第四章 集成运算放大电路

4.1 集成运算放大电路概述

4.2 集成运放中的电流源电路

4.3 集成运放简介

4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路

4.5 集成运算的种类及选择

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——高增益的直接耦合的集成多级放大器。

集成电路的工艺特点：（ 1 ）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。

（ 2 ）因为相邻元件具有良好的对称性，而且受温度和干扰等影响后的变化也相同，所以集成运放中大量采用差动电路（作输入级）和恒流源电路（作偏置电路或有源负载）。

（ 3 ）因为制作不同形式的 IC ，只是所用掩膜不同，增加元器件并不增加制造工序，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高电路各方面性能的目的。

（ 4 ）因为硅片上不易制作高阻值电阻，需要大电阻时，往往使用有源元件（晶体管或 FET ）取代电阻。

（ 5 ）集成晶体管和 FET 因制作工艺不同，性能上有较大差异，所以在集成运放中常采用复合形式，以得到各方面性能俱佳的效果。

4.1.2 集成运放电路的组成及各部分的作用

＋－u-

－u+

uo

4.1.3 集成运放的电压传输特性

国际符号：

国内符号：

集成运放的特点：•电压增益高

•输入电阻大

•输出电阻小

同相输入端

反相输入端输出端

V

VVo+

¡Þ+

£ A

+

-

u

uu

集成运放的两种工作状态

1. 运放的电压传输特性：设：电源电压 ±VCC=±10V 。 运放的 Aod=104

│Ui│≤1mV 时，运放处于线性区。

Aod 越大，线性区越小，当 Aod →∞ 时，线性区→ 0

V

Vu u

A¡Þ

£

+i o

+0

uo

ui

+10V

-10V

+Uom

-Uom

-1mV +1mV

线性区非线性区 非线性区

+10V

-10V

+Uom

-Uom

0

uo

ui

2. 理想运算放大器： 开环电压放大倍数 Aod=∞

差摸输入电阻 Rid=∞

输出电阻 Ro=0

为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：

电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：

虚短（ u+=u- ）

虚断（ ii+=ii-=0 ）

3. 线性区

uu

+

£ A

¡Þ+

R

i

i

R

u

u

£

+

f

f

o

i 1

1

4. 非线性区（正、负饱和状态）

运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！

V

Vu u

A¡Þ

£

+i o

+

+10V

-10V

+Uom

-Uom

0

uo

ui

一 . 镜像电流源

基准电流：

无论 T1 的负载如何变化， IC1 的电流值将保持不变。

4.2 集成运放中的电流源电路4.2.1 基本电流源电路

R

UVI BECC

R =

BC II 2

C

C

II 2

RC II2

，若 2 RC II 1 R

UV BECC=

二 . 微电流源

e

BE1BE0

R

UU

E1C1 II

e1BE1BE0 RIUU E

)1(1

1 T

BE

U

U

SE eII T

BE

U

U

SeI1

S

ETBE I

IUU 1

1 lnS

ETBE I

IUU 0

0 ln

)ln(ln 1010

S

E

S

ETBEBE I

I

I

IUUU

1

0lnE

ET I

IU

)1(

)2(

1

01 ln

E

ETeE I

IURI

e

BE

R

U

11 EC II 1

lnC

R

e

T

I

I

R

U

三 . 多路电流源+

RRI

IC0

IC1 IC2 IC3

E1I E2I E3IR 0R 1 R 2

R 3

0T T 1T 2 T 3

V CC

33221100 RIRIRIRI CCCC RC II 0

例 4.2.1

5

11122

R

UUVI BEEBCCR

39

7.07.030 mA73.0

10410 ln

C

RTC I

I

R

UI

10

73.0ln

3

26

CI

AIC 2810

RI2

1313 CC II

73.025

5

mA52.0

4.2.4 . 以电流源为有源负载的放大电路beb

Cu rR

RA

beb

LCu rR

RRA

///

LR

1beb

Lu rR

RA

1

21 )////(

beb

ceceLu rR

rrRA

二、 有源负载差分放大电路

4. 3 集成运放电路简介 F007

偏置电路

中间级 输出级

输入级

4.4 集成运放的主要性能指标及低频等效电路

1 、开环差模增益 Aod

无外加反馈回路的差模放大倍数。通用型集成运放一般在 105 左右，即 100dB 左右。 F007 的 Aod 大于 94dB 。

2、共模抑制比 KCMR

F007 的共模抑制比大于 80dB ， AOC小于 14dB 。

3、差模输入电阻 rid

F007:ri>2M, 有的可达 100M 以上。4、输出电阻 ro

ro = 几几十。

4.4.1 集成运放的主要性能指标

5 、输入失调电 UIO

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。

6 、输入失调电压温漂 dUIO /dT

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。

8 、输入失调电流 IIO ： 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。

7 、输入偏置电流 IIB ： 输入电压为零时，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。

2B1BIB 21 III

2B1BIO III

9 、输入失调电流温漂 dIIO /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。

10 、最大差模输入电压 Uidmax

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。

11 、最大共模输入电压 Vicmax

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。

12 、－ 3dB 带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降 3dB 所定义的带宽 f H 。

13 、转换速率 S R ( 压摆率 ) ： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率 SR 的表达式为

max

oR d

dtu

S

4.4.2 集成运放的低频等效电路

简化的低频等效电路

反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。

反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。

4.5 集成运放的种类及选择

4.5.1 集成运放的发展概况4.5.2 集成运放的种类一、 按工作原理分类1 、 电压放大型实现电压放大，输出回路等效成由输入电压控制的电压源。 (F007 、 F324 、 C14573) Iodo uAu

2 、 电流放大型实现电流放大，输出回路等效成由输入电流控制的电流源。 (LM3900 、 F1900) Iio iAi

3 、 跨导型将输入电压转换成输出电流，输出回路等效成由输入电压控制的电流源。 (LM3080 、 F3080) Iiuo uAi

4 、 互阻型将输入电流转换成输出电压，输出回路等效成由输入电流控制的电压源。 (AD8009 、 AD8011)

Iuio iAu

二、 按可控性分类1 、 可变增益运放

压控增益运放 (VCA610),控制电压从 0V 变为 -2V 时，增益从 -40dB到 +40dB连续可调。

数控增益运放 (AD526), 用数字编码控制增益。

2 、选通控制运放

两通道选通控制运放 OPA676 的原理示意图

VCHA 0

IAoduAu 0

VCHA 7.2

IBoduAu 0

通用型和特殊型通用型和特殊型二、按性能指标分类

1. 高输入阻抗型1. 高输入阻抗型 这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于 109Ω，输入偏置电流通常为 pA数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用超 β管或场效应管构成差动输入级。 其典型产品有 5G28 、 F3140 、 ICH8500A 、 LF356、CA3130 、 AD515 、 LF0052 等。

这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于 109Ω，输入偏置电流通常为 pA数量级。 这种类型的集成运放，输入级经常采用超 β管或场效应管构成差动输入级。 其典型产品有 5G28 、 F3140 、 ICH8500A 、 LF356、CA3130 、 AD515 、 LF0052 等。

2. 高速型2. 高速型

高速运放一般要求转换速率 SR 大于几十伏∕微秒，单位增益带宽 BW >10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速 A∕D和 D∕A 转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏∕微秒。 高速型运放的典型产品有 mA715 、 LH002 、AD845 、 AD9618 、 SL541 等。

高速运放一般要求转换速率 SR 大于几十伏∕微秒，单位增益带宽 BW >10MHZ。 主要应用在高速数据采集系统、高速 A∕D和 D∕A 转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏∕微秒。 高速型运放的典型产品有 mA715 、 LH002 、AD845 、 AD9618 、 SL541 等。

3. 高精度型3. 高精度型 高精度运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点。一般 ΔUIO/ΔT < 2mV∕℃, ΔIIO/ΔT < 200PA∕℃, KCMR≥110dB 。 大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有 LH0044 、 F5037 、 AD707 、 OP-77 、 OPA177 等。 另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有 ICL7650 、 AD508 、 OP-27 等。

高精度运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点。一般 ΔUIO/ΔT < 2mV∕℃, ΔIIO/ΔT < 200PA∕℃, KCMR≥110dB 。 大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有 LH0044 、 F5037 、 AD707 、 OP-77 、 OPA177 等。 另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有 ICL7650 、 AD508 、 OP-27 等。

4. 低功耗型4. 低功耗型 具有静态功耗低，工作电源电压低等特点。其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。 典型产品有 CA3078 、 mPC253 、 ICL7641 等。

具有静态功耗低，工作电源电压低等特点。其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。 典型产品有 CA3078 、 mPC253 、 ICL7641 等。

5. 大功率型5. 大功率型 大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有 LH0021 、 MCEL165 、 HA2645 、 LM143 、ICH8515 等。

大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。 典型产品有 LH0021 、 MCEL165 、 HA2645 、 LM143 、ICH8515 等。

4.5.3 集成运放的选择

一、信号源的性质二、负载的性质三、精度要求四、环境条件

一、信号源的性质二、负载的性质三、精度要求四、环境条件

4.6 集成运算放大器的使用4.6.1 使用时必做的工作 一、正确识别运放的外引线（管脚）

二、参数测量使用前，用简易测试法判断其好坏，用万用表电阻的中间档测试管脚有无短路或断路现象。必要时用专用设备测试主要参数。 三、调零或调整偏置电压由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在零输入时输出为零。

四、消除自激振荡为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上去耦电容。有的运放需外接频率补偿电容 C, 应注意接入合适容量的电容。

一、输入保护

4.6.2 保护措施

防止差模电压过大的保护电路 防止共模电压过大的保护电路

二、输出保护

+

-

-

+

7.0zU )7.0( zU

)7.0( zo Uu zU

三、电源保护

第 4 章 作业

4.1 4.2 4.8 4.10 4.12

4.13 4.14

1．直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。2．电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。3．集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。主要品种有 BJT 集成运放、 FET 集成运放、 BiMOS 集成运放等。本章重点介绍了 BJT 集成运放F007 。应熟悉集成运放的结构特点及主要参数。 4．除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的

特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。

本章小结