关于集成运放的调查研究报告

关于集成运放的调查研究报告
一、集成运放的发展历史及现状
集成电路简称IC（Integrated Circuits），是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等原件及他们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。

集成电路是60年代初期发展起来的，1959年世界上出现第一块集成电路。

在模拟集成电路中，运算放大器（早期用于模拟计算机的数学运算）发展最早，应用最广泛。

随着集成技术与集成工艺的迅速发展，其他类型的模拟集成电路也取得了非常大的进展，如混频器、调制器、宽带放大器、高频放大器、功率放大器、电压比较器、A/D或D/A转换器、稳压电源等。

至今，经过五十年时间的发展，它已深入到一切产业的每种产品中。

在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱等家用电器中都采用了集成电路。

现今的集成运算放大电路有如下特点：
⑴由于集成工艺不能制作大容量的电容，所以电路结构均采用直接耦合方式。

⑵为了提高集成度和集成电路的性能，一般集成电路的功耗要小，这样集成运放各级的偏置电流通常较小。

⑶集成运放中的电阻元件是利用硅半导体材料的体电阻制成的，所以集成电路中的电阻阻值范围有一定的限制，一般是几十欧姆到几万欧姆，电阻阻值太大或太小都不易制造。

⑷在集成电路中，制造有源器件(晶体三极管、场效应管)比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不麻烦，因此在集成电路中大量使用有源器件来组成有源负载，从而获得大电阻。

提高放大电路的放大倍数；还可以将有源器件组成恒流源，以获得稳定的偏置电流。

二极管常用三极管代替。

⑸集成电路中各元件的绝对精度差，但相对精度高，故对称性好，特别适宜制作对称性要求高的电路。

⑹集成电路中，采用复合管的接法，以改变单管的性能。

二、集成运放的分类
1.按其特点可分为：运算放大电路、集成稳压电路、集成功率放大电路以及其它种类的集成电路。

也可将几个集成电路和一些元件组合成具有一定功能的模块电路。

2．按使用用途分类
1)通用型集成运算放大器：它的参数指标比较均衡全面，适用于一般的工程设计。

一般认为在没有特殊参数要求情况下工作的集成运算放大器可列为通用型。

由于通用型应用范围宽、产量大，因而价格便宜。

若作为一般应用首先考虑选用通用型集成运算放大器。

以F007(5G24、F741)为例来说明集成运放的内部电路组成。

F007是国内型号，对应国外同类产品的型号为μA741。

这是一种应用十分广泛的通用型集成运放。

2)专用型集成运算放大器：它是为满足某些特定要求而设计的，其参数中往往有一项或几项非常突出，因而它又可以分为：低功耗或微功耗集成运算放大器、高速集成运算放大器、宽带集成运算放大器、高精度集成运算放大器、高电压集成运算放大器、功率型集成运算放大器、高输入阻抗集成运算放大器、电流型集成运算放大器、跨导型集成运算放大器、程控型集成运算放大器、低噪声集成运算放大器、集成电压跟随器。

3．按其供电电源分类
1)双电源集成运算放大器
绝大部分集成运算放大器在设计中都是正、负对称的双电源供电，以保证运放的优良性能。

2)单电源集成运算放大器
这类集成运算放大器采用特殊设计,在电源下能实现零输入、零输出。

交流放大时，失真较小。

4．按其制作工艺分类
1)双极型集成运算放大器
2)单极型集成运算放大器
3)双极-单极兼容型集成运算放大器
5．按运放级数分类:
按单片封装中的运放级数分类
1)单运放
2)双运放
3)三运放
4)四运放[/color]
6．按功能分：数字和模拟集成电路。

模拟集成电路又分为：集成运算放大器，集成功率放大器，集成比较器，集成乘法器，集成稳压器。

7．按性能指标分类
通用型：通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。

通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。

以典型的通用型运放CF741 (μA741)为例，输入失调电压1～2 mV、输入失调电流20 nA、差模输入电阻2 MΩ，开环增益100 dB、共模抑制比90 dB、输出电阻75 Ω、共模输入电压范围±13 V、转换速率0.5 V/μs。

高速型和宽带型：用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。

这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重f H或f c，用于高速大信号放大时，同时还应注重S R。

高精度(低漂移型）：用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。

高输入阻抗型：用于测量设备及采样保持电路中。

低功耗型：用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。

功率型：这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。

三．集成运放的结构
由于制造工艺方面的原因，模拟集成电路具有下面一些结构特点特点：
• 1 采用直接耦合方式。

• 2 采用差动放大电路。

• 3 用恒流源代替大阻值的电阻。

• 4 采用复合管的接法以改进单管的性能。

• 5 集成电路中的元件性能一致，特别适宜于制作对称结构的电路。

集成运放有四个基本组成环节：
输入级、中间级、输出级和各级偏置电路。

集成运放内部电路方框图
对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路。

例如温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过热保护电路、限流电路、稳压电路等。

1．输入级
•为了提高集成运放的输入电阻、减小失调电压和偏置电流、提高差模和共模输入电压范围等性能，集成运放的输入级的差动输入放大电路，常采用超 管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。

•为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。

•输入级的保护电路也是不可缺少的。

2．中间级
•中间级常采用电平位移电路，将电平移动到地电平，电路多采用恒流源、横向PNP 管、稳压管、正向二极管链、电阻降压电路等。

•从双端变单端的变换，常采用并联电阻负反馈、有源负载、电流负反馈、PNP管等方法。

•为提高共模抑制能力、提高差模增益和提供稳定的内部工作电流，实际电路中广泛采用各种恒流源电路，如稳压管恒流源、镜像恒流源、多集电极恒流源、场效应管恒流源等。

3．输出级
•输出级应输出以零电平为中心、有一定大小电流正负电压，并能与中间电压放大级和负载进行匹配，所以常采用各种形式的互补推挽输出放大电路。

•为保证得到大电流和高电压输出，输出级电路中还使用复合三极管结构形式和耐高压共基共射电路等。

•输出级设有保护电路，以保护输出级不致损坏。

•有些集成运放中还设有过热保护等。

4．偏置电路
其作用是给各级电路提供所需的电源电压
四．电流源电路在集成运放中的作用
电流源电路不仅可用作各种放大电路的恒流偏置(为放大电路提供稳定的偏置电流)，而且可用它取代电阻作为放大器的负载，是集成运放中应用最广泛的单元电路之一。

要求电流源有足够大的动态内阻；对温度的敏感度极低；能对抗电源电压或其他外因的变化。

归纳起来就是电流源电路应具有不受外界因素影响的恒流特性。

电流源种类很多，但有一个共同的特点即：
直流等效电阻小，交流等效电阻很大，且具有良好的恒流特性。

（电流源的恒流特性决定于电流源输出电阻的大小，输出电阻越大，恒流效果越好）
1、BJT电流源电路
表5.1示出了几种BJT电流源电路。

表5.1 常见的几种BJT 电流源
类型 电路结构
I o 与I R 的关系式
输出电阻
特点
基本镜像电流源
R o =r ce2
β、V CC 较小时，I o
精度较低、热稳定性较差。

改进型镜像电流源
R o =r ce2
有T 3管隔离，在β
较小时也有I o ≈I R ，I o 精度提高。

比例式电流源
按比例输出毫安级
电流，I o /I R 与电阻成反比。

R o 增大，I o 精度提高。

微电流源
提供微安级电流，I o
＜＜I R 。

R o 增大，I o
精度提高。

威尔逊电流源
I o 精度高。

因为有负
反馈，所以I o 稳定性
也好。

2、MOS 管电流源电路
图9.2.5 MOS 管
T 2
T 1
I R I o
R
V CC T 3
T 2
T 1
I R I o
R
V CC R E
V CC －V BE(on) I R =
R I R
I o = ≈I R
1+2/β
(β＞＞2)
V CC －2V BE(on)
I R =
R β2+β
I o = I R β2+β+2 ≈I R
V CC －V BE(on) I R =
R+R 1
R 1 V T i C1 I o =i C1 + ln
R 2 R 2 I o
R 1 ≈ I R
R 2
R 2
T 2
T 1
I R I o V CC R 1
R o ≈r ce2
β2 R 2
(1+ ) R 2+r be2+R 1∥R
R 2
T 2
T 1
I R I o
R
V CC V CC －V BE(on) I R =
R V T I R I o ≈ ln
R 2 I o
β2R 2
R o ≈r ce2(1+ ) R 2+r be2
V CC －2V BE(on) I R =
R β2+2β
I o = I R β2+2β+2 ≈I R
T 2
T 1
I R
I o
R
V CC
电流源电路是广泛应用于集成电路中的一种单元电路。

在集成电路中，电流源除了作为偏置电路提供恒定的静态电流外，还可利用其输出电阻大的特点，作有源电阻使用。

上述电流源在集成运放中有如下作用：
1. 恒流源相当于在交流时阻值很大的电阻。

2. 恒流源不影响差模放大倍数（虚短）。

3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比为无穷。

五．集成运放的基本参数指标
运算放大器的符号如图所示：
由于运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般有两个输入端和一个输出端。

两个输入端中，一个与输出为反相关系，另一个为同相关系，分别称为反相输入端和同相输入端，在图中分别用符号“+”和“-”标明。

集成运放有如下基本参数指标： 1． 开环差模电压增益 是指运放在无外加反馈的情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为分贝。

它的定义为：
开环差模增益是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望其为无穷大。

事实上一般为100dB 左右，高质量的运放可达140dB 以上。

2. 输入失调电压
它的定义是，为了是输出的电压为零，再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 失配的程度，在一定程度上也反映了温飘的大小。

3. 输入失调电压温漂 它的定义是：
表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放问票的重要指标。

一般运放为梅毒10-20 。

这个指标往往比失调电压更为重要。

4. 输入失调电流
输入失调电流的定义是当输入电压等于零的时候，两个输入端偏置电流之差，即： 5. 输入失调电流温漂
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。

6. 输入偏置电流
定义为当输出电压为零的时候，两个输入端偏置电流的平均值，它是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要取决于运放输入级的静态级电极电流及输入级放大管的 值。

od A +
-∆-∆∆=U U U A O
od lg
20dT
dU IO
U IO
=αdT
dI IO I IO =αIO I α
7. 差模输入电阻
用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。

一般集成运放的差模输入电阻为几兆欧。

8. 共模抑制比
定义为开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，一般也用对数表示，
这个指数用于衡量运放抑制温飘能力，多数运放的共模抑制比在80dB 以上，高质量的可达160dB 。

9. 最大共模输入电压
表示继承运放输入端所能承受的最大共模电压。

如果查过辞职，运放的共模抑制性能将显著恶化。

10. 最大差模输入电压
这是集成运放反向输入端与同相输入端之间能承受的最大电压。

若超过这个限度，输入级差分对管中的一个管子的发射结可能被反向击穿。

11. -3dB 带宽
表示下降3dB 时的频率。

一般运放其值较低，只有几赫至几千赫。

12. 单位增益带宽
指 降至0dB 时的频率，即此时开环差模电压放大系数等于1 衡量运放
的一项重要品质因素——增益带宽积得大小。

13. 转换速率
转换速率是指在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。

这个指标描述集成运放对大幅度信号的适应能力。

在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 值。

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