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1、4.1 集成运算放大电路的概述,集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它是以半导体单 晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极 管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作 在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模 拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分）上，故 被称为集成运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模 拟信号的处理和产生电路之中，因其高性能低价位，在大多数情 况下，已经取代了分立元件放大电路。,4.1.1 集成运放电路的结构特点,（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
2、良好的对称性，而且受环境温度和干扰等 影响后变化也相同，所以集成运放中大量采用各种差分放大电 路（作为输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。,（3）因为 制作不同形式的集成电路，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， 已达到提高各方面性能的目的。,（4）因为硅片上不宜制作高阻值电阻，所以在集成运放中常使用 有源元件（晶体管或场效应管）取代电阻。,（5）集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，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。,4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用,集成运放电路由输入级、中
3、间级、 输出级和偏置电路等四部分组成， 如图所示：,它有两个输入端、一个输出端，图 中所标uP、uN、uO均以“地”为公共端。,输入级：又称前置级，它往往是一 个双端输入的高性能差分放大电路。 一般要求其输入电阻高、差模放大 倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。输入级的好坏直 接影响着集成运放的大多数性能参数，因此，在几代产品的更新 过程中，输入级的变化最大。,中间级：整个放大电路的主放大器，其作用是使集成运放具有较强 的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压 放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源做集电极负载。其 电压放大倍数可达数千倍以上。,集成运放各部分的作用
4、：,输出级：输出级应具有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等特点。集成运放的输出级多采用互补输出电路。,偏置电路：用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分立 元件不同，集成运放采用电流源电路为各级提供合适的集电极 静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。,集成运放的符号,4.1.3 集成运放电路的电压传输特性,集成运放的电压传输特性,集成运放的输出电压uO与输入电压（即同相输入端与反相输入端之间的电位差）（uP -uN）之间的关系曲线称为电压传输特性，即,集成运放的电压传输特性如图所示：,从电压传输特性曲线可以看出，集成运放有线性放大区域（称为线性区）和饱和
5、区域（称为非线性区）两部分。,在线性区，曲线的斜率为电压放大倍数；,在非线性区，输出电压只有两种可能的情况；,或,由于Aod高达几十万倍，因此集成运放电压传输特性中的线性 区非常窄。,Aod为差模开环电压放大倍数；,4.4.2 集成运放的低频等效电路,集成运放的低频等效电路,输入端口用输入电阻 rid 来模拟，输出端口用输出电阻 ro 和与它串联的受控电压源Aod uI来模拟，等效电路如图所示：,4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路,理想集成运放的等效电路,由集成运放的电压传输特性可知，它的中心部分的斜度很陡峭，同时考虑到运放的输入电阻很高，而它的输出电阻又很低，这就启发人们去建立一个近似
6、理想集成运放的等效电路。等效电路模型 如图所示：,4.4.1 集成运放的主要性能指标,在考察集成运放的性能时，常用下列参数来描述：,（1）开环差模增益Aod： 在集成运放无外加反馈时的差模放大倍数称为开环差模增益。,（2）共模抑制比KCMR： 共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数 之比的绝对值，即,（3）差模输入电阻rid： 差模输入电阻rid是 集成运放对输入差模信号的输入电阻。差模输入电阻rid愈大，从信号源索取的电流愈小。,（4）输入失调电压UIO： 由于集成运放的输入级电路参数不可能绝对对称，所以当输入电 压为零时，输出电压uO并不为零。输入失调电压UIO是使输出电压 为零时在输入
7、端所加的补偿电压 ，若集成运放工作在线性区，则 输入失调电压UIO的数值是输入电压uI为零时输出电压折合到输入 端的电压，即,输入失调电压UIO愈小， 表明电路参数对称性愈好。,对于有外接调零电位器的运放，可以通过改变电位器滑动端的位 置使得输入为零是输出为零。,（5）输入失调电压UIO温漂dUIO/dT： 输入失调电压UIO温漂dUIO/dT是输入失调电压UIO的温度系数，是 衡量运放温漂的重要参数，其值愈小，表明运放的温漂愈小。,（6）输入失调电流IIO： 输入失调电流IIO反映输入级差放管输入电流的不对称程度，即,（8）输入偏置电流IIB： 输入偏置电流IIB是输入级差放管的基极（或栅极
8、）电流的平均值， 即,（7）输入失调电流IIO温漂dIIO/dT： 输入失调电流IIO温漂dIIO/dT是输入失调电流IIO的温度系数，是衡 量运放温漂的重要参数，其值愈小，表明运放的温漂愈小。,输入偏置电流IIB愈小，信号源内阻对集成运放静态工作点的影响 也就愈小。而通常输入偏置电流IIB愈小，往往输入失调电流IIO也 就愈小。,（9）最大共模输入电压UIcmax： 最大共模输入电压UIcmax是输入级能正常放大差模信号情况下允 许输入的最大共模信号。若共模输入电压高于此值，则运放不能 对差模信号进行放大。因此，在实际应用时，要特别注意输入信 号中共模信号的大小。,（10）最大差模输入电压U
9、Idmax： 当集成运放所加差模信号达到一定程度时，输入级至少有一个PN 结承受反向电压，最大共模输入电压UIcmax是不至于使PN结反向击 穿所允许的最大差模输入电压。当输入电压大于此值时，输入级 将损坏。,（11）-3dB带宽fH：-3dB带宽fH是使开环差模增益Aod下降3dB （即下降到约为0.707倍）时的信号频率。,（12）单位增益带宽fC：单位增益带宽fC是使开环差模增益Aod下 降0dB（即Aod =1，失去电压放大能力）时的信号频率。,（13）转换速率SR： 转换速率SR是在大信号作用下输出电压在单位时间变化量的最大 值，即,转换速率SR表示集成运放对信号变化速度的适 应能力
10、，是衡量运放在大幅值信号作用时工作 速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当输入信 号变化速率的绝对值小于转换速率 SR 时，输出电压才能按线性 规律变化。信号幅值愈大、频率愈高，要求集成运放的 SR 也 就愈大。,在近似分析时，常把集成运放的参数理想化，即认为,4.5 集成运放的种类及选择,4.5.1 集成运放的发展概述,4.5.2 集成运放的种类,自学,自学,一、信号源的性质,4.5.3 集成运放的选择,通常情况下，在设计集成运放应用电路时，没有必要研究运放的内部电路，而是根据设计要求寻求具有相应性能指标的芯片。因此，了解运放的类型，理解运放主要性能指标的物理意义，是正确选择运放
11、的前提。应根据以下几方面的要求选择运放。,根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选择运放的差模输入电阻rid、3dB带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR等指标参数。,二、负载的性质,根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。对于容性负载或感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。,三、精度要求,对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往提出精度要求；如电压比较，往往提出响应时间、灵敏度要求。根据这些要求选择运放的开环差模增益Aod、失调电压UIO、失调电流IIO及转换速 率SR等指标参数。,根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压及失调电
12、流的温漂dUIO/dT、dIIO/dT等参数；根据所能提供的电源（如有些情况只能用干电池）选择运放的电源电压；根据对功耗有无限制，选择运放的功耗等等。,四、环境条件,根据上述分析就可以通过查阅手册等手段选择某一型号的运放了。不过，从性能价格比方面考虑，应尽量采用通用型运放，只有在通用型运放不满足应用要求时才采用特殊型运放。,4.6 集成运放的使用,一、集成运放的外引线（管脚）,4.6.1 使用时必做的工作,常见封装方式有金属壳封装和双列直插式封装，而且以后者居多。双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类，虽然它们的外引线排列日趋标准化，但各制造厂仍略有区别。因此，使用运放前 必须查阅有
13、关手册，辨认管脚，以便正确连线。,二、参数测量,使用运放之前往往要用简易测试法判断其好坏，例如用万用表电阻的中间挡（“100”或“1k”挡，避免电流或电压过大）对照管脚测试有无短路和断路现象。必要时还可采用测试设备量测运放的主要参数。,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。,对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。,四、消除自激振荡,为防止电路产生自激振荡，应在运放的电源端加上去耦电容。有的集成运放还需外接频率补
14、偿电容C，应注意接入合适容量的电容。,4.6.2 保护措施,集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：,（1）电源电压极性接反或过高；（2）输入信号过大，使PN结击穿；（3）输出端直接接“地”或接电源，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使运放安全工作，也从三个方面进行保护。,一、电源极性保护,利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。电路如图所示：,当电源极性错接成上负下正时，两二极管均不 导通，等于电源断路，从而起到保护作用。,二、输入保护,一般情况下，运放工作在开环（即未引反馈）状态时，易因差模电压过大而损坏；在闭环状态时，易因共模电压超出极限值而损坏。电路如图所示：,利
15、用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构。无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则两个二极管中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。,三、输出保护,利用稳压二极管 D1 和D2 接成反向串联 电路，限流电阻 R 和稳压管构成限幅电 路。一方面将负载与集成运放输出端隔 离开来，限制了运放的输出电流；另一 方面也限制了输出电压的幅值。若输出 端出现过高电压，集成运放输出端电压 将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。当然，任何保护措施都是有限度的，若将输出端直接接电源，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响了电路的性能。,电路如图所示：,
