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1、第04章集成运算放大电路1本讲稿第一页，共三十一页集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级高增益的直接耦合的集成的多级运算放大器。运算放大器。集成电路的工艺特点：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。）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）为克服温度漂移，输入级采用差动电路。）为克服温度漂移，输入级采用差动电路。（3）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（4）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需
2、要大电阻时，往往使用有源负载。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。什么是集成运算放大器？什么是集成运算放大器？4.1.1 集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点本讲稿第二页，共三十一页4.1.2 集成运放电路的组成及各部分的作用集成运放电路的组成及各部分的作用 一一.集成运放的总体结构集成运放的总体结构本讲稿第三页，共三十一页对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高 KCMRR ,输入阻抗输入阻抗 ri 尽可能大。尽可能大。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输
3、出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输主要提高带负载能力，给出足够的输出电流出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。放大，提高带负载的能力。本讲稿第四页，共三十
4、一页u-u+uo4.1.3集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端本讲稿第五页，共三十一页集成运放的两种工作状态集成运放的两种工作状态1.运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区00uoui+10V-10V+Uom-Uom
5、-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui本讲稿第六页，共三十一页2.理想运算放大器：理想运算放大器：开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Aod=差模输入电阻差模输入电阻 Rid=输出电阻输出电阻 Ro=0为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：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：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0）3.线性区线性区本讲稿第七页，共三十一页4.非线
6、性区（正、负饱和状态）非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论+10V-10V+Uom-Uom0uoui本讲稿第八页，共三十一页uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之间输出与输入之间加加负反馈负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Ao例：若例：若UOM=12V，Ao=106，则则|ui|1M1M,有的可达有的可达100
7、100M M 以上。以上。4 4、输出电阻、输出电阻r ro or ro o =几几-几十几十。4.4.1 4.4.1 集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标本讲稿第十六页，共三十一页 5、输入失调电输入失调电UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，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。电路对称性的指标。6、输入失调电压温漂输入失调电压温漂 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。量与温度
8、变化量之比值。本讲稿第十七页，共三十一页8、输入失调电流输入失调电流 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。表征差分级输入电流不对称的程度。7、输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用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。于衡量差分放大对管输入电流的大小。9、输入失调电流温漂输入失调电流温漂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在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量
9、与温度变化量之比值。变化量之比值。本讲稿第十八页，共三十一页 10、最大差模输入电压最大差模输入电压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,差分管差分管将出现反向击穿现象。将出现反向击穿现象。11、最大共模输入电压最大共模输入电压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。模抑制能力。本讲稿第十九页，共三十一页 12、3dB带宽带宽
10、 f H：运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB3dB所定义的带宽所定义的带宽 f f H H 。13、转换速率转换速率S R(压摆率压摆率)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率率S SR R的表达式为的表达式为 本讲稿第二十页，共三十一页4.4.24.4.2 集成运放的低频等效电路集成运放的低频等效电路简化的低频等效电路简化的低频等效电路本讲稿第二十一页，共三十一页 反反映映集集成成运运放放性性能能的的好好坏坏有有几几十十个个参参数数，一一种种运运放放要要想想在在各各种种指指标标上上都都达达到
11、到很很高高的的性性能能是是不不容容易易的的，也也是是不不必必要要的的。通通用用型型运运放放，各各种种参参数数指指标标都都不不算算太太高高，但但比比较较均均衡衡，适适用用于于量量大大面面广广，没没有有特特殊殊要要求求的的场场合合。特特殊殊类类型型的的集集成成运运放放，在在某某一一个个或或几几个个参参数数上上有有很很高高的的性性能能，而而其其他他参参数数一一般般。用用户户可可以以从从特特殊殊类类型型集集成成运运放放的的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。4.5 4.5 集成运算放大器的种类集成运算放大器的种类本讲稿第二十二页，共三十一页 1.高输入阻
12、抗型 这这种种类类型型的的集集成成运运放放差差模模输输入入电电阻阻往往往往大大于于10109 9W W，输输入入偏置电流通常为偏置电流通常为pApA数量级。数量级。这这种种类类型型的的集集成成运运放放，输输入入级级经经常常采采用用结结型型场场效效应应管管JFETJFET与与BJTBJT相相结结合合构构成成差差动动输输入入级级，称称为为BiFETBiFET，或或采采用用超管与超管与BJTBJT结合的电路，构成差动输入级。结合的电路，构成差动输入级。其典型产品有其典型产品有5G285G28、F3140F3140、ICH8500AICH8500A、LF356LF356、CA3130CA3130、AD
13、515AD515、LF0052LF0052等。等。本讲稿第二十三页，共三十一页2.高精度、低漂移型要要求求集集成成运运放放具具有有很很低低的的漂漂移移量量和和很很高高的的精精度度。一一般般UUIOIO/TT 2mV,2mV,IIIOIO/T 200PA,T 10MHZBW 10MHZ。主主要要应应用用在在高高速速数数据据采采集集系系统统、高高速速ADAD和和DADA转转换换器器，高高速速锁锁相相环环及及视视频频放放大大系系统统中中，性性能能优优良良的的高高速速运运放转换速率已可达到几千伏放转换速率已可达到几千伏微秒。微秒。高高速速型型运运放放的的典典型型产产品品有有mA715mA715、LH0
14、02LH002、AD845AD845、AD9618AD9618、SL541SL541等。等。本讲稿第二十五页，共三十一页4.4.低功耗型低功耗型要要求求其其功功耗耗为为微微瓦瓦数数量量级级。电电流流几几十十微微安安，电电源源电电压压在在几几伏以下。伏以下。典型产品有典型产品有CA3078CA3078、mPC253mPC253、ICL7641ICL7641等。等。5.5.大功率型大功率型 大大功功率率型型集集成成运运放放的的电电源源电电压压为为正正负负几几十十伏伏，输输出出电电流流几几十十安安培培，输出功率为几十瓦左右。输出功率为几十瓦左右。典型产品有典型产品有LH0021LH0021、MCEL
15、165MCEL165、HA2645HA2645、LM143LM143、ICH8515ICH8515等。等。本讲稿第二十六页，共三十一页4.6 4.6 集成运算放大器的使用集成运算放大器的使用本讲稿第二十七页，共三十一页保护措施保护措施一、输入保护一、输入保护本讲稿第二十八页，共三十一页二、输出保护二、输出保护+-+三、电源保护三、电源保护本讲稿第二十九页，共三十一页第4章 作业4.1 4.2 4.4 4.11本讲稿第三十页，共三十一页1直直耦耦放放大大器器的的一一个个严严重重的的问问题题是是零零点点漂漂移移。差差动动放放大大器器是是解解决决零零点点漂漂移移问问题题的的有有效效方方法法。差差动动
16、放放大大器器既既能能放放大大直直流流信信号号，又又能能放放大大交交流流信信号号。它它对对差差模模信信号号有有很很强强的的放放大大能能力力，对对共共模模信信号号有有很很强强的的抑抑制制能能力力。因因此此，运运算算放放大大器器都都使使用用差差动动放放大大器作为输入级。器作为输入级。2电电流流源源电电路路是是构构成成运运放放的的基基本本单单元元电电路路，其其特特点点是是直直流流电电阻阻小小，而而交交流流电电阻阻很很大大。电电流流源源电电路路既既可可以以为为电电路路提提供供偏偏置置电电流流，又又可可以以作作为为放放大大器器的的有有源源负负载使用。载使用。3集集成成运运放放是是一一个个高高增增益益、直直耦耦的的多多级级放放大大器器。主主要要品品种种有有BJT集集成成运运放放、FET集集成成运运放放、BiMOS集集成成运运放放等等。本本章章重重点点介介绍绍了了BJT集集成成运运放放F007。应应熟熟悉悉集集成成运运放放的的结结构特点及主要参数。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，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。对于正确选择和使用运放有很大帮助。本章小结本章小结本讲稿第三十一页，共三十一页