模拟电子技术基础简明教程 第三版

*第五章集成运算放大电路第一节集成放大电路的特点集成电路的发展集成电路的分类集成放大电路的主要特点下页总目录*第五章集成运算放大电路一、集成电路的发展下页集成电路简称IC(IntegratedCircuit)，是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的，因此密度高、引线短、外部接线大为减少，提高了电子设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。上页首页*第五章集成运算放大电路人们经常以电子器件每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。将1904年出现的电真空器件称为第一代，1948年出现的半导体器件称为第二代，1959年出现的集成电路称为第三代，1974年出现的大规模集成电路称为第四代。随着集成工艺的发展，电子技术已经日益广泛地应用于人类社会的各个方面。下页上页首页*第五章集成运算放大电路集成电路的外形图5.1.1　集成电路的外形*第五章集成运算放大电路二、集成电路的分类下页上页1.按功能的不同可分为数字集成电路（输入量和输出量为高、低两种电平且具有一定逻辑关系的电路），模拟集成电路（数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路）。2.按模拟集成电路的类型可分为集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数模和模数转换器以及锁相环等。3.按构成有源器件的类型可分为双极型和单极型。首页*第五章集成运算放大电路三、集成电路的特点 参数精度不高，受温度影响较大，但对称性好。 电阻值范围有一定局限性，一般在几十欧到几十千欧之间。 常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。 集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，放大级之间通常采用直接耦合方式。 一般情况下，PNP管只能做成横向的，β值较小（β≤10）。上页首页*第五章集成运算放大电路第二节集成运放的主要技术指标集成运放的符号集成运放的技术指标下页总目录*第五章集成运算放大电路一、集成运放的符号下页下页由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端和一个输出端。反相输入端输入信号与输出信号的相位相反同相输入端输入信号与输出信号的相位相同输出端开环放大倍数上页首页*第五章集成运算放大电路二、集成运放的主要技术指标1.开环差模电压增益Aod下页下页Aod是指运放无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数示，单位为分贝。Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运放Aod可达140dB以上。上页首页*第五章集成运算放大电路2.输入失调电压UIo3.输入失调电压温漂αUIO下页下页UIo的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度，在一定程度上也反映温漂的大小。一般运放UIo的值为1~10mV，高质量的在1mV以下。表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。上页首页*第五章集成运算放大电路4.输入失调电流IIO5.输入失调电流温漂αIIO下页上页IIO的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。首页*第五章集成运算放大电路6.输入偏置电流IIB下页上页IIB是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。IIB的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值，首页*第五章集成运算放大电路7.差模输入电阻rid8.共模抑制比KCMR9.最大共模输入电压UIcm集成运放输入端所能承受的最大共模电压。下页上页用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。用以衡量集成运放抑制温漂的能力。首页*第五章集成运算放大电路10.最大差模输入电压UIdm11.-3dB带宽fH12.单位增益带宽BWG13.转换速率SR集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。Aod下降3dB时的频率。上页Aod降至0dB时的频率。在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/μs。首页*第五章集成运算放大电路第三节集成运放的基本组成部分偏置电路差分放大输入级中间级输出级下页总目录*第五章集成运算放大电路向各放大级提供合适的偏置电流克服零点漂移提供负载所需功率及效率提供电压放大倍数集成运放的基本组成部分下页上页首页*第五章集成运算放大电路一、偏置电路1.镜像电流源IC2≈IREFIREF-2IB当β>>2时下页上页首页优点:结构简单，有温度补偿作用。*第五章集成运算放大电路２、比例电流源由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1UBE2，则忽略基极电流，可得　　两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。图5.2.3　比例电流源*第五章集成运算放大电路下页上页首页优点:结构简单，有温度补偿作用。缺点:VCC变化时，IC2按同样规律变化；无法产生微安极电流*第五章集成运算放大电路３、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻Re。引入Re使UBE2<UBE1，且IC2<<IC1，即在Re值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流IC2。图5.2.4微电流源*第五章集成运算放大电路基本关系因二极管方程若IC1和IC2已知，可求出Re。图5.2.4　微电流源*第五章集成运算放大电路下页上页首页优点:（１）VCC变化时，RE负反馈的作用，IC2变化很小，提高了恒流源对电源变化的稳定性；（２）温度升高时，UBE1下降，对IC2增加有抑制作用，提高了恒流源对温度变化的稳定性；（３）RE引入了电流负反馈，输出电阻增大；*第五章集成运算放大电路[例5.3.1]图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC=VEE=15V，所有三极管的UBE=0.7V，其中NPN三极管的β>>2，横向PNP三极管的β=2，电阻R5=39kΩ。下页上页①估算基准电流IREF；②分析电路中各三极管组成何种电流源；③估算VT13的集电极电流Ic13；④若要求Ic10=28μA，试估算电阻R4的阻值。首页*第五章集成运算放大电路下页上页解：①由图可得②VT12与VT13组成镜像电流源，VT10、VT11与R4组成微电流源。首页*第五章集成运算放大电路下页上页③不能简单认为Ic13≈IREF。④可认为Ic11≈IREF。首页*第五章集成运算放大电路二、差分放大输入级1.基本形式差分放大电路电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。两个输入、两个输出两管静态工作点相同（1）电路组成下页上页首页*第五章集成运算放大电路温度变化时，UC1和UC2变化一致，uO保持不变。uo=VC1－VC2=0uo=(VC1+VC1)－(VC2+VC2)=0静态时，ui1=ui2=0当温度升高时ICVC（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。下页上页首页*第五章集成运算放大电路（2）差模输入电压和共模输入电压差模输入电压uId两个输入电压大小相等、极性相反。下页上页差模输入电压首页*第五章集成运算放大电路下页上页共模输入电压uIc两个输入电压大小相等、极性也相同。共模输入电压首页*第五章集成运算放大电路下页上页实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:[例5.3.2]uI1=5mV,uI2=1mV则:uId=4mVuIc=3mV首页*第五章集成运算放大电路共模放大倍数共模抑制比下页上页差模放大倍数共模放大倍数KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模抑制比首页（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比ΔuoΔui*第五章集成运算放大电路差模电压放大倍数Ad牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。下页上页首页*第五章集成运算放大电路2.长尾式差分放大电路引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流下页上页(1)电路组成首页*第五章集成运算放大电路(2)静态分析IBQR+UBEQ+2IEQRe=VEEVCC-ICQRcβIBQ-IBQRUCUCUB下页上页首页仿真*第五章集成运算放大电路（3）动态分析=Au1Ro=2Rc∆uc2∆uc1下页上页∆uo=2∆uc1∆ui=∆uI1-∆uI2=2∆uI1首页*第五章集成运算放大电路[例5.3.3]在长尾式差分放大电路中常接入调零电阻Rw确保静态时输出为零，如右图所示。静态分析：IBQ=VEE-UBEQR+(1+β)（2Re+0.5Rw)UCQ=VCC-ICQRcICQ≈βIBQUBQ=-IBQRIBQR+UBEQ+IEQ（2Re+0.5Rw)=VEE下页上页首页*第五章集成运算放大电路动态分析：Ad=∆uo∆uI=Au1Ad=-R+rbe+Ro=2Rc∆uI1=（R+rbe）ib+0.5Rwie∆uc1=（1+β）下页上页首页*第五章集成运算放大电路3.恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。（1）电路组成下页上页首页*第五章集成运算放大电路(2)静态分析通常可从确定恒流三极管的电流开始。UBQ1=UBQ2=-IBQ1RUCQ1=UCQ2=VCC-ICQ1RC下页上页首页仿真*第五章集成运算放大电路[例5.3.4]估算图示电路的静态工作点和差模电压放大倍数Ad。下页上页首页*第五章集成运算放大电路UB1=-IB1RUC1UC2解：静态工作点下页上页UC1=VCC-ICQRC首页仿真*第五章集成运算放大电路解：差模电压放大倍数下页上页恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同二者的差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻均相同首页*第五章集成运算放大电路4.差分放大电路的输入、输出接法（1）差分输入、双端输出下页上页首页*第五章集成运算放大电路（2）差分输入、单端输出将双端信号转化为单端信号。下页上页首页*第五章集成运算放大电路（3）单端输入、双端输出将单端信号转化为双端输出。下页上页首页*第五章集成运算放大电路（4）单端输入、单端输出抑制零漂能力较强,可使输入、输出电压反相或同相。下页上页首页仿真*第五章集成运算放大电路结论：1.双端输出时Ad≈Au1Ro=2Rc理想情况下KCMR=∞2.单端输出时Ro=RcKCMR不如双端输出时高，可选择从不同的三极管输出，使ui与uo反相或同相。 单端输入时 两个三极管仍基本工作在差分状态。下页上页首页*第五章集成运算放大电路三、中间级1.有源负载要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现差分与单端信号间的转换。放大管用三极管代替负载电阻RC，组成有源负载，获得较高的电压放大倍数下页上页首页*第五章集成运算放大电路2.复合管集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。根据基准电流IREF，即可确定放大管的工作电流。下页上页首页*第五章集成运算放大电路下页上页ΔiC2≈-ΔiC4ΔiC3≈ΔiC4ΔiC1≈ΔiC3ΔiC1=-ΔiC2ΔiO=ΔiC4-Δic2=2ΔiC4放大管β足够大电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。有源负载有源负载差分放大电路首页*第五章集成运算放大电路四、输出级集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻，以增强带负载能力。有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。一般不要求输出级提供很高的电压放大倍数。应设法尽可能减小输出波形的失真。应有过载保护，以防止在输出端意外短路或负载电流过大时烧毁功率三极管。下页上页首页*第五章集成运算放大电路1.互补对称电路下页上页集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的OCL或OTL互补对称电路。当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路，以免要求前级放大级提供的推动电流太大。首页*第五章集成运算放大电路2.过载保护电路VD3、VD4和Re1、Re2组成过载保护电路。工作电流正常时，VD3、VD4截止。若VT1正向电流增大，VD3导通，将VT1的基流分流，若VT2反向电流增大，VD4导通，将VT2的基流分流。下页上页首页*第五章集成运算放大电路VT3、VT4和Re1、Re2组成过载保护电路。其工作原理与二极管过载保护电路类似。下页上页首页*第五章集成运算放大电路第五节各类集成运放的性能特点通用型集成运放的特点专用型集成运放的特点下页总目录*第五章集成运算放大电路一、通用型集成运放的特点通用型集成运放已经经历了四代的更替，各项技术指标不断得到改进。第一代集成运放以μA709（我国的FC3）为代表，基本上沿袭了数字集成电路的制造工艺，但也开始少量采用例如横向PNP管等特殊元件，采用了微电流的恒流源、共模负反馈等电路，它们大致能够达到中等精度的要求。下页上页首页*第五章集成运算放大电路下页上页第二代以μA741（我国的F007或5G24）为代表，它的特点是普遍采用了有源负载，因而在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益。由于放大级由三级减为两级，使防止自激的校正比较简单。电路中还有短路保护措施，防止过流造成损坏。首页*第五章集成运算放大电路下页上页第三代以AD508（我国的4E325）为代表，它的特点是输入级采用了超β管，使IIB、IIO和αIIO等项参数值大大下降。在版图设计方面，输入级采用热对称设计，使超β管产生的温漂得以抵消，因此在失调电压、失调电流、开环增益、共模抑制比和温漂等方面的指标都得到改善。第四代以HA2900为代表，它的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。输入级采用MOS场效应管，输入电阻高达100MΩ以上，采取调制和解调措施，成为自稳零运算放大器，输入电压和温漂进一步降低，一般无需调零即可使用。首页*第五章集成运算放大电路1.高精度型下页上页二、专用型集成运放的特点主要特点是温漂和噪声很低，而开环增益和抑制比很高，从而大大减小集成运放的误差，达到很高的精度。2.低功耗型低功耗型集成运放的静态功耗比通用型低1~2个数量级（不超过毫瓦级），要求的电源电压很低，可用电池供电，也可在电压范围内工作。当在低电源电压下工作时，不仅静态功耗低，而且能保持良好的技术性能。首页*第五章集成运算放大电路3.高阻型高阻型集成运放通常利用场效应管组成差分输入级，有的集成运放则全部用MOS工艺制成。高阻型集成运放的输入电阻高达1012Ω。4.高速型高速型集成运放的主要特点是在大信号工作状态下具有优良的频率特性。它们的转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/μs。单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆赫。下页上页首页*第五章集成运算放大电路上页5.高压型某些应用场合需要集成运放能输出更高的电压，此时应选用高压型集成运放。这种集成运放的特点是输出电压动态范围大，电源电压高，因而集成运放的功耗也高。6.大功率型大功率型集成运放在提供较高的输出电压的同时，还能给出较大的输出电流，最后在负载上可以得到较大的输出功率。首页