§4.3集成运放电路简介

,模拟电子技术基础,课件制作：,郑恒秋,4.3 集成运放电路简介,从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大器。一、双极型集成运放 1、F007(A741)电路分析 2、F324(LM324)电路分析二、单极型集成运放,一、双极型集成运放,1、F007(A741)电路分析,电路结构 由二大部分组成，一部分是偏置电路，一部分是放大电路。 偏置电路由电流源完成。R5中的电流为偏置电路的基准电流。 T10与T11构成微电流源：IC10=IC9+IB3+IB4T与T构成镜像电流源，为第一级提供静态电流。T与T构成镜像电流源，为第二、三级提供静态电流。,放大部分如下图所示：,显然，放大电路可分成输入级、中间级和输出级三部分。,输入级由T1T组成，是一个共集共基组合双端输入、单端输出的差分放大电路。T1和T2组成的共集差分放大电路与T和T组成的共基差分放大电路之间是直接耦合。 T、 T和T组成的加射极输出器的比例电流源是该级的有源负载。 中间级是由复合管T1和T组成、以恒流源做有源负载的共射放大电路。,输出级由T、 T和T组成准互补输出电路， T5和R、R8组成UBE倍增器，设置静态偏置，以消 除交越失真。D1、D2、R9和R10组成过流保护电路。原理是：uR7+uD1=uBE14+iOR9 正常情况下， uD1Uon， D1截止。过流时， D1导通，为T基极分流，保护T。此外，电容C起相位补偿作用。电位器Rw用于调零。,静态分析 我们已经求出了IR=0.73mA，IC10=28A， IC12=IC13=0.365mA，现在求其它电流。,T8和T9组成镜像电流源，基准电流是2IE1,把、式代入式，得：,已知1= 2=150,UBE倍增器,因此，T14、T18处于临界导通状态。,交流性能分析，先看第一级：根据电流源一节的分析，IO1=2 IC4,再看第二、三级，设R9+RL=2K，16=100， 17= 14=150，rce17=rce13=274K 画出交流等效电路图：,2、F324(LM324)电路分析 F324是四通用运算放大器，其特点是既可以单电源（330V）工作，又可以双电源(1.5- 15V)工作，而且静态功耗小。电路如图：,基准电流IR来源于内部专门的基准电流源电路。 多集电极晶体管T11、T12和T13利用集电区面积不同而构成比例电流源，为第一、二级提供静态电流，T19和T20管构成镜像电流源，为末级提供静态电流。除去偏置电路后的电路图如下，由输入级、中间级和输出级组成。,输入级是共集-共射组合双端输入、单端输出的差分放大电路。 中间级是共集-共射组合放大电路。 输出级的工作情况与使用的电源有关。 在单电源供电的情况下，输出级是由T8和T9复合构成的射极输出器，50A电流源为它提供静态电流。这时，T7管的集电极电位为： uC7=uBE8+ uBE9+ uR2+ uO,所以，T10管发射结反向偏置， T10管截止。 静态时，应使uO=VCC/2，通过输入端加偏置来实现。 当双电源供电时，输出级的工作情况与F007相同。 R2的作用有二个，一是补偿输出级中NPN管与PNP管的不对称，二是与T21管组成正向过流保护电路。 电容C起相位补偿作用。,二、单极型集成运放,当要求高输入电阻时，应使用场效应管构成的运算放大器。CMOS集成运放的输入电阻可高达1010以上。C14573是四运放集成电路，原理图如下：,它全部由增强型MOS管组成。T1、T2和T7构成多路电流源，为放大电路提供静态电流。其基准电流IR由外接电阻决定，一般选20-200A。,它全部由增强型MOS管组成。T1、T2和T7构成多路电流源，为放大电路提供静态电流。其基准电流IR由外接电阻决定，一般选20-200A。,把偏置电路简化后，放大部分的电路图如下 ：,由图可知，C14573有二级放大。 第一级是由P沟道管T3和T4构成的双端输入。单端输出的共源差分放大电路。T5和T6组成的电流源做有源负载。 第二级是共源放大电路，放大管是N沟道管T8，其漏极带有有源负载。输出电阻大，带负载能力差。 电容C起相位补偿作用。,4.4 集成运放的基本知识,一、性能指标二、低频等效电路三、封装形式四、分类,4.4集成运放的基本知识,一、性能指标1、最大额定值2、电气特性 输入特性 输出特性 动态特性,一、性能指标,1、最大额定值 电源电压，最大允许的安全电源电压，一般15V。 耗散功率，在规定的温度范围内工作时，安全 耗散的功率。 工作温度范围： 商品级：0C-+70C 工业级： -25C-+85C 军用级： -55C-+125C,最大差模输入电压, Uidmax，太大会击穿PN结。 最大共模输入电压, Uicmax，超过一定值后不能正常工作。 输出短路持续时间，输出接到任一电源上，所能承受的时间。,2、电气特性 输入特性 输入失调电压UIO，为使静态为零时，运放两输入端必须外加的直流补偿电压。,输入失调电压的温度系数dUIO/dT，V/ C， 失调电压是可以补偿的，但漂移不能补偿。 输入偏置电流IIB，两输入端输入电流的平均值， IIB=0.5(IB1+IB2)。 输入偏置电流IIB的温度系数d IIB/dT。 输入失调电流IIO，输出为零时，流入两输入端的 电流差， IIO=IB1-IB2 输入失调电流IIO，的温度系数d IIO/dT。 差模输入电阻rid，一般几十K 到几M。 共模抑制比KCMR。,输出特性 输出电压摆幅UOP，不削波情况下的最大峰值电压。 输出电阻rO。 输出短路电流，内部限流。动态特性 开环差模电压放大倍数Aod。 -3dB带宽fH，上限截止频率。,单位增益带宽fC，与晶体管的fT类似。 转换速率（压摆率）SR，大信号条件下，输出电压变化的最大速率。 SR=|duO/dt|max 建立时间tS，放大器加阶跃信号后，电压达到规定精度范围以内的最终电压所需要的时间。,二、低频等效电路,因为运放有二个输入端和一个输出端，所以一般情况下用一个三角形表示运算放大器，如下图所示。而且，只标出二个输入端和输出端，其它如电源端、调零端等一般不画出，只有在需要时才标出。,运算放大器的低频等效电路如下图。,输入端等效为一个差模输入电阻rid， 理想运放的rid=。 输出端等效为一个压控（uI=uP-uN)电压源AoduI，内阻为rO。对于理想运放Aod= ， rO=0,三、封装形式,集成运放有金属圆形封装和双列直插封装两种形式。双列直插封装形式较多。 双列直插封装有8、10、12、14、16管脚等，材料大部分为塑料，有一些性能要求高的采用陶瓷材料。,前面介绍过的741运放的管脚排列如下：,324运放的管脚排列如下：,四、分类,（一）、通用型 通用型运放的特征为：单位增益带宽fC在1MHz-3MHz范围，可在5 20V电源电压范围内工作，通常有内补偿电路，这类的典型运放为单运放A741，双运放A747，四运放LM324，做一般用途。（二）特殊型（专用型） 1、高速型，反应速度快，用于高速A/D，D/A转换，高速采样保持电路等。主要用单位增益带宽、转换速率和建立时间来体现。 如3554，转换速率SR=1000V/S，单位增益带宽fC=1.7GHz，建立时间tS=150nS(0.1%精度）。,2、高阻型，要求输入差模电阻不小于109，主要措施 是在输入级采用结型或MOS型FET。例如CA3140， Ri=1.5T =1.51012 。3、高压型，有较高的输出电压，例如3583，电源电压 最高为150V，输出电压的峰值为140V。4、大功率型，例如MCEL165，在18V电压下，可输出 3.5A电流。5、低功耗型，主要用在要求微电流的军事和空间技术 中。如CA3078，在6V电源电压时，电源电流是 20 A。6、高精度型 ，又叫仪用型 适用于对微弱信号的精密测量和运算，常用于高精度的仪器设备中。例如CAW5037，UIO=10 V，其温漂为0.2 V/ C，IIO=7nA，等效输入噪声电压密度为3.5nV/Hz，电流密度约为1.7pA/ Hz，Aod=105dB。,除了通用型和特殊型运放外，还有一类运放是为完成某种特定功能而生产的