集成运算放大器课件

(4) 为了提高集成度（单位硅片面积上 所集成的元件数）和集成电路性能，一般 集成电路的功耗要小，这样集成运放各级 的偏置电路通常较小。
(5) 在集成电路中，制造有源器件（晶 体三极管、场效应管等）比制造大电阻占 用的面积小，工艺上也不麻烦。所以在集 成放大电路中，常用三极管代替电阻，尤 其是大电阻。
图3.3集成运放的原理框图
① 偏置电路：采用恒流源，向各级提 供稳定的静态电流。
② 输入级：采用差动放大器，减小零 漂，提高输入电阻。
③ 中间级：采用一至两级直接耦合放 大器，提供足够的电压放大倍数。
④ 输出级：采用功率放大器，提高集 成运放的带负载能力，向负载提供一定的 功率。
3.1.1偏置电路
集成电路常有3种外形，即双列直插 式、圆壳式和扁平式，如图3.1所示。
图3.1集成电路的外形
集成电路按其功能分，有数字集成电 路和模拟集成电路。集成运算放大器是发 展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路， 简称集成运放。它实质是一个多级直接耦 合高电压放大倍数的放大器，早期的应用 主要是数值运算，故称运算放大器，目前 的用途已经远远超过了此范围，但仍沿用 此名称。
集成运放为设置合适、稳定的直流偏 置电路以保证其正常工作中，常采用恒流 源电路。
1. 基本镜像电流源电路
基本镜像电流源电路如图3.4所示，它 是由两个特性对称的三极管VT1和VT2及一 个电阻R构成的。
3.4
图
镜 像 电 流 源
这种电路的优点是结构简单， 电路对称易集成，且具有一定的温度 补偿作用。
该电路的特点是用很小的Re就可以获 得很弱的输出电流，一般在毫安级，适合 用于小电流场合。
3.1.2输入级
输入级的好坏对提高集成运放的整 体质量至关重要，如输入电阻、共模抑 制比、输入电压范围以及电压放大倍数 等许多ห้องสมุดไป่ตู้能指标的优劣，输入级都起决 定性作用。
输入级大都采用差分放大电路的形 式，最常见的有3种：基本形式、长尾式 和恒流源式。
第3章 集成运算放大器
3.1 集成运算放大器的基本组成 3.2 理想运算放大器
集成运算放大电路是模拟电子技术的 重点内容之一。本章主要介绍集成运算放 大电路的基础知识及其应用，首先分别介 绍集成运算放大电路的各个基本组成部分： 偏置电路、输入级、中间级和输出级。然 后介绍集成运放的主要性能指标，最后介 绍理想运放的概念及其特点。
1. 基本差分放大器
典型电路组成及抑制零漂的原理如下。
用两级相同的共射电路接成面对面的 形式，将两个输入信号分别接于两个输入 端与地之间，实现双端输入。输出信号取 自两管的集电极，即将负载接于两管集电 极之间，构成双端输出，如图3.9所示。
2. 输入信号类型及差模电压放大倍数
基本差分放大器的输入信号可分为共 模信号和差模信号两种。在放大器两输入 端分别输入大小相等、极性相同的信号， 这种输入方式称为共模输入，信号称为共 模信号，常用uIc表示，即uIc=uI1=uI2。
集成运放的符号如图3.2所示，它有两 个输入端：同相输入端和反相输入端。标 “+”的为同相输入端，表明输出电压信号 与该输入端电压信号相位相同；标“-”的 为反相输入端，表明输出电压与该输入端 的电压信号相位相反。
图3.2集成运放的符号
3.1 集成运算放大器的基本组成
图3.3是典型集成运放的原理框图， 集成运放一般由偏置电路、输入级、 中间级和输出级4部分组成。另外，还 有电平移动电路、短路保护电路等部 分。
(1) 所有各元件是在同一块硅片上用 相同的工艺过程制造的，因而具有相同的 同向偏差，温度特性等参数，特别适用于 制造对称性较高的差分放大电路。
(2) 由于电阻元件是由硅半导体的体电 阻构成的，阻值范围有一定的局限性，一 般在几十欧到几十千欧之间，过高或过低 的电阻制造很困难。
(3) 由于集成工艺不适于制作大容量的 电容，更难于制造电感器件，所以电路结 构大都采用直接耦合方式。
集成电路是将半导体三极管、二极管、 电阻等元件及连线全部集中制造在同一小 块半导体基片上，成为一个完整的固体电 路。集成电路的元件密度高、引线短、外 部接线少，从而提高了电子设备的可靠性 和灵活性，并且减低了成本，为电子技术 的应用开辟了一个新的时代。
将彼此独立的三极管、二极管、电阻、 电容等用导线连接成的电路称为分立元件 电路。与分立元件电路相比，集成电路除 了体积小、元件高度集中外，还有以下特 点。
它 的 缺 点 是 输 出 电 流 Ic2 受 直 流 电源UCC影响。而且，若要求得到小 的电流源时，电阻值将达兆欧级，集 成电路无法实现。
2. 减小β影响的镜像电流源电路
为了减小β的影响，可采用如图3.6所示的 改进型电路，在这个电路中，将VT1管的集 电极与基极之间的短路线用VT3管取代。
3.6
在实际应用电路中，共模输入信号
常常比差模输入信号大，而且零漂也可 看成共模信号。因此，要求放大器的共 模抑制比高，这样，电路受共模信号及 零漂的干扰就小，电路的质量就高。共 模抑制比是差分放大器的一项十分重要 的 技 术 指 标 。 理 想 情 况 下 ， KCMR→∞ 。 一般差放电路的KCMR为40～60dB，高水 平的可达120dB以上。
在共模输入情况下，因电路对称，两 管的集电极电位变化相同，因而输出电压 Uoc恒为零。其原理与输入信号为零(静态) 的输出结果一样，如图3.10所示。
3. 共模抑制比
差分放大器的输入信号可以看成一个 差模信号与一个共模信号的叠加。对于差 模信号，要求放大倍数尽量地大；对于共 模信号，希望放大倍数尽量地小。为了全 面衡量一个差分放大器放大差模信号信号、 抑制共模信号的能力，引入共模抑制比 KCMR这个量，来综合表征这一性质。
图 改 进 的 镜 像 电 流 源
3. 多路输出电流源电路
在集成电路中，有时需要多个相 同的电流源，这时可采用多路输出电流 源电路 。
4. 微电流源电路
微电流源电路是在镜像电流源的 基础上，在VT2的发射级上接一个电阻 Re，如图3.8所示。
3.8
图 微 电 流 源 电 路
Re的负反馈作用可以使输出电流变小， 提高恒流源对电源变化的稳定性，且温度 稳定性更好。