第4章 集成运算放大器的结构及特性.ppt

第4章集成运算放大器,4.1集成运算放大电路概述4.2电流源电路4.3集成运算放大电路简介4.4集成运算放大器性能指标低频等效电路及种类,4.1集成运算放大电路概述,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：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、模拟集成运放的组成及各部分的作用,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图08.01所示。,图08.01运算放大器方框图,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。,五、运算放大器的符号和型号,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。,(1)集成放大器的符号按照国家标准符号如图08.02所示。,(a)(b)图08.02模拟集成放大器的符号(a)国家标准符号(b)原符号,(2)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,六、集成运放的电压传输特性,集成运算放大器的电压传输特性如下图（b）所示，它具有如下特点：,由集成运算放大电路的特性曲线可知：（1）输入信号只有在很小的范围内(Uid)，输出与输入有线性关系；（2）当输入信号幅值过大时，输出会产生失真，Uod趋于饱和值（Uom）。,4.2电流源,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电流源概述,(1)电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。(2)电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要。(3)用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性。(4)用电流源给电容充电，以获得线性电压输出。(5)电流源还可单独制成稳流电源使用。(6)在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等。,4.2.2三极管基本电流源,用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。分压偏置基本放大电路就具有这一功能，其电路如图04.01所示。,分压偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对IO有稳定作用，具有稳流特性。电压源的内阻小，电流源的内阻大，内阻越大稳流特性越好。三极管电流源的内阻rce有较大提高。,(a)(b)图04.01三极管电流源,4.2.3集成电路电流源,一、镜象电流源,镜象电流源电路如图04.03所示，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜象(电流相等）。,图04.03镜象电流源,二、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04.04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。,图04.04精密电流源,三、微电流源,微电流源电路如图04.05所示，通过接入Re电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源，适用微功耗的集成电路中。由图可得：,图04.05微电流源,四、比例电流源,在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。其电路如图04.06所示。,图04.06比例电流源,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IREF可获得多个恒定电流IC2、IC3。,图04.07多电流源,六、电流源用作有源负载,目的：提高放大倍数,当Rc趋于无穷时，RL最大，此时电压放大倍数也最大。,4.3集成运算放大电路简介,集成运放是一种高性能的直接耦合多级放大电路，该产品的种类繁多，但每种的基本组成、结构形式、组成原则都一致。下面以通用运放F007为例加以说明，其电路原理图及放大部分电路如图所示：,4.4集成运算放大器性能指标、低频等效电路及种类,4.4.1运算放大器的主要参数4.4.2运算放大器的低频等效电路4.4.3运算放大器分类,4.4.1运算放大器的主要参数,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,1.输入失调电压Vio：(inputoffsetvoltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，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：(inputoffsetcurrent)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：(inputbiascurrent)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dVio/dT,5.输入失调电流温漂dIio/dT,6.最大差模输入电压Vidmax,7.最大共模输入电压Vicmax,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：(openloopvoltagegain)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。,2.差模输入电阻rid：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。,3.共模抑制比KCMR：(commonmoderejectionratio)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),运算放大器外形图,4.4.2运算放大器的低频等效电路,简化的集成运放低频等效电路如下图所示：,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,4.4.3运算放大器分类,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12mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/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：CF2520/2525AD9620AD9618OP37CF357,高精度(低漂移型）,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177CF714,高输入阻抗型,