简单的集成电路运算放大器

第21讲

6.3 简单的集成电路运算放大器

主要内容:

本节主要介绍了集成电路运算放大器。

基本要求：

了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。

教学要点：

1．集成电路运算放大器的组成

集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。

（1）输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

（2）.电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成（3）.输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。

此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等

2．简单的运算放大器

简单运算放大器的原理电路如图所示。

（1）T1,T2对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。

（2）复合管T3,T4组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。

（3）T5,T6组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压vid=vi1-vi2为零时，输出电压vO=0的目的。

（4）R7和D组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与T9一起构成电流源电路以提高T5的电压跟随能力。

（5）电路符号：由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2）,与一个输出端3。在运算放大器的代表符号中，反相输入端用\"-\"号表示，同相输入端用\"+\"表示。器件外端输入、输出相应地用N,P和O表示。

（6）输入和输出的相位：利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压vi1从反相输入端输入时（vi2=0），如vi1的瞬时变化极性为(+)时，各级输出端的瞬时电位极性为：vC2（+）→vO2（–）→vB6（–）→vO（–）则输出信号电压vo与vi1反相；同时，当输入信号电压从同相端输入vi2(vi1=0)时，可以检验，输出电压vo与vi2同相。

6.4 集成电路运算放大器的主要参数（选讲内容）

教学要点:

1．输入失调电压VIO

一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。实际上指输入电压VI=0时，输出电压VO折合到输入端的电压的负值，即

VIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。VIO值愈大，说明电路

的对称程度愈差，一般约为（1~10）mV。

2．输入偏置电流IIB

BJT的集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，如图XX_01所示。当

时，偏置电流为

输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT的

性能，当它的值太小时，将引起偏置电流增加。从使用角度来看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。一般为10nA~1A。

3．输入失调电流IIO

在BJT集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即

由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1 nA~0.1 A.

4．温度漂移

放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：

（1）输入失调电压温漂VIO/T

这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。VIO/T不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低漂移的器件来组成，一般约为（10~20）V/℃。

（2）输入失调电流温漂IIO/T

这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。同样不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。

5．最大差模输入电压Vidmax

所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。利用平面工艺制成的NPN管约为5V左右，而横向BJT可达30V以上。

6．最大共模输入电压Vicmax

这是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达13V。

7。最大输出电流Iomax

是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给出输出端短路的电流。

8．开环差模电压增益AVO

是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。

AVO与输出电压VO的大小有关。通常是在规定的输出电压幅度（如VO=10V）测得的值。AVO又是频率的函数，频率高于某一数值后，AVO的数值开始下降。图XX_02表示741型

运放AVO的频率响应。

9．开环带宽BW（fH）

开环带宽BW又称为–3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH。741型集成运放的频率响应AVO（f）如图XX_02所示。由于电路中补偿电容C的作用，它的fH约为7Hz。

10．单位增益带宽BWG（fT）

对应于开环电压增益AVO频率响应曲线上其增益下降到AVO=1时的频率，即AVO为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的AVO=2105时，它的

。

6.5 专用型集成电路运算放大器简介

教学要点:

目前，实用的集成电路运算放大器除了通用型外，还有性能更优良和具有特殊功能的集成运放，它们可分为高输入阻抗、低漂移、高精度、高速、宽带、低功耗、高压、大功率和程控型等专用型集成运放，现简要介绍如下：

1．高输入阻抗型

该类型集成运放的差模输入电阻rid>(1091012)W，输入偏置电流IIB为几皮安几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。

实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。

2．高精度、低漂移型

这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。

3．高速型

对这种类型的运放，要求转换速率SR>30V/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽BWG>10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。实现高速的主要措施是，在信号通道中尽量采用NPN型管，以提高转换速率；同时加大工作电流，以使电路中各种电容的电压变化加快；或在 电路结构上采用FET和BJT相兼容的BiFET，或用全MOSFET结构，使电路的输入动态范围加大，因而电路转换速率也增加。目前产品有mA715、LH0032和AD9618等，其中mA715的SR<100 V/ms，BWG=65MHz，而AD9618的SR高达1800V/ms，BWG=8 GHz。

4．低功耗型

对于这种类型的运放，要求在电源电压±15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压（如1.5~4V）时，具有低的静态功耗和保持良好的电气性能（如

AVO=80~100dB）。为此，在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻

值的电阻，以保证降低静态偏置电流和总功耗，使电路处于最佳工作状态，以获得良好的电气性能。目前产品有mPC253、ICL71及CA3078等，其中mPC253的PC<0.6mW，

VCC=（±3~±18）V，AVO=110dB。目前产品功耗已达微瓦级，如ICL7600的VCC（VEE）

为1.5V，PC=10mW。

低功耗型运放一般用于对能源有严格遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中。

5．高压型

为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决BJT的耐压、动态工作范围等问题。为此在电路结构上利用BJT的cb结和横向BJT（PNP型）的耐高压性能，或用单管的串接方式来提高耐压，或用FET作为输入级，耐压指标可提高到300V左右。此外，为使运放工作在高电压和大电流（或大功率）的情况下，电路中加入一些特殊保护电路。

除了以上几种专用型集成运放外，还有互导型LM308，程控型LM4250、mA776，电流型LM1900及仪用放大器LH0036、AD522等。表00001 XX_01列举了典型集成运放的主要参数。

本 章 小 结

 集成电路运算放大器是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级放大电路。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差分式放大电路作输入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电路常用作输出级；电流源电路构成偏置电路。

 电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。它常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级Q点的偏置电路。

 差分式放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能力。由于电路输入、输出方式的不同组合，共有四种典型电路。分析这些电路时，要着重分析两边电路输入信号分量的不同，至于具体指标的计算与共射(或共源)的单级电路基本一致。

集成运放是模拟集成电路的典型组件。对于它内部电路的分析和工作原理只要求作定性的了解，目的在于掌握它的主要技术指标，作到根据电路系统的要求，正确地选择元器件。