第四章 集成运算放大电路
4.1 集成运算放大电路概述
,管”和“路”的紧密结合,实现模拟信号的
比例、求和、求差、积分、微分等运算。
4.1.1 集成运放的电路结构特点
一、因为硅片上不能制作大电容,所以集成运放
均采用直接耦合方式。
二、因为相邻的元件具有良好的对称性,受环境
温度和干扰等影响后的变化相同,所以集成
运放中大量采用各种差分放大电路(输入级)
和恒流源电路(作偏臵电路或有源负载)。
三、制作不同的电路,只是掩膜不同,并不增加制
造工序,所以允许采用复杂的电路形式,以提
高各种电路性能。
四、常用晶体管或场效应管有源元件代替大值电阻。
五、集成晶体管和场效应管因制作工艺不同,性能
上有较大的差异,故多采用复合形式,以得到
性能具佳的效果。
4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用
图 4.1.1
一、输入级
前臵级,往往是双端输入的高性能差分放大电
路。要求输入级的输入电阻高,差模放大倍数大抑
制共模信号的能力强,静态电流小。
二、中间级
是主放大器,常用共射或共源放大电路,并且
采用复合管和有源负载,使电压放大倍数可达千倍
以上。
三、输出级
要求输出电压线性范围宽,输出电阻小(带负
载能力强),非线性失真小。
四、偏臵电路
常用电流源电路为各级提供集电极或发射级,
漏级静态工作电流。
4.1.3 集成运放的电压传输特性
图 4.1.2
同相输入端 ;
反相输入端 ;
电压传输特性
uO=f(uP-uN);
线性区和非线性区 ;
差模开环放大倍数 Aod
uO=Aod(uP-uN);
4.2 集成运放中的电流源电路
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源
4.2.1
IB0=IB1=IB;
IC0=IC1=IC=βIB
IC1为输出电流,
IR为基准电流。
当 β?2时,输出电流
有温度补偿作用,
温度升高引起 IC1增加,由于对称性,IR也增
加,则 UB减小,最后导致 IC1减小。
问题,
输出电流 IC1大时,IR也大,则功耗很大;
输出电流 IC1小时,IR也小, 则电阻很大。
二、比例电流源
IC1可以大于或小于 IR,则能克服上述问题。
图 4.2.2
经整理可得
当 时,
在一定的取值范围内,可忽略上述对数项,则
只要改变 Ie0和 Ie1的阻值,就可以改变 IC1和 IR的
比例关系,
基准电流
Re0和 Re1都是电流负反馈电阻,因此输出电流
IC1具有更高的温度稳定性,
三、微电流源
图 4.2.3
根据上一节的分析,得出
这是一个超越方程,可以
通过图解法或累试法解出 IC1。
式中基准电流
在设计电路时,首先应确定电流 IR和 IC1的数值,
然后求出 R和 Re的数值。在 4.2.3电路中,若 VCC=15V,
IR=1mA,UBE0=0.7V,UT=26mV,IC1=20μA;则可以求得
R=14.3kΩ,Re?5.09kΩ。
所以,在微电流源中,能输出很小的电流( 20 μA ),
但电阻却不是很大(几 ~十几 kΩ )。
4.2.2 改进型电流源电路
一、加射极输出器的电流源
图 4.2.4
二、威尔逊电流源
图 4.2.5
IC2为输出电流,T1管
的作用相当于工作点稳
定电路中的 Re。 A点的
电流方程为
在 B点,电流方程为
整理后可得
当 β=10时,IC2?0.984IR,可见,在 β很小时也可认为
IC2 ?IR,IC2受基极电流影响很小。
4.2.3 多路电流源电路
图 4.2.6
图 4.2.7所示为多集电极
管多路电流源。 S0,S1和 S2
是各集电区的面积,则
图 4.2.7
图 4.2.8所示为场效应管
多路电流源,S0~S3是各管导
电沟道的宽长比,则
图 4.2.8
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
图 4.2.10
空载时
若 RL <<(rce1//rce2),则
说明电流 几乎全部流向了负载。
有源负载使电压放大倍数大大提高。
二、有源负载差分放大电路
图 4.2.11
以上分析说明,用镜像电流源做有源负载,
不但可将 T1管的电流变化转换为输出电流,而
且还将使所有的变化电流流向负载 RL。
图中的晶体管也可用合适的场效应管代替。
4.3 集成电路运放电路简介
本质,高性能的直接耦合放大电路。品种繁多,
内部电路不同,但基本组成部分、结构
形式、组成原则基本一致。
4.3.1 双极型集成运放
一,F007电路分析
图 4.3.1 F007电路原理图
图 4.3.2 F007电路中的放大电路部分
1、输入级
双端输入、单端输出的差分放大电路。 T1与 T2,
T3与 T4对称,构成共集 —共基电路,提高输入电阻,
改善频率响应。
T5, T6与 T7构成加射极输出器的电流源电路,
不但作有源负载,而且将 T3管集电极动态电流
转换为输出电流 ΔiB16的一部分。
输出电流加倍,使电压放大倍数增大。
共模输入时,
从 以上分析可知,共模信号基本不传递到下一
级,提高了整个电路的共模抑制比。
此外,输入级静态电流增加时,T8与 T9管集电
极电流会相应增大,但因为 IC10=IC9+IB3+IB4,且 IC10
基本恒定,所以 IC9的增大势必使 IB3, IB4减、小,从
而导致输入级静态电流减小,最后使它们基本不变。
综上所述,输入级是一个输入电阻大、输入端耐
压高、对温漂和共模信号抑制能力强、有较大差模放
大倍数的双端输入、单端输出差分放大电路。
2、中间级
以 T16和 T17组成的复合管为放大管,以电流源为
集电极负载的共射放大电路,具有很强的放大能力。
3、输出级
是准互补电路。 T18和 T19复合而成的 PNP型管与
NPN型管 T14构成互补形式,为弥补非对称性,在发
射极加两个电阻 R9和 R10,这两个电阻还和二极管 D1,
D2一起构成过流保护电路。
R7,R8和 T15构成倍增电路,为输出级设臵合适的
静态工作点,以消除交越失真。
电容 C起相位补偿作用。
4.3.2 单极型集成运放
特点,输入电流小到 10pA以下 ;输入电阻高达 Ω
以上 ;电源电压范围宽 ;所用芯片面积只是双极
型设计的 1/3~1/5,故 CMOS电路集成度更高。
图 4.3.5 图 4.3.6
T3,T4为 P沟道放大管,T5,T6管构成的电流
源为有源负载,它们共同构成共源形式的双端输入,
单端输出差分放大电路。
N沟道管 T8加有源负载,组成共源放大电路。
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
1、开环差模增益 Aod,分贝( dB) =20lg|Aod|。
2、共模抑制比 KCMR
3、差模输入电阻 rid
4、输入失调电压 UIO及其温漂 dUIO/dT
5、输入失调电流 IIO及其温漂 dIIO/dT
6、输入偏臵电流 IIB:IIB=1/2(IB1+IB2)
7、最大共模输入电压 UIcmax
8、最大差模输入电压 UIdmax
9,–3dB带宽 fH,Aod下降到 0.707时的频率。
10、单位增益带宽 fc:Aod=1时的信号频率。
11、转换速率 SR:SR=|duO/dt|max
4.4.2 集成运放
的低频等
效电路
图 4.4.1 集成运放低频等效电路
图 4.4.2 简化的低频等效电路
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1 集成运放的发展概况
自 20世纪 60年代以来,已经经历了四代产品,
4.5.2 集成运放的种类
按供电方式分,单电源、双电源(对称、不对称);
按集成度分:单运放、双运放和四运放;
按制造工艺分:双极,CMOS和 BiFE( 混合)型。
还可以从下面三个方面来分类,
一、按工作原理分类
1、电压放大型
2、电流放大型
3、跨导型
4、互阻型
二、按可控性分类
1、可变增益运放:用外接控制电压或数字编码信号
来控制开环差模增益。
2、选通控制运放:输入为多通道,输出为一个通道。
利用输入逻辑信号的选通作用来选择对哪个通道
的输入信号进行放大。
三、按性能指标分类
1、高阻型:大于 Ω
2,高速型:单位增益带宽达 10MHZ甚至千兆;转换
速率大多在几十至几百甚至几千伏 /微秒。
3、高精度型
4、低功耗型:几毫瓦甚至更小。电源电压为几伏。
4.5.3 运放的选择
一、信号源的性质
根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小,
输入信号的幅值及频率的变化范围等来选择运放的
差模输入电阻,–3dB带宽、转换速率等指标参数。
二、负载的性质
根据负载电阻的大小,确定运放输出电压和
电流的幅值。对于容性或感性负载,还要考虑对
频率参数的影响。
三、精度要求
对模拟信号处理如放大、运算等,往往有精度
要求;作电压比较,往往有响应时间、灵敏度要求。
根据这些来选择运放的 Aod,IIo,SR等指标参数。
四、环境条件
根据环境温度的变化范围,可正确选择运放的
失调电压、失调电流等参数。
4.6 集成运放的使用
4.6.1 使用时必做的工作
一、集成运放的外引线
金属壳封装 (外形如图 1.6.2)和双列直插式 (有
8,10,12,14,16管脚等)封装。
二、参数测量
简易测量:用万用表电阻中间挡(,?100 Ω”或
,?1k Ω”档)对照管脚测试有无短路和断路现象。必
要时可采用专用测试设备进行测量。
三、调零或调整偏臵电压
存在失调电压和电流,所以输入为零时输出不为
零。内部无自动稳零措施的运放要外加调零电路。单
电源运放要在输入端加直流偏臵电压,设臵合适的静
态工作点,以便能放大正、负两个方向的变化信号。
四、消除自激振荡
在电源处加去耦电容。有的运放需外加频率补偿
电容。
4.6.2 保护措施
损坏原因有三条,
1、输入信号过大,使 PN结击穿;
2、电源电压极性接反或电压值过高;
3、输出端接“地”或接电源。
一、输入保护
图 4.6.1 防止输入差模、共模信号
幅值过大的保护电路
二、输出保护,
限流、限压
图 4.6.2
三、电源端保护,
防止电源接反
图 4.6.3
4.6.3 输出电压与输出电流的扩展
一、提高输出电压
图 4.6.4
设运放的电源电压为
± 15V,R1=R2=R3=R4=R,
当集成运放的输入电压
uP=uN=0时,其输出电压
uO=0,因而 b1和 b2点的电
位分别是 uB1=+15V,uB2=
–15V,b1和 b2两点的电位
差 uB1–uB2=30V。 忽略 b –e
间的压降,则 uE1?+15V,
uE2 ?–15V,uE1-uE2 ? uB1
– uB2,可见对运放来说其供
电电压仍为 ± 15V 。
当有输入信号时,
说明两路供电电源的差值与无信号时相同。
但是由于 ?VCC= ? 30,使输出电压的幅值变大
了,可达二十几伏。
二、增大
输出
电流 图 4.6.5
本章要求,
1、熟悉集成运放的组成及各部分的作用,正确
理解主要指标参数的物理意义及其主要注意
事项。
2、了解电流源电路的工作原理。
3、了解 F007的工作原理。