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1、第五章第五章集成运算放大电路集成运算放大电路5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点5.2集成运放的集成运放的主要技术指标主要技术指标5.3集成运放的集成运放的基本组成部分基本组成部分5.4集成运放的集成运放的典型电路典型电路5.5各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点5.6集成运放使用中的几个具体问题集成运放使用中的几个具体问题5.1集成放大电路的特点集成放大电路的特点集成电路简称集成电路简称 IC(Integrated Circuit)集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成运算放大器；
2、集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模和模模和模/数转换器等。数转换器等。集成电路的外形集成电路的外形图图 5.1.1集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式双列直插式(b)圆壳式圆壳式(c)扁平式扁平式集成运算放大电路特点：集成运算放大电路特点：1.对称性好，适用于构成差分放大电路。对称性好，适用于构成差分放大电路。2.集集成成电电路路中中电电阻阻，其其阻阻值值范范围围一一般般在在几几十十欧欧到到几几十十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办
3、法。千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。3.在在芯芯片片上上制制作作三三极极管管比比较较方方便便，常常常常用用三三极极管管代代替替电阻电阻(特别是大电阻特别是大电阻)。4.在在芯芯片片上上制制作作比比较较大大的的电电容容和和电电感感非非常常困困难难，电电路通常采用直接耦合电路方式。路通常采用直接耦合电路方式。5.集集成成电电路路中中的的 NPN、PNP管管的的 值值差差别别较较大大，通常通常 PNP 的的 10。5.2集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号+A反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输输 出出 端端一、开环差模电压增益一
4、、开环差模电压增益 Aod一般用对数表示，定义为一般用对数表示，定义为单位：分贝单位：分贝理想情况理想情况 Aod 为无穷大；为无穷大；实际情况实际情况 Aod 为为 100 140 dB。图图 5.2.1运算放大器的符号运算放大器的符号二、输入失调电压二、输入失调电压 UIO三、输入失调电压温漂三、输入失调电压温漂 UIO 定义：定义：为为了了使使输输出出电电压压为为零零，在在输输入入端端所所需需要要加加的的补偿电压。补偿电压。一般运放：一般运放：UIO 为为 1 10 mV；高质量运放：高质量运放：UIO 为为 1 mV 以下。以下。定义：定义：一般运放为一般运放为 每度每度 10 20
5、V；高质量运放低于每度高质量运放低于每度 0.5 V 以下以下；四、输入失调电流四、输入失调电流 IIO五、输入失调电流温漂五、输入失调电流温漂 IIO当当输输出出电电压压等等于于零零时时，两两个个输输入入端端偏偏置置电电流流之差，即之差，即定义：定义：一般运放为一般运放为 几十几十 一百纳安；高质量的低于一百纳安；高质量的低于 1 nA。定义：定义：一般运放为一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流六、输入偏置电流 IIB七、差模输入电阻七、差模输入电阻 rid八、共模抑制比八、共模抑制比 KCMR定义：定义：输输出出电电压压等等于于零
6、零时时，两两个个输输入入端端偏偏置置电电流流的的平均值。平均值。定义：定义：一般集成运放为几兆欧。一般集成运放为几兆欧。定义：定义：多数集成运放在多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达以上，高质量的可达 160 dB。九、最大共模输入电压九、最大共模输入电压 UIcm输入端所能承受的最大共模电压。输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压十、最大差模输入电压 UIdm 反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、十一、-3 dB带宽带宽 fH表表示示 Aod 下下降降 3 dB 时时的的频频率率。一一般般集集成成运运放放 f
7、H 只只有几赫至几千赫。有几赫至几千赫。十二、十二、单位增益带宽单位增益带宽 BWGAod 降降至至 0 dB 时时的的频频率率，此此时时开开环环差差模模电电压压放放大大倍倍数等于数等于 1。十三、十三、转换速率转换速率 SR 额额定定负负载载条条件件下下，输输入入一一个个大大幅幅度度的的阶阶跃跃信信号号时时，输出电压的最大变化率。单位为输出电压的最大变化率。单位为 V/s。在在实实际际工工作作中中，输输入入信信号号的的变变化化率率一一般般不不要要大大于于集集成运放的成运放的 SR 值。值。其其他他技技术术指指标标还还有有：最最大大输输出出电电压压、静静态态功功耗耗及及输输出电阻等。出电阻等。
8、5.3集成运放的基本组成部分集成运放的基本组成部分实实质质上上是是一一个个具具有有高高放放大大倍倍数数的的多多级级直直接接耦耦合合放放大大电路。电路。图图 5.3.1集成运算的基本组成集成运算的基本组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路5.3.1偏置电路偏置电路向向各各放放大大级级提提供供合合适适的的偏偏置置电电路路，确确定定各各级级静静态态工工作点。作点。一、镜像电流源一、镜像电流源(电流镜电流镜 Current Mirror)+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2基准电流基准电流由由于于 UBE1=UBE2，VT1与与 VT2 参数
9、基本相同，则参数基本相同，则IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC所以所以当当满足满足 2 时，则时，则图图 5.3.2+VCCRIREF+VT1VT2IC2IB1IB22IBIC2UBE1UBE2二、比例电流源二、比例电流源R1R2由图可得由图可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于由于 UBE1 UBE2 ，则则忽略基极电流，可得忽略基极电流，可得两两个个三三极极管管的的集集电电极极电电流流之之比比近近似似与与发发射射极极电电阻阻的的阻值成反比，故称为比例电流源。阻值成反比，故称为比例电流源。图图 5.3.3比例电流源比例电流源三、微电流源三、微电流源 在在镜镜像像电电流流源
10、源的的基基础础上上接入电阻接入电阻 Re。+VCCRIREFVT1VT2IC22IBIC1ReRe 引引入入Re使使 UBE2 UBE1，且且 IC2 0，VT1 导通，导通，VT2 截止截止iC1：+VCC VT1 RL 地地uI u-时，时，uO=+UOPP当当 u+u-时时,uO=-UOPP1.uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在在非非线线性性区区内内，(u+-u-)可可能能很很大大，即即 u+u-。“虚虚地地”不存在不存在2.理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零实实际际运运放放 Aod ，当当 u+与与 u-差差值值比比较较小小时时，仍仍有有 Aod(u+-u-)UOP
11、P，运放工作在线性区。运放工作在线性区。例例如如：F007 的的 Uopp=14 V，Aod 2 105，线线性性区区内输入电压范围内输入电压范围uOu+-u-O实际特性实际特性非线性区非线性区非线性区非线性区线性区线性区但但线性区范围很小。线性区范围很小。图图 5.5.2集成运放的传输特性集成运放的传输特性5.6各类集成运放的性能特点各类集成运放的性能特点一、高精度型一、高精度型性能特点：性能特点：漂漂移移和和噪噪声声很很低低，开开环环增增益益和和共共模模抑抑制比很高，误差小。制比很高，误差小。二、低功耗型二、低功耗型性能特点：性能特点：静静态态功功耗耗一一般般比比通通用用型型低低 1 2
12、个个数数量量级级(不不超超过过毫毫瓦瓦级级)，要要求求电电压压很很低低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。有较高的开环差模增益和共模抑制比。三、高阻型三、高阻型性能特点：性能特点：通通常常利利用用场场效效应应管管组组成成差差分分输输入入级级，输输入电阻高达入电阻高达 1012 。高高阻阻型型运运放放可可用用在在测测量量放放大大器器、采采样样-保保持持电电路路、带带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。四、高速型四、高速型大大信信号号工工作作状状态态下下具具有有优优良良的的频频率率特特性性，转转换换速速率率可可达达每每微微秒秒几几
13、十十至至几几百百伏伏，甚甚至至高高达达 1 000 V/s，单单位位增增益益带带宽宽可可达达 10 MHz，甚至几百兆欧。甚至几百兆欧。性能特点：性能特点：常常用用在在A/D 和和 D/A 转转换换器器、有有源源滤滤波波器器、高高速速采样采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。五、高压型五、高压型性能特点：性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。功耗大。六、大功率型六、大功率型性能特点：性能特点：可可提提供供较较高高的的输输出出电电压压较较大大的的输输出出电电流，负载上可得到较大的输出功率。流，负载上可
14、得到较大的输出功率。5.7集成运放使用中的集成运放使用中的几个具体问题几个具体问题5.7.1集成运放参数的测试集成运放参数的测试5.7.2使用中可能出现的异常现象使用中可能出现的异常现象1.不能调零不能调零调零电位器故障；调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；集成运放内部损坏；重重新新接接通通即即可可恢恢复复为为输输入入信信号号过过大大而而造成造成“堵塞堵塞”现象现象原因原因2.漂移现象严重漂移现象严重存在虚焊点存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元
15、件集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格集成运放本身损坏或质量不合格原因原因3.产生自激振荡产生自激振荡消振消振措施措施按规定部位和参数接入校正网络按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错防止反馈极性接错避免负反馈过强避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大合理安排接线，防止杂散电容过大5.7.3集成运放的保护集成运放的保护1.输入保护输入保护(a)反相输入保护反相输入保护(b)同相输入保护同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR-VuOuI保护元件保护元件保护元件保护元件uO+AR
16、1RFVD1VD2uI保护元件保护元件图图 5.7.1输入保护输入保护2.电源极性错接保护电源极性错接保护保护元件：保护元件：VD1、VD23.输出端错接保护输出端错接保护保护元件：稳压管保护元件：稳压管 VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuI图图 5.7.3利用稳压管保护运放利用稳压管保护运放图图 5.7.2电源接错保护电源接错保护4.输出限流保护输出限流保护+AVT1VT2VEER2R3R4R1VT4R5VT3+VCCC1C1C2保护元件：保护元件：VT1、VT2(b)保护管工作特性保护管工作特性正常工作时工作点在正常工作时工作点在 A；工作电流过大，工作点经工作电流过大，工作点经B 移到移到 C 或或 D 点。点。(a)电电 路路 图图BCDAICUCEO图图 5.7.4输出限流保护输出限流保护作业5-15-4