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1、第6章 集成运算放大器,6.1 集成运算放大器的特点及组成,6.2 集成运算放大器的单元电路,6.3 典型集成运算放大器介绍,电气与电子工程学院,6.4 集成运算放大器的主要参数,6.5 集成运算放大器的工作特性,集成电路是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路的各个元件以及相互之间的连接线同时制造在一块半导体芯片上，实现了材料、元件和电路的统一。因此它的密度高、引线短，外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性。,6.1.1 集成运算放大器的特点,6.1.2 集成运算放大器的组成,6.1 集成运算放大器的特点及组成,集成运算放大器可简
2、称为集成运放，是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，因为最初被用于模拟运算中，故名运算放大电路。目前，它的应用已十分普遍，远远超出了原来“运算放大”的应用范围。 当前，我国产量最大的是通用型集成运算放大器，其次是专用型运算放大器，专用型运算放大器有高速型、高输入电阻型、低漂移型、低功耗型以及高压型等。,6.1.1 集成运算放大器的特点,由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数的精度不是很高，受温度的影响也比较大，但由于各有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，因此对称性较好，特别适合制作对称结构的电路。 由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有一定的局限性，一般在几十欧到几十千
3、欧之间,集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，至于制造电感器就更困难。所以集成电路应尽量避免使用电容器。 大量使用晶体管作有源器件。 集成电路的芯片面积小，集成度高，各个元器件工作电流很小，一般在毫安以下；功耗很低，一般在毫瓦以下。,图6.1.1 集成运算放大器的内部组成框图,6.1.2 集成运算放大器的组成,6.2 集成运算放大器的单元电路,6.2.1 差动放大电路,6.2.2 电流源电路,6.2.3 采用复合管和有源负载的中间放大级,6.2.4 输出级中的过载保护电路,6.2.1差动放大电路,抑制零点漂移，特别是抑制第一级的零点漂移尤为重要。 为了抑制零点漂移，可以采用差动放大电路。
4、,1.差动放大电路的基本形式,当温度变化时，两管参数发生变化，引起两管的各级电流电位均发生变化，但由于电路的对称性其变化量一定相等，即 ICQ1=ICQ2 UCQ1=U CQ2 虽然每个管都产生了零点漂移，但是，由于两集电极电位的变化是相互抵消的，所以输出电压依然为零，此时 uo=（UCQ1+UCQ1）-（UCQ2+UCQ2）=0,（2）信号输入方式,1）共模输入 如图6.2.1所示电路中的两个输入信号ui1和ui2，如果等大同相（大小相等，方向相同），即ui1=ui2，就称为共模输入。,2）差模输入 若输入信号等大反相（大小相等，方向相反），即ui1=-ui2，则称为差模输入。,3）比较输入
5、 比较输入也叫非差非共输入。ui1和ui2的大小不相等，极性也是任意的。对于任意一对比较信号，均可看成是一对共模信号和一对差模信号的叠加，如对于 ui1=3mV=5mV-2mV ui2=7mV=5mV+2mV 可以看成是一对5mV的共模信号和一对2mV的差模信号。,2.长尾式差动放大电路,长尾式差动放大电路也是一种典型差动放大电路，如图6.2.2所示。与图6.2.1所示电路比较，多了电位器RP、发射极电阻Re和负电源EE 。因增加了负电源EE ，管子的偏流IB可由它提供，故去掉了Rb2。 Re称为共模抑制电阻，Re数值愈大，对共模信号（即零点漂移）的抑制能力就愈强。,图6.2.2 长尾式差动放
6、大电路,因为电路完全对称是理想状况，实际上，当输入的两端接“地”时，输出电压不一定等于零，这就需要调零。RP就是用来调零的，故称为调零电位器。如图6.2.2所示电路中，RP接到三极管的发射极，故称为发射极调零。,（1）静态分析,图6.2.3 单管直流通路,由基极回路不难列出 IBQRb+UBEQ+2IEQRe=EE 上式中前两项一般远小于第三项，故可略去，则每管集电极电流 ICQIEQ 晶体管发射极电位 U EQ0,（2）动态分析,图6.2.4 双端输入双端输出的差动放大电路,由于输入电路的对称性，每只管子的输入端分得的电压各为ui的一半，但极性相反，即 ui1=u i ui2=ui 显然，是
7、一对差模信号。,图6.2.5 单管差模信号交流通路,图6.2.6 单端输入单端输出的差动放大电路,既然是单端输入，那么另一只管子还能取得信号吗？ 每只管子取得多大的信号呢？,图6.2.7 Re断路时单端输入的等效输入电路,可见对称条件下，ui的一半加在VT1的输入端，另一半加在VT2的输入端，两者极性相反，即 ui1ui ui2-ui 由此可见，在单端输入的差动放大电路中，只要共模反馈电阻Re足够大时，两管所取得的信号就可以认为是一对差模信号，也就是说，单端输入和双端输入的效果一样。,（3）共模抑制比KCMRR,对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，对差模信号应有较大的放大倍数，而对共模信
8、号则放大倍数愈小愈好，愈小说明对零点漂移的抑制能力就愈强。实际上对共模信号也有一定的放大倍数，特别是单端输出情况，设输入的共模信号为uiC时，输出电压为uOC ，则共模放大倍数为,（4）带恒流源的长尾式差动放大电路,图中VT3管和电阻组成了三极管电流源。这种带恒流源的差动放大电路，比前面介绍的电路具有更高的共模抑制比。,6.2.2电流源电路,1.镜像电流源,图6.2.11 镜像电流源,从图中可以看出，基准电流为,输出电流与基准电流相等，我们把输出电流看作是基准电流的镜像，故称为镜像电流源。,因为各管的UBE相同，则,各支路电流IC1,IC2,IC3仅取决于IREF和各电阻的比值，具有很好的恒流
9、特性。改变各射极电阻，可获得不同比例的电流输出。,2.比例电流源,3.微电流源,图6.2.14 微电流源,微电流源电路工作原理也可以简单说明如下：,4.威尔逊（Wilson）电流源,威尔逊电流源与镜像电流源比较，多采用了一个三极管，提高了与基准电流相等的精度，同时因为引入了电流负反馈，所以提高了输出电阻，稳定了输出电流，具有很好的恒流特性。电流的自动稳定过程如下：,6.2.3采用复合管和有源负载的中间放大级,三极管VT1和VT2构成复合管，复合的 ，从而电压增益和输入电阻都比较大。,而三极管VT3和VT4构成镜像电流源，其电流作为复合管的集电极有源负载，进一步提高中间级的电压增益。,若流过三极
10、管VT1的电流过大，则电阻 上压降升高而使得二极管 导通，流过三极管VT1 基极的电流一部分被分流到 ， 的导通限制了 基极电流的增加，从而保护了三极管 。,6.2.4输出级中的过载保护电路,图6.2.19 三极管过载保护电路,6.3 典型集成运算放大器介绍,6.3.1 BJT通用型集成运算放大器A741,图6.3.2 A741的电流源电路,图6.3.3 A741的外引线排列图,通用型集成运放A741有圆壳式和双列直插式两种外形，它有8个外引脚，外引线排列图如图6.3.3所示。,其中8个管脚中有7个与外电路相连，第8管脚为空脚，外接调零电位器（通常为10K）的两个端子接1和5管脚，中间抽头接第
11、4脚，2脚为反向输入端，3脚为同向输入端，6脚为输出端，7脚为正电源端，4脚为负电源端。,6.4集成运算放大器的主要参数,6.4.1 直流性能指标,6.4.2 差模小信号性能指标,6.4.3 大信号工作的性能指标,6.4.4 电源性能指标,6.4.1 直流性能指标,1输入失调电压Uio,Uio的大小反应了差放输入极的不对称程度，显然其值越小越好，一般为几个毫伏，高质量的在1mV以下,2输入失调电压温漂dUio/dT,指温度每变化单位值时引起输入失调电压变化量的多少。它衡量了输入失调电压的温漂特性,3输入失调电流Iio,输入失调电流是输入信号为零时，两个输入端静态电流之差。,4输入偏置电流IiB
12、,输入信号为零时，两个输入静态电流的平均值，称为输入偏置电流,5.输入失调电流温漂dIIO /dT,6.4.2 差模小信号性能指标,1开环电压放大倍数Aod （开环差模增益）,Aod一般约为104107，即80140dB。 高增益运放可达140dB以上。,2差模输入电阻rid,一般为几十千欧到几十兆欧，以场效应晶体管作为输入级的集成运放，rid可达106k以上。,3共模抑制比KCMR,6.4.3 大信号工作的性能指标,1最大共模输入电压Uicm,如超出这个电压，运算放大电路的共模抑制性能就大为下降,2最大差模输入电压Uidm,集成运算放大器在工作中，差模成分也有限制，否则可能使输入级PN结或栅
13、源间绝缘层反向击穿。,3最大输出电压,能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压,6.4.4 电源性能指标,1.电源电压变化范围,在保证运放处于放大状态，且性能参数变化不大的前提下，电源电压允许的最大值与最小值之差。大多运放都可以工作在（几几十）V范围内。,2.电源电压抑制比,运放工作在放大状态时，输入失调电压相对电源电压 的变化率称之为电源电压抑制比,6.5 集成运算放大器的工作特性,6.5.1 集成理想运放的性能参数,6.5.2 集成运放的电压传输特性,6.5.3 运放工作在线性区的特点,6.5.4 运放工作在非线性区的特点,6.5.1 集成理想运放的性能参数,6.5.2 集成运放的电压传输特性,由于运算放大电路的Auo很高，即使输入信号很小，也足以使运放工作于饱和区，使输出电压达到饱和值+U0pp或U0pp，其饱和值在数值上接近于正、负电源电压。,6.5.3 运放工作在线性区的特点,6.5.4 运放工作在非线性区的特点,！谢谢！,
