集成运放的基本组成部分 (2)

集成运放的基本组成部分偏置电路偏置电路的作用是向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。

各个放大级对偏置电流的要求各不相同。

对于输入级，通常要求提供一个比较小（一般为微安级）的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流及其温漂等等。

在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：镜像电流源也称为电流镜（Current Mirror），在集成运放中应用十分广泛，它的电路如下图所示。

电源VCC通过电阻R和VT1，产生一个基准电流IREF，由图可得然后在VT2的集电极得到相应的IC2，作为提供给某个放大级的偏置电流。

由于UBE1＝UBE2，而VT1和VT2是做在同一硅片上两个相邻的三极管，它们的工艺、结构和参数都比较一致，因此可以认为由于输出恒流IC2和基准电流IREF相等，它们之间如同是镜像的关系，所以这种恒流源电路称为镜像电流源。

镜像电流源的优点是结构简单，而且具有一定的温度补偿作用。

二、比例电流源在镜像电流源的基础上，在VT1、VT2的发射极分别入两个电阻R1和R2，即可组成比例电流源，如下图所示。

由于VT1、VT2是做在同一硅片上的两个相邻的三极管，因此可以认为UBE1≈IE2R2，则IE1R1≈IE2R2如果两管的基极电流可以忽略，由上式可得可见两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为比例电流源。

以上两种电流源的共同缺点是，当直流电源VCC变化时，输出电流IC2几乎按同样的规律活动，因此不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。

此外，若输入级要求微安级的偏置电流，则所有电阻将达兆欧级，在集成电路中无法实现。

差分放大输入级集成运放的输入对于它的许多指标诸如电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。

为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。

1．2 集成运放的基本构成和表示符号1．2．1集成运放的基本构成集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器，是一种模拟集成电子器件。

集成运放内部电路包括四个基本组成环节，分别是：输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路。

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。

图1—2—l所示为集成运放内部电路方框图。

由于三极管容易制造，且它在硅片上占的面积小，所以集成运放内部电路大量采用三极管代替其他元件，如用三极管代替二极管，用有源负载代替电阻负载等。

由于三极管是在相同的工艺条件下同时制造的，同一硅片上的对管特性比较相近，易获得良好的对称特性，且在同一温度场，易获得良好的温度补偿，具有很好的温度稳定性。

在集成电路中，各元件易于集成的顺序是：三极管、二极管、小的电阻、小的电容等，对于大的电阻或大的电容、电感等难以集成，可采用外接的方法。

在集成电路中，不能直接集成电感元件，如在集成电路内部需要电感时，可用其他元件(如：三极管、电阻、电容等)模拟出电感元件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，常采用超揖管、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，中间级集成运放的中间级常采用电平位移电路，将电平移动到地电平，其电路多采用恒流源、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，常采用并联电压负反馈、有源负载、电流负反馈、PNP管等方法。

为了提高共模抑制能力、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。

实验五 集成运算放大器的基本运算电路一、实验目的1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

2、正确理解运算电路中各组件参数之间的关系和“虚短”、“虚断”、“虚地”的概念。

二、设计要求1、设计反相比例运算电路，要求|A uf |=10，R i ≥10K Ω，确定外接电阻组件的值。

2、设计同相比例运算电路，要求|A uf |=11，确定外接电阻组件值。

3、设计加法运算电路，满足U 0=-（10U i1+5U i2）的运算关系。

4、设计差动放大电路（减法器），要求差模增益为10，R i >40K Ω。

5、应用Multisim8进行仿真，然后在实验设备上实现。

三、实验原理1、理想运算放大器特性集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。

当外部接入不同的元器件组成负反馈电路时，可以实现比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。

理想运放，是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。

开环电压增益 A ud =∞ 输入阻抗 r i =∞ 输出阻抗 r o =0 带宽f BW =∞失调与漂移均为零等。

理想运放在线性应用时的两个重要特性： (1)输出电压U O 与输入电压之间满足关系式U O ＝A ud （U +－U －）由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。

即U +≈U －，称为“虚短”。

(2)由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。

这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

2、基本运算电路 (1)反相比例运算电路电路如图2.5.1所示。

对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1//R F 。

图2.5.1反相比例运算电路图2.5.2反相加法运算电路(2) 反相加法电路i 1F O U R R U -=电路如图2.5.2所示，输出电压与输入电压之间的关系为)U R RU R R (U i22F i11F O +-=R 3＝R 1//R 2//R F (3)同相比例运算电路图2.5.3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为i 1FO )U R R (1U +=R 2＝R 1//R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图2.5.3(b)所示的电压跟随器。

第5章集成运算放大电路（上一章介绍的用三极管、场效应管等组成的放大电路称为分立元件电子电路。

）集成电路：如果在一块微小的半导体基片上，将用晶体管（或场效应管）组成的实现特定功能的电子电路制造出来，这样的电子电路称为集成电路。

（集成电路是一个不可分割的整体，具有其自身的参数及技术指标。

模拟集成电路种类较多，本章主要介绍集成运算放大电路。

）本章要求：（1）了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。

（2）理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。

（3）理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。

（4）理解电压比较器的工作原理和应用。

5.1集成运算放大器简介5.1.1集成运算放大器芯片集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。

是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。

集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。

集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。

早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。

现在，运放的应用已远远超过运算的范围。

它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。

1、集成电路的概念（1）集成电路：禾U用半导体的制造工艺，把晶体管、电阻、电容及电路连线等做在一个半导体基片上，形成不可分割的固体块。

集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。

（2）集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路，小、中、大、超大规模集成电路。

①模拟集成电路：以电压或电流为变量，对模拟量进行放大、转换、调制的集成电路。

（可分为线性集成电路和非线性集成电路。

）②线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成线性关系的电路，如集成运算放大器。

③非线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成非线性关系的电路，如集成稳压器。

（3）线性集成电路的特点①电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。

②输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。

习 题3.1 通用型集成运放一般由几部分电路组成，每一部分常采用哪种基本电路？通常对每一部分性能的要求分别是什么？解：通用型集成运放由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四个部分组成。

通常，输入级为差分放大电路，中间级为共射放大电路，输出级为互补电路，偏置电路为电流源电路。

对输入级的要求：输入电阻大，温漂小，放大倍数尽可能大。

对中间级的要求：放大倍数大，一切措施几乎都是为了增大放大倍数。

对输出级的要求：带负载能力强，最大不失真输出电压尽可能大。

对偏置电路的要求：提供的静态电流稳定。

3.2 已知一个集成运放的开环差模增益A o d 为100dB ，最大输出电压峰-峰值U o p p ＝±14V ，分别计算差模输入电压u I （即u P －u N ）为10μV 、100μV 、1mV 、1V 和－10μV 、－100μV 、－1mV 、－1V 时的输出电压u O 。

解：根据集成运放的开环差模增益，可求出开环差模放大倍数5od od 10dB 100lg 20==A A当集成运放工作在线性区时，输出电压u O ＝A o d u I ；当A o d u I 超过±14V 时，u O 不是＋14V ，就是－14V 。

故u I （即u P －u N ）为10μV 、100μV 、1mV 、1V 和－10μV 、－100μV 、－1mV 、－1V 时，u O 分别为1V 、10V 、14V 、14V 、－1V 、－10V 、－14V 、－14V 。

3.3 已知几个集成运放的参数如表P3.3所示，试分别说明它们各属于哪种类型的运放。

表P3.3解：A 1为通用型运放，A 2为高精度型运放，A 3为高阻型运放，A 4为高速型运放。

3.4 多路电流源电路如图P4.4所示，已知所有晶体管的特性均相同，U B E 均为0.7V 。

试求I C 1、I C 2各为多少。

图P 3.4解：因为T 1、T 2、T 3的特性均相同，且U B E 均相同，所以它们的基极、集电极电流均相等，设集电极电流为I C 。

集成运放的基本组成电路集成运放的形状特点→ 基本组成电路框图→ 偏置电路→ 差分放大输入级→ 中间放大级→ 互补对称输出级。

1、集成运放的形状结构介绍现在使用的运算放大器都是集成组件，应用最广泛的集成放大器是集成运算放大器（集成运放），最早用于模拟计算机，并由此而得名。

随着技术指标的不断提高和价格的日益降低，作为一种通用的高性能放大器，目前已经广泛应用于自动掌握、精密测量、通信、信号处理以及电源等电子技术应用的全部领域。

集成运放有金属圆壳式和陶瓷双列直插式等封装形式，如图5.1所示是集成运放F007和μA741的形状、管脚图。

图中：①、⑤、⑧——空脚②——反相输入端③——为同相输入端⑥——为输出端⑦——正电源端④——负电源端集成运放内部电路结构简单，而对使用者来说，须把握的是其主要性能及其连接和使用的方法，因而本章不再具体介绍其内部结构。

在详细应用中，集成运放可视为一个高增益（80~140dB）、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器，为了抑制零点漂移, 抵制温漂变化对电路的影响，输入级采纳了差分放大电路。

差分放大电路，有两个输入端和一个输出端。

图5.2所示是集成运放的电气符号及其管脚标准接法。

集成运算放大器内部通常包括四个组成基本部分，如图5.3方框图所示。

2、偏置电路主要作用：向各放大级供应合适的静态工作点。

各放大级对偏置电流和工作电流要求不同，差分输入级的偏置电流最小（μA 级），且要求稳定。

为此，偏置电路常采纳各种电流源电路。

应用最广泛的电流源是镜像电流源，另外还有比例电流源、微电流源等。

1.镜像电流源如图5.4是镜像电流源电路。

I R = U CC U BE R ——基准电流V T 1 、V T 2 参数对称，I B1 = I B2 = I B ，I C1 = I C2 = I C则I C = I R 2 I B = I R 2 I C β所以I C2 = I C1 = I C = I R 1+ 2 β ≈ I R (β2)2.微电流源如图5.5是微电流源电路。

《集成运算放大器的分类和组成》摘要：集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

它是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、集成化了的直接耦合多级放大器。

它在自动控制、测量设备、计算技术和电信等几乎一切电子技术领域中获得了日益广泛的应用。

关键词：集成运算放大器封装样式使用注意事项一、集成运算放大器的分类集成运算放大器可以按照人们的不同需求进行多种划分，具体有以下几种类别。

1.按照集成运算放大器的参数分类（1）通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。

这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大、面广，其性能指标适合一般性的使用。

如mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356。

它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

（2）高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid>（109～1012）W，IIB为几皮安到几十皮安。

实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。

用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。

常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

（3）低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总希望运算放大器的失调电压较小且不随温度的变化而变化。

低温漂型运算放大器就是为此而设计的。

目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

（4）高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不适合高速应用的场合的。