出的形式。 4.偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而 变化的偏置电流，以稳定工作点。 3.互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极 管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电 压或电流。具体电路参阅功率放大器。 2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证 运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电 路和带有源负载的高增益放大器。 三、 集成运放的符号和电压传输特性 线性放大区 在线性

5、放大区，有 为运放的差模开环放大倍数。 集成运放的符号 双电源供电下的电压传输特性 在非线性放大区，有或 1、运算放大器的引线 运算放大器的符号中有三个引线端，两个 输入端，一个输出端。一个称为同相输入端， 即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用 符号+或IN+表示；另一个称为反相输入端 ，即该端输入信号变化的极性与输出端相异， 用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输 入端的另一侧，在符号边框内标有+号。实际 的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的 品种还有补偿端和调零端。 2、运算放大器的符号和型号 (1)集成放大器的符号 按照国家标准符号如图下图所示 。 (a) (b) 模拟集

6、成放大器的符号 (a) 国家标准符号 (b)原符号 3、集成运算放大器的型号命名 数字序号 (与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。) 其它例如:集成功率放大器的型号命名 CD 集成稳压器的型号命名 CW 4.2 集成运放中的电流源电路 电流源是一个输出电流恒定的电源电路， 与电压源相对应，它是电子线路中广泛大量使 用的单元电路。 4.2.1 基本电流源电路 4.2.2 改进型电流源电路 4.2.3 多路电流源电路 4.2.4 以电流源为有源负载的放大多路 一、 镜像电流源 4.2.1 基本电流源电路 镜像电流源具有一定的温度补偿作用 当 时 基准电流 二、 比例电流源 镜像电流源存在的问题：

7、 在VCC一定的前提下， 1、若要求IC1大，则IR必须大； 2、若要求IC1小，则R必须大。 三、 微电流源 式中：基准电流 一、加射极输出器的电流源 4.2.2 改进型电流源电路 精密镜象电流源（带缓冲） 精密镜象电流源和普通镜象电流源相 比，其精度提高了 倍。电路如图下图所 示。 由于有T3存在 ，IB3和将比镜象 电流源的2IB小3 倍。因此IC2和IREF 更加接近。 精密电流源 二、 威尔逊电流源 一、 基于比例电流源的多路电流源 4.2.3 多路电流源电路 五、 多电流源 通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点 电流，即可构成多路电流源，电路见图04.07。图中 一个基准电流I

8、REF 可获得多个恒定电流 IC2、IC3。 图04.07 多电流源 二、 多集电极管构成的多路电流源 三、 MOS管多路电流源 F007中的电流源电路 一、有源负载共射放大电路 4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路 二、 有源负载差分放大电路 4.3 集成运放电路简介 一、 F007电路原理图 F007电路中的放大电路部分 F324电路原理图 F324的简化电路原理图 C14573电路图 C14573的放大电路部分 图4.3.1 F007电路原理图 图4.3.2 F007电路中的放大电路部分 图4.3.3 F324电路原理图 图4.3.4 F324的简化电路原理图 图4.3.5 C145

9、73电路图 图4.3.6 C14573的放大电路部分 集成运放的性能指标 集成运放低频等效电路 4.4 集成运放电路的性能指标及低频等效电路 4.4.1 集成运放的主要技术指标 运算放大器的技术指标很多，其中一 部分与差分放大器和功率放大器相同，另 一部分则是根据运算放大器本身的特点而 设立的。各种主要参数均比较适中的是通 用型运算放大器，对某些项技术指标有特 殊要求的是各种特种运算放大器。 一、运算放大器的静态技术指标 二、运算放大器的动态技术指标 一、运算放大器的静态技术指标 1.输入失调电压UIO ：(input offset voltage) 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，

10、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。 2.输入失调电流 IIO ：(input offset current)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。 3.输入偏置电流IB ：(input bias current)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。 4.输入失调电压温漂 dUIO /dT 5.输入失调电流温漂dIIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调 电压随温度的变化量与温度变化量 之比值。 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。 6.最大差模

11、输入电压UIdmax 7.最大共模输入电压UIcmax (maximum differential mode input voltage) 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。 (maximum common mode input voltage)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。 二、运算放大器的动态技术指标 1.开环差模电压放大倍数 Avd ：(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下，输出电 压的变化量与输入电压的变化量之比。

12、2.差模输入电阻rid ：(input resistance)输入差模 信号时，运放的输入电阻。 3.共模抑制比 KCMR ：(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压 增益 Avd 与共模电压增益 Avc 之比，常用分贝数 来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 4. 3dB带宽 fH ： fH 是使Aod下降3dB时的信号 频率。 5. 单位增益带宽fC ：fC 是使Aod下降到0dB时的 信号频率。 6.转换速率SR ： ，表示集成运放 对信号变化速度的适应能力。信号幅值愈大、频 率愈高，要求集成运放的SR也就

13、愈大。 一、集成运放低频等效电路 4.4.2 集成运放的低频等效电路 二、 简化的集成运放低频等效电路 按供电方式分： 4.5. 集成运放的种类及选择 双电源供电 正、负电源对称型 正、负电源不对称型 单电源供电 按集成度分： 单运放、双运放、四运放 按制造工艺分： 双极型、CMOS型和BiFET型 4.5.1 集成运放的种类 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。如F007、C14573等。 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。如F1900、LM3900等。 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。如

14、F3080、 LM3080等。 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。如AD8009、 AD8011等。 一、 按工作原理分： 输出等效为电压源的运放，其输出电阻很小，通常 为几十欧。输出等效为电流源的运放，其输出电阻很大 ，通常为几千欧以上。 可变增益运放。 选通控制运放 二、按可控性分： 两通道选通控制运放 OPA676 的原理示意图 通用型 高速型和宽带型 高精度(低漂移型） 高输入阻抗型 低功耗型 功率型 三、按性能指标分： 通 用 型 通用型运算放大器的技术指标比较 适中，价格低廉。通用型运放也经过了 几代的演变，早期的通用型运放已很 少使用了。以典型的通用型运放CF741 (A741)为例，输入失调电压12 mV、 输入失调电流20 nA、差模输入电阻2 M，开环增益100 dB、共模抑制比90 dB、输出电阻75 、共模输入电压范围 13 V、转换速率0.5 V/s。 高速型和宽带型 用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高 速数据采集测试系统。这种运放的单位增益 带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放 大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时 ，同时还应注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620