第四章集成运算放大电路 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 本章讨论的问题:1什么是集成运算放大电路?将分立元件直接耦合放大电路 做在一个硅片上就是集成运放吗?集成运放电路结构有什么特点? 2集成运放由哪几部分组成?各部分的作用是什么? 3如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点?4集成运放的电压传输特性有什么特 点? 5如何评价集成运放的性能?有哪些主要指标?6集成运放有哪些类型?如何选择?使用 时应注意哪些问题? 4.1集成运算放大电路概述 4.1.1集成运放的电路结构特点 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路,它的方框图如图所示 差分放大电路 输入级 中间放大级 互补输出级 偏置电流源 运算放大器方框图 4.1.2集成运放电路的组成及各部分的作用 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。 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。 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。 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。 4.1.3集成运放的电路传输特性 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1IN+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
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。 本章讨论的问题：1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放 大电路 做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运 放电路结构有什么特点？ 2.集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？4.集成运放的电压传输特性有什么特 点？ 5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用 时应注意哪 些问题？ 4.1 集成运算放大电路概述 4.1.1 集成运放的电路结构特点 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。 运算放大器方框图 4.1.2 集成运放电路的组成及各部分的作用 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。 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。 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。 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。 4.1.3 集成运放的电路传输特性 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所示。 vil (a)国家标准符号 (b)原符号 图模拟集成放大器的符号 (2)集成运算放大器的型号命名 CHINA的字头放大器 CF一 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 集成稳压器的型号命名 CW 4.2集成运放中的电流源电路 流源是一个使输出电流恒定的电源电路,与电压源相对应。 (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)电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点,这对直接耦合放大器是十分重 要的。 (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:镜像电流源、精密电流源、微电流源、多 路电流源等 4.2.1基本电流源电路 、镜像电流源 镜像电流源电路,如图所示,它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流 的镜像(相等)
按照国家标准符号如图所示。 (a) 国家标准符号 (b)原符号 图模拟集成放大器的符号 (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－－－－ 4.2 集成运放中的电流源电路 电流源是一个使输出电流恒定的电源电路，与电压源相对应。 (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) 电流源电路在模拟集成放大器中用以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重 要的。 (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：镜像电流源、精密电流源、微电流源、多 路电流源等。 4.2.1 基本电流源电路 一、镜像电流源 镜像电流源电路，如图所示，它的特点是工作三极管的集电极电流是电流源电路电流 的镜像(相等）
镜像电流源 三极管T、T匹配,B=B2=B,VBE1=VBE2=匪,则 Ic1 +218 2 2(1+) 且=旺,当B>2时,(2=,le2和l是镜像关系。 R 二、比例电流源 在镜像电流源电路中,若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。其电路如图所示 因两三极管基极对地电位相等,于是有 VBEL+leR=VBe+leR 因 aE1≈VB2,E1Ra1≈l2R2 所以, Io Re REF lREF↓lB1+lB2 Re El 图04.06比例电流源 、微电流源 微电流源电路如图所示,通过接入R电阻得到一个比基准电流小许多倍
镜像电流源 三极管 T1、T2 匹配， 1 2 BE1 BE2 BE = = ,V =V =V ，则 I I I I I I R C B C B C ( ) EF = + = + = + 1 2 2 2 2 1 2 且 I V V R R CC BE EF = − ，当 2 时， I I C2 = R EF ，IC2 和 IREF是镜像关系。 二、 比例电流源 在镜像电流源电路中，若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。其电路如图所示。 因两三极管基极对地电位相等，于是有 BE1 E1 e1 = BE2 E2Re2 V + I R V + I e2 e1 REF O BE1 BE2 E1 e1 E2 e2 , R R I I V V I R I R 图 04.06 比例电流源 三、微电流源 微电流源电路如图所示，通过接入 Re电阻得到一个比基准电流小许多倍 因 所以
EF↓B1+lB2 x。2 微电流源 的微电流源,适用于微功耗的集成电路中。由图可得: BEI +/2R 12R=a1-1B2=△lBE B2=△m/R lo与kRE的关系如下 REF o=le≈lB2≈ls2e △B=aLm2=(hn-h 般有ls1=l2,所以 In In /Ree=loR. 因△VBE小,lo<lRE。同时l的稳定性也比lk好 4.2.2改进型电流源电路 加射极输出器的电流源 与普通镜象电流源相比,其精度提高了β倍。电路如图04.04所示。由于有T3存在,lBs3和 将比镜像电流源的2lB小B3倍,因此la2和lg更加接近
微电流源 的微电流源，适用于微功耗的集成电路中。由图可得： BE1 = BE2 E2Re V V + I E2Re VBE1 VBE2 VBE I = − = O E2 BE e I I = V / R I O 与 IREF的关系如下 (ln ln ) e e S2 o S1 REF BE BE1 BE2 T / O C2 E2 S2 / REF E1 S1 B E2 T B E1 T I I I I V V V V I I I I I I I V V V V = − = − = 一般有 IS1= IS2，所以 T O e O REF O REF e2 T e2 BE O ln ln V I R I I I I R V R V I = = = 因VBE 小，IO<< IREF。同时 IO 的稳定性也比 IREF好。 4.2.2 改进型电流源电路 一、加射极输出器的电流源 与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 将比镜像电流源的 2IB小β3 倍，因此 IC2 和 IREF更加接近
IREFHBK, ic2 精密镜像电流源 二、威尔逊电流源 4.2.3多路电流源电路 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。图中一个基准电流l可获得多个恒定电流lc2、le3 x243e3 多电流源 4.2.4以电流源为有源负载的放大电路 一、有源负载共射放大电路 有源负载关分放大电路 4.3集成运放电路简介 4.3.1双极性集成运放 、F007电路分析 F324电路分析 4.3.2单极性集成运放 4.4集成运放的性能指标及低频等效电路
精密镜像电流源 二、威尔逊电流源 4.2.3 多路电流源电路 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。图中一个基准电流 IREF可获得多个恒定电流 IC2、IC3。 多电流源 4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路 一、有源负载共射放大电路 二、有源负载关分放大电路 4.3 集成运放电路简介 4.3.1 双极性集成运放 一、F007 电路分析 二、F324 电路分析 4.3.2 单极性集成运放 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
4.4.1集成运放的主要性能指标 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 1.输入失调电压 Vio(input offset voltage):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。Vo是表征运放内部电路对称性的指 标 2输入失调电流lo( input offset current: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k( input bias current: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drn/r:在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的 变化量与温度变化量之比值 5输入失调电流温漂dlo/dT:在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的 变化量与温度变化量之比值 6最大差模输入电压l( maximum differential mode input voltage运放两 输入端能承受的最大差模输入电压,超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 7最大共模输入电压V-( maximum common mode input voltage):在保证运 放正常工作条件下,共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时,输入差分对管出现饱 和,放大器失去共模抑制能力。 8开环差模电压放大倍数A,4( open loop voltage gain):运放在无外加反 馈条件下,输出电压与输入电压的变化量之比。 9.差模输入电阻ra( input resistance):输入差模信号时,运放的输入电阻。 10共模抑制比κc( ommon mode rejection ratio:与差分放大电路中的定 义相同,是差模电压增益A,d与共模电压增益A,。之比,常用分贝数来表示 CMR=20lg(Ard/Avc)(dB) 11.-3dB带宽f1(-3 sdb band width):运算放大器的差模电压放大倍数Aa在 高频段下降3dB所定义的带宽fl 12单位增益带宽f(BW< G(unit gain band width):4下降到1时所对应的
4.4.1 集成运放的主要性能指标 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。 1.输入失调电压 VIO(input offset voltage) ：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。VIO 是表征运放内部电路对称性的指 标。 2.输入失调电流 IIO(input offset current)：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(input bias current)：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 dV dT IO ：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的 变化量与温度变化量之比值。 5.输入失调电流温漂 d I IO dT ：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的 变化量与温度变化量之比值。 6.最大差模输入电压 Vidmax (maximum differential mode input voltage)：运放两 输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压 Vicmax (maximum common mode input voltage)：在保证运 放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱 和，放大器失去共模抑制能力。 8.开环差模电压放大倍数 Av d (open loop voltage gain) ：运放在无外加反 馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。 9.差模输入电阻 rid (input resistance) ：输入差模信号时，运放的输入电阻。 10.共模抑制比 KCMR (common mode rejection ratio) ：与差分放大电路中的定 义相同，是差模电压增益 Av d 与共模电压增益 Av c 之比，常用分贝数来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 11.－3dB 带宽 f H (—3dB band width) ：运算放大器的差模电压放大倍数 Av d 在 高频段下降 3dB 所定义的带宽 f H 。 12.单位增益带宽 f C (BW•G)(unit gain band width)： Av d 下降到 1 时所对应的
频率,定义为单位增益带宽fc 13,转换速率S2(压摆率) slew rate):反映运放对于快速变化的输入信号的响应 能力。转换速率S,的表达式为 (动画8-1) 14等效输入噪声电压 Vn(equivalent input noise voltage):输入端短路时,输出 端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应 4.4.2集成运放的低频等效电路 4.5集成运放的种类及选择 4.5.1集成运放的发展概况 4.5.1集成运放的种类 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 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I型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF74(A741)为例,输入失调电 压1~2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M,开环增益100dB、共模抑制比9dB 输出电阻75Ω、共模输入电压范围±13V、转换速率0.5V/μs 二、高速型和宽带型 用于宽频带放大器、高速AD和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f1或A,用于高速大信号放大时, 同时还应注重SB。 例如:CF25202525Sg=120V/ps BWG=20 MHz AD9620 SR=2200/Hs fH =600 MHz AD9618 Sr=1800 V/us BWG=8000 MH
频率，定义为单位增益带宽 f C 。 13.转换速率 R S (压摆率)(slew rate)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应 能力。转换速率 R S 的表达式为 max o R d d t V S = （动画 8-1） 14.等效输入噪声电压 Vn(equivalent input noise voltage)：输入端短路时，输出 端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。 4.4.2 集成运放的低频等效电路 4.5 集成运放的种类及选择 4.5.1 集成运放的发展概况 4.5.1 集成运放的种类 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。 一、 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Ⅰ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 1～2mV、输入失调电流 20 nA、差模输入电阻 2M，开环增益 100 dB、共模抑制比 90 dB、 输出电阻 75、共模输入电压范围13 V、转换速率 0.5 V/s。 二、高速型和宽带型 用于宽频带放大器、高速 A/D 和 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 f H 或 fc，用于高速大信号放大时， 同时还应注重 SR 。 例如： CF2520/2525 S SR =120V/μ BWG=20 MHz AD9620 S SR = 2200 V/μ Z fH = 600 MH AD9618 S SR =1800V/μ BWG=8000MHz
OP37 SR=17V/μs BWG=63 MHZ CF357 Sr=sov/HS BW-G=20 MHZ 三、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 OP177 V1o=4u V I=0.3nA dvo 10=0.03uV/°C d I P=1.5pA°C dT dt CF714 30~60V =0.3~0.51V/°C d I dT 12pA°C 四、高输入阻抗型 用于测量设备及采样保持电路中 例如 AD549 1B102g 五、低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中,工作于较低电压下,工作电流微弱。 例如:OP22正常工作时,静态功耗可低至361W。 OP290在±0.8V电压下工作,功耗为241W CF7612在±5V电压下工作,功耗为50pW 六、功率型 这种运放的输出功率可达1W以上,输出电流可达几个安培以上。 例如:LM2=10A IP14651。=0.75A 4.6集成运放的使用 4.6.1使用时必做的工作 4.6.2保护措施 4.6.3输出电压与输出电流的扩展
OP37 SR =17V/μs BWG=63MHz CF357 SR =50 V/μs BWG =20MHz 三、 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： 1.5pA/ C d d 0.03μ V/ C d d 4μ V 0.3nA IO IO IO IO = = = = T I T V V I 8 ~ 12pA/ C d d 0.3 ~ 0.5μ V/ C d d 30 ~ 60μ V 0.4 ~ 0.8nA IO IO IO IO = = = = T I T V V I 四、高输入阻抗型 用于测量设备及采样保持电路中。 例如： AD549 0.040 pA 10 Ω 13 I IB Rid CF155/255/355 30 pA 10 Ω 12 I IB = Rid 五、低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如： OP22 正常工作时，静态功耗可低至 36 μ W。 OP290 在 0.8V 电压下工作，功耗为 24 μ W。 CF7612 在 5V 电压下工作，功耗为 50 μ W 。 六、 功率型 这种运放的输出功率可达 1W 以上，输出电流可达几个安培以上。 例如： LM12 I o =10 A TP1465 I o = 0.75 A 4.6 集成运放的使用 4.6.1 使用时必做的工作 4.6.2 保护措施 4.6.3 输出电压与输出电流的扩展 OP177 CF714