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1、第一节 集成放大电路的特点,集成电路的发展,集成电路的分类,集成放大电路的主要特点,下页,总目录,一、集成电路的发展,下页,集成电路简称IC(integrated circuit)，是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的，因此密度高、引线短、外部接线大为减少，提高了电子设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。,上页,首页,人们经常以电子器件每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。将1904年出现的电真空器件称为第一代，1948年出现的半导体器件称为第二代，1959年出现的集成电
2、路称为第三代，1974年出现的大规模集成电路称为第四代。随着集成工艺的发展，电子技术已经日益广泛地应用于人类社会的各个方面。,下页,上页,首页,二、集成电路的分类,下页,上页,1.按功能的不同可分为,数字集成电路（输入量和输出量为高、低两种电平且具有一定逻辑关系的电路），模拟集成电路（数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路）。,2.按模拟集成电路的类型可分为,集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数模和模数转换器以及锁相环等。,3.按构成有源器件的类型可分为,双极型和单极型。,首页,三、集成电路的特点,参数精度不高，受温度
3、影响较大，但对称性好。电阻值范围有一定局限性，一般在几十欧到几十千欧之间。常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，放大级之间通常采用直接耦合方式。一般情况下，PNP管只能做成横向的，值较小（10）。,上页,首页,第二节 集成运放的主要技术指标,集成运放的符号,集成运放的主要技术指标,下页,总目录,一、集成运放的符号,下页,下页,由于集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端和一个输出端。,反相输入端输入信号与输出信号的相位相反,同相输入端输入信号与输出信号的相位相同,输出端,上页,首页,二、集成运放的主要技术指标,1.开环差模电压增益
4、Aod,下页,下页,Aod是指运放在无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为dB(分贝)。,Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100 dB左右，高质量的集成运放Aod可达140 dB以上。,上页,首页,2.输入失调电压 UIO,下页,下页,UIO的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE失配的程度，在一定程度上也反映温漂的大小。一般运放UIO的值为110 mV，高质量的在1 mV以下。,表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放温漂的重要指标。,上页,首页,3.输入失调电压
5、温漂,它的定义是,4.输入失调电流 IIO,下页,上页,IIO的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，,用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。,代表输入失调电流的温度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。,首页,5.输入失调电流温漂,即,的定义是,6.输入偏置电流 IIB,IIB=,下页,上页,IIB 是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其失调电流愈大。,IIB的定义是当输入电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值，,首页,
6、即,7.差模输入电阻 rid,8.共模抑制比KCMR,9.最大共模输入电压 UIcm,集成运放输入端所能承受的最大共模电压。,下页,上页,用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。,用以衡量集成运放抑制温漂的能力。,首页,10.最大差模输入电压 UIdm,11.-3dB带宽 fH,12.单位增益带宽 BWG,13.转换速率 SR,集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。,Aod下降 3dB 时的频率。,上页,Aod降至 0dB 时的频率。,在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率，单位为V/s。,首页,第三节 集成运放的基本组成部分,偏置电路,差分放大输入
7、级,中间级,输出级,下页,总目录,向各放大级提供合适的偏置电流,克服零点漂移,提供负载所需功率及效率,提供电压放大倍数,集成运放的基本组成部分,下页,上页,首页,一、偏置电路镜像电流源是最简单、最基本的电流源，而比例电流源和微电流源都是在镜像电流源的基础上，稍加变化、发展而得到的。,1.镜像电流源,IC2 IREF,IREF-2IB,当 2 时,下页,上页,首页,UBE1 UBE2,2.比例电流源,UBE1+IE1R1,=UBE2+IE2R2,IE1R1 IE2R2,下页,上页,首页,3.微电流源,UBE1 UBE2=IE2Re,IC2Re,UBE1 UBE2,IC2 Re,下页,上页,首页,
8、例5.3.1 图示为集成运放LM741偏置电路的一部分，假设VCC=VEE=15V，所有三极管的UBE=0.7V，其中NPN三极管的2，横向PNP三极管的=2，电阻R5=39k。,下页,上页,估算基准电流IREF；分析电路中各三极管组成何种电流源；估算VT13的集电极电流IC13；若要求IC10=28A，试估算电阻R4的阻值。,首页,下页,上页,+VCC,解：,由图可得,VT12与VT13组成镜像电流源，VT10、VT11与R4组成微电流源。,首页,下页,上页,不能简单认为Ic13 IREF。,可认为 IC11 IREF。,首页,二、差分放大输入级,1.基本形式差分放大电路,电路结构对称，在理
9、想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。,两个输入、两个输出,两管静态工作点相同,（1）电路组成,下页,上页,首页,温度变化时，uC1 和uC2 变化一致，uO 保持不变。,uO=uC1 uC2=0,uo=(uC1+uC1)(uC2+uC2)=0,静态时，ui1=ui2=0,当温度升高时ICVC（两管变化量相等）,对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,下页,上页,首页,（2）差模输入电压和共模输入电压,差模输入电压 uId 两个输入电压大小相等、极性相反。,下页,上页,差模输入电压,首页,下页,上页,共模输入电压 uIc 两个输入电压大小相等、极性也相同。,共模输入
10、电压,首页,下页,上页,实际上，在差分放大电路的两个输入端加上任意大小、任意极性的输入电压uI1和uI2，都可以将它们认为是某个差模输入电压和某个共模输入电压的组合。,其中差模输入电压uId和共模输入电压uIc的值分别为:,例5.3.2 uI1=5 mV,uI2=1 mV,则:uId=4 mV uIc=3 mV,首页,差模电压放大倍数 Ad,uO=uC1 uC2,=2,Au1uId,牺牲一个放大管的放大倍数换取对零点漂移的抑制，但不理想，因电路不可能完全对称，单端输出时失去对零点漂移的抑制能力。,下页,上页,（3）差模电压放大倍数、共模电压放大倍数和共模抑制比,首页,共模放大倍数,共模抑制比,
11、下页,上页,差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明差分电路分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。,共模抑制比,首页,2.长尾式差分放大电路,引入共模负反馈降低单管零点漂移提高了共模抑制比,补偿Re 上的直流压降，提供静态基极电流,下页,上页,(1)电路组成,首页,(2)静态分析,IBQR+UBEQ+2 IEQRe=VEE,VCC-ICQ Rc,IBQ,-IBQ R,UC,UC,UB,下页,上页,首页,仿真,（3）动态分析,=Au1,Ro=2 Rc,uc2,uc1,下页,上页,uo=2uc1,ui=uI1-uI2=2uI1,首页,例5.3.3在长尾式差分放大电路中常接入调零电
12、阻Rw确保静态时输出为零，如右图所示。,静态分析：,IBQ=,VEE-UBEQ,R+(1+)（2Re+0.5 Rw),UCQ=VCC-ICQ Rc,ICQ IBQ,UBQ=-IBQ R,IBQR+UBEQ+IEQ（2 Re+0.5 Rw)=VEE,下页,上页,首页,动态分析：,Ad=,uo,uI,=Au1,Ad=-,R+rbe+,Ro=2 Rc,uI1=,（R+rbe）,ib+0.5Rw ie,uc1=,（1+）,下页,上页,首页,3.恒流源式差分放大电路用恒流三极管代替阻值很大的长尾电阻Re，既可有效抑制零漂，又便于集成。,（1）电路组成,下页,上页,首页,(2)静态分析通常可从确定恒流三极
13、管的电流开始。,UBQ1=UBQ2,=-IBQ1 R,UCQ1=UCQ2,=VCC-ICQ1Rc,下页,上页,首页,仿真,UB1=-IB1R,UC1,UC2,解：静态工作点,下页,上页,UC1=VCC-ICQRC,首页,仿真,解：差模电压放大倍数,下页,上页,恒流源式差放的交流通路与长尾式电路的交流通路相同二者的差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻均相同,首页,4.差分放大电路的输入、输出接法,（1）双端输入、双端输出,下页,上页,首页,（2）双端输入、单端输出,将双端信号转化为单端信号。,下页,上页,首页,（3）单端输入、双端输出,将单端信号转化为双端输出。,下页,上页,首页,（4）单端
14、输入、单端输出,抑制零漂能力较强,可使输入、输出电压反相或同相。,下页,上页,首页,仿真,结论：1.双端输出时,Ad Au1,Ro=2 Rc,理想情况下KCMR=,2.单端输出时,Ro=Rc,KCMR不如双端输出时高，可选择从不同的三极管输出，使uI与uO反相或同相。,单端输入时两个三极管仍基本工作在差分状态。,下页,上页,首页,三、中间级,1.有源负载,要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现双端与单端信号间的转换。,放大管,用三极管代替负载电阻Rc，组成有源负载，获得较高的电压放大倍数,下页,上页,首页,2.复合管,集成运放的中间级采用复合管时，不仅可以得到很高的电
15、流放大系数，以便提高本级的电压放大倍数，而且能够大大提高本级的输入电阻，以免对前级放大倍数产生不良影响。,根据基准电流IREF，即可确定放大管的工作电流。,下页,上页,首页,下页,上页,iC2-iC4,iC3iC4,iC1iC3,iC1=-iC2,iO=iC4-iC2=2iC4,放大管 足够大,电路虽然采用单端输出接法，却可以得到相当于双端输出时的输出电流变化量。,有源负载,有源负载差分放大电路,首页,四、输出级,集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻，以增强带负载能力。有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。一般不要求输出级提供很高的电
16、压放大倍数。应设法尽可能减小输出波形的失真。应有过载保护，以防止在输出端意外短路或负载电流过大时烧毁功率三极管。,下页,上页,首页,1.互补对称电路,下页,上页,集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称电路。为了避免产生交越失真，实际上通常采用甲乙类的OCL或OTL互补对称电路。当集成运放的输出功率比较大时，常常采用由两个或两个以上三极管组成的复合管所构成的互补对称电路或准互补对称电路，以免要求前级放大级提供的推动电流太大。,首页,2.过载保护电路,VD3、VD4 和 Re1、Re2组成过载保护电路。工作电流正常时，VD3、VD4 截止。若VT1正向电流增大，VD3导通，将VT1的基流分
17、流，若VT2 反向电流增大，VD4导通，将VT2的基流分流。,下页,上页,首页,VT3、VT4 和 Re1、Re2组成过载保护电路。其工作原理与二极管过载保护电路类似。,下页,上页,首页,第四节 集成运放的典型电路,双极型集成运放LM741,CMOS集成四运放C14573,下页,总目录,一、双极型集成运放LM741,LM741是美国国家半导体公司的集成运放产品，是一类应用比较广泛的通用型集成运放。,下页,上页,首页,1.偏置电路,由VT8 VT13以及电阻R4、R5等元件组成，,流过R5的基准电流,下页,上页,首页,VT11、VT10和R4 组成微电流源，由IC10提供VT9的集电极电流IC9
18、和VT3、VT4的基流I3,4。,1.偏置电路,下页,上页,首页,横向VT8、VT9 组成镜像电流源产生I8，决定输入级VT1、VT2的集电极电流。所以输入级工作在弱电流状态，而且电流比较稳定。,横向VT12、VT13 组成另一组镜像电流源，产生IC13，提供中间级放大管VT16、VT17的静态电流。,2.输入级,下页,上页,由VT1、VT2、VT3 和 VT4组成共集-共基差分放大电路，VT5 和 VT6构成有源负载，代替电阻Rc。差分输入信号由VT1、VT2的基极送入，从VT4的集电极送出单端输出信号至中间级。,首页,VT1,VT2,VT3,VT4,Rc,Rc,+VCC,-VEE,uI1,
19、uI2,uO,I8,I3,4,下页,上页,3.中间级,中间级电路的输入信号来自输入级VT4和 VT6的集电极，输出端接到输出级两个互补对称放大管的输入端。中间级由 VT16、VT17组成的复合管充当放大管，组成单管共射放大电路，VT13作为其有源负载。所以中间级不仅能够提供很高的电压放大倍数，而且具有很高的输入电阻，避免降低前级的电压放大倍数。为了防止产生自激振荡，在中间级放大管的基极和集电极之间接入一个30F的校正电容。,首页,下页,上页,4.输出级,输出级由NPN三极管VT14 和PNP三极管 VT20 组成互补对称电路。VT19 的作用是实现过载保护。三极管 VT15和电阻R7、R8的作
20、用是为功率管提供静态基极电流，使电路工作在甲乙类状态，以减小交越失真。在实际的互补对称功率输出级电路中，两个功率管基极之间的电压差常常需要根据静态工作点的要求进行调节。LM741原理电路中，两个功率管基极之间的电压即是 UCE15。如果忽略 VT15的基流，,这种电路称为UBE扩大电路,首页,下页,上页,5.引脚和连接方法,首页,第五节 各类集成运放的性能特点,通用型集成运放的特点,专用型集成运放的特点,下页,总目录,一、通用型集成运放的特点,通用型集成运放已经经历了四代的更替，各项技术指标不断得到改进。,第一代集成运放以A709（我国的FC3）为代表，基本上沿袭了数字集成电路的制造工艺，但也
21、开始少量采用例如横向PNP管等特殊元件，采用了微电流的恒流源、共模负反馈等电路，它们大致能够达到中等精度的要求。,下页,上页,首页,下页,上页,第二代以A741（我国的F007或5G24）为代表，它的特点是普遍采用了有源负载，因而在不增加放大级的情况下可获得很高的开环增益。由于放大级由三级减为两级，使防止自激的校正措施比较简单。电路中还有短路保护措施，防止过流造成损坏。,首页,下页,上页,第三代以AD508（我国的4E325）为代表，它的特点是输入级采用了超管，使IIB、IIO和IIO等项参数值大大下降。在版图设计方面，输入级采用热对称设计，使超管产生的温漂得以抵消，因此在失调电压、失调电流、
22、开环增益、共模抑制比和温漂等方面的指标都得到改善。,第四代以HA2900为代表，它的特点是制造工艺达到大规模集成电路的水平。输入级采用MOS场效应管，输入电阻高达100 M以上，采取调制和解调措施，称为自稳零运算放大器，输入电压和温漂进一步降低，一般无需调零即可使用。,首页,1.高精度型,下页,上页,二、专用型集成运放的特点,主要特点是温漂和噪声很低，而开环增益和抑制比很高，从而大大减小集成运放的误差，达到很高的精度。,2.低功耗型,低功耗型集成运放的静态功耗比通用型低12个数量级（不超过毫瓦级），要求的电源电压很低，可用电池供电，也可在标准电压范围内工作。当在低电源电压下工作时，不仅静态功耗
23、低，而且能保持良好的技术性能。,首页,3.高阻型,高阻型集成运放通常利用场效应管组成差分输入级，有的集成运放则全部用MOS工艺制成。高阻型集成运放的输入电阻高达1012。,4.高速型,高速型集成运放的主要特点是在大信号工作状态下具有优良的频率特性。它们的转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000 V/s。单位增益带宽可达10 MHz，甚至几百兆赫。,下页,上页,首页,上页,5.高压型,某些应用场合需要集成运放能输出更高的电压，此时应选用高压型集成运放。这种集成运放的特点是输出电压动态范围大，电源电压高，因而集成运放的功耗也高。,6.大功率型,大功率型集成运放在提供较高的输出电压的同时，还
24、能给出较大的输出电流，最后在负载上可以得到较大的输出功率。,首页,第六节 集成运放使用中的几个具体问题,集成运放参数的测试,使用中可能出现的异常现象,集成运放的保护,下页,总目录,一、集成运放参数的测试,当选定集成运放的产品型号后，通常只要查阅有关器件手册即可得到各项参数值，而不必逐个测试。但手册中给出的往往只是典型值，由于材料和制造工艺的分散性，每个运放的实际参数与手册上给定的典型值之间可能存在差异，因此有时仍需对参数进行测试。参数的测试可以采用一些简易的电路和方法手工进行。在成批生产或其他需要大量使用集成运放的场合，也可以考虑利用专门的参数测试仪器进行自动测试。,下页,上页,首页,二、使用
25、中可能出现的异常现象,下页,上页,1.不能调零,出现这种异常现象的原因可能是：调零电位器不起作用；应用电路接线有误或有虚焊点；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部已损坏等。如果关断电源后重新接通即可调零，则可能是由于运放输入端信号幅度过大而造成的“堵塞”现象。为了预防“堵塞”，可在运放输入端加上保护措施。,首页,下页,上页,2.漂移现象严重,造成漂移过于严重的原因可能是：存在虚焊点；运放产生自激振荡或受到强电磁场的干扰；集成运放靠近发热元件；输入回路的保护二极管受到光的照射；调零电位器滑动端接触不良；集成运放本身已损坏或质量不合格等。,3.产生自激振荡,常用的消除自激振荡的措施主要有：按规定
26、部位和参数接入校正网络；防止反馈极性接错，避免反馈过强；合理安排接线，防止杂散电容过大等。,首页,三、集成运放的保护,1.输入保护,下页,上页,限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过VD1、VD2的正向导通电压。,限制集成运放的共模输入电压不超过+V至-V的范围。,首页,2.电源极性错接保护,下页,上页,若电源极性错接，则二极管VD1、VD2不能导通，使电源被断开。,首页,上页,3.输出端错接保护,若将集成运放的输出端错接到外部电压，可能引起过流或造成损坏。,若放大电路输出端的电压过高时，稳压管VDZ1、VDZ2将被反向击穿，使集成运放的输出电压被限制在VDZ1 或VDZ2的稳压值，从而避免了损坏。,首页,
