7.3 集成运算放大器介绍


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7.3 集成运算放大器介绍

7.3.1 集成运算放大器结构

运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，由于它最初主要用作模拟计算机的运算放大，故至今仍保留这个名字。集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。集成运算放大器简称为集成运放。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，目前，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能。可以说，集成运放已经成为模拟电子技术领域中的核心器件之一。集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不相同，但其内部电路的基本结构却大致相同。本节主要介绍典型集成运放内部电路的组成、工作原理和性能，从而对集成运放有一个全面而深入的了解。

集成运放的内部电路可分为输入级、偏置电路、中间级及输出级4个部分，如图7-10所示。

输入级又称前置级，它的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，如增大输入电阻，减小零漂，提高共模抑制比等。所以，输入级一般是一个双端输入的高性能差分放大电路，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。中间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。而且为了提高电压放大倍数，增大输出电压，经常采用复合管做放大管，以恒流源做有源负载的共射放大电路。集成运放的输出级一般要求输出电压幅度要大，输出功率大，效率高，输出电阻较小，提高带负载能力。因此，一般采用互补对称的电压跟随器。偏置电路的作用是为输入级、中间级和输出级提供静态偏置电流，建立合适的静态工作点，一般采用电流源电路形式。

图7-10 集成运算放大器的结构

7.3.2 典型集成运放结构及电路分析

下面以国产第二代通用型集成运放F007（5G24、mA741）为例，对各部分电路的功用作以说明。F007的电路原理图如图7-11所示。电路共有9个对外引线端：②、③为信号输入端，⑥为信号输出端，在单端输入时，②和⑥相位相反，③和⑥相位相同，故称②为反相输入端，③为同相输入端；⑦和④为正、负电源端；①和⑤为调零端；⑧和⑨为（消除寄生自激振荡）补偿端。

图7-11 F007的电路原理图

1．输入级

输入级性能的好坏对提高集成运放的整体质量起着决定性作用。很多性能指标，如输入电阻、输入电压（包括差模电压、共模电压）范围、共模抑制比等，主要由输入级的性能来决定。

在图7-11中，V₁～V₇以及R₁、R₂、R₃组成F007的输入级。其中，V₁～V₄组成共集—共基复合差动放大器（V₁、V₂为共集电路，V₃、V₄为共基电路），构成整个运放的输入电路。

2．电流源偏置电路

在集成运放中，为了减少静耗、限制温升，必须降低各管的静态电流。而集成工艺本身又限制了大阻值偏置电阻的制作，因此集成运放多采用恒流源电路作为偏置电路。这样既可使各级工作电流降低，又可使各级静态电流稳定。F007中采用的恒流源电路是“镜像电流源”及“微电流源”电路，下面分别介绍。

（1）镜像电流源电路其电路如图7-12所示。V₁、V₂是做在同一小块硅片上的两个相邻三极管，由于工艺、结构及材料均相同，因此，二者性能参数相同，又因，因此电流也对称相等，即

，

由图可得R中的电流为

（7.3.1）

根据分流关系，又可有

（7.3.2）

当b>>2时，有

（7.3.3）

称I_R为基准电流，而将作为输出电流，供给其他放大级。等于I_R，一旦I_R确定，便随之确定，I_R稳定，也随之稳定，与I_R成为一种镜像关系，故称其为镜像电流源。镜像电流源的输出电流只决定于基准电流I_R，而与T₂集电极负载大小及性质无关。

（2）微电流源。上述镜像电流源有一个不足之处，那就是当需要输出电流很小时，就需要R值很大，这必然给工艺带来困难。为了既减小又不加大R值，常采用图7-13所示微电流源电路，它是在上述镜像电流源的T₂的发射极中串入了一个电阻。

图7-12 镜像电流源图7-13 微电流源

由图可知

（7.3.4）

故有（7.3.5）

调节的值，使，则。因为，所以

（7.3.6）

（7.3.7）

因为，所以

（7.3.8）

把，代入得。正确地选取的值，可以使I_o达到微安量级，而此时I_R仍然很大，所以限流电阻不会太大。可见，该电路能够在R不太大的条件下，获得微小的输出电流。所以，微电流源达到了接入小电阻、输出小电流的目的。另外，由于的负反馈作用，还可抑制电源电压波动及温度的变化对输出电流的影响，成为稳定的微恒流源。

（3）F007的偏置电路。图7-14给出了F007的偏置电路，由V₈至V₁₃以及R₄、R₅组成。图中共3对镜像电流源，它们是V₈与V₉、V₁₀与V₁₁、V₁₂与V₁₃（其中V₁₀与V₁₁是微电流源）。流过R₅的电流I_R是V₁₂与V₁₃、V₁₀与V₁₁这两对电流源的基准电流。

由图可见，I_R是一个基本恒定的基准电流。

图7-14 F007的偏置电路

3．中间级

图7-15给出了F007的中间级电路图，它由V₁₆、V₁₇组成的复合管共射放大电路，其输入电阻大，对输入级的影响小；其集电极负载为有源负载（由恒流源V₁₃组成），而V₁₃的动态电阻很大，加之放大管的很大，因此中间级的放大倍数很高。此外，在V₁₆、V₁₂的集电极与基极之间还加接了一只约30pF的补偿电容，用以消除自激。

图7-15 F007的中间级电路图

4．输出级

图7-16给出了F007的输出级电路图，主要由3部分电路组成：由V₁₄、V₁₈、V₁₉组成的互补对称电路；由V₁₅、R₇、R₈组成的U_BE扩大电路；由VD₁、VD₂、R₉、R₁₀组成的过载保护电路。信号从中间级的V₁₃、V₁₆（V₁₇）的集电极加至互补对称电路两管基极，放大后从⑥端输出。过载保护电路是为防止功放管电流过大造成损坏而设置的。正常工作时，VD₁、VD₂不通。当V₁₄导通（V₁₈、V₁₉截止）且导通电流过大时，会引起增大而使VD₁导通，VD₁对分流，从而限制V₁₄的输出电流。同样，当V₁₈、V₁₉导通（V₁₄截止）且导通电流过大时，会引起增大而使VD₂导通，对分流，从而限制了复合管V₁₈、V₁₉的输出电流，这就是过载保护功能。

图7-16 F007的输出级电路图

7.3.3 集成运放的性能指标

衡量集成运放质量好坏的技术指标很多，基本指标有10项左右。实际中可通过器件手册直接查到各种型号运放的技术指标。不过，并不是一种运放的所有技术指标都是最优的，往往各有侧重。即使是同一型号的组件在性能上也存在一定的分散性，因而使用前常需要进行测试和筛选。为此，必须了解各项性能参数的含义。

（1）开环差模电压放大倍数A_od。

A_ob是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数，即

（7.3.9）

对于集成运放而言，希望A_od大，且稳定。目前高增益集成运放的A_od可高达140dB（10⁷倍），理想集成运放认为A_od为无穷大。

（2）共模抑制比K_CMRR。

共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。K_CMRR愈大愈好，理想集成运放的K_CMRR为无穷大。

（3）差模输入电阻r_id。

r_id的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求r_id愈大愈好，一般集成运放r_id为几百千欧至几兆欧，故输入级常采用场效应管来提高输入电阻r_id。F007的r_id=2MW。认为理想集成运放的r_id为无穷大。

（4）输出电阻r_o。

r_o的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流I_{o max}表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的r_o为零。

（5）最大差模输入电压U_{id max}。

从集成运放输入端看进去，一般都有两个或两个以上的发射结相串联，若输入端的差模电压过高，会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏，PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏，如F007的U_{id max}为±30V。

（6）最大共模输入电压U_{ic max}。

输入端共模信号超过一定数值后，集成运放工作不正常，失去差模放大能力。F007的U_{ic max}值为±13V。

（7）输入失调电压U_IO。

该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压（去掉外接调零电位器），它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时，输出也为零，但实际中往往输出不为零，将此电压折合到集成运放的输入端的电压，常称为输入失调电压U_IO。其值在1～10mV范围，要求愈小愈好。

（8）输入偏置电流I_IB和输入失调电流I_IO。

输入偏置电流是指输入差放管的基极（栅极）偏置电流，用表示，而将、之差的绝对值称为输入失调电流，即

（7.3.10）

和愈小，它们的影响也愈小。的数值通常为十分之几微安，则更小。F007的I_IB=200nA，I_IO为50～100nA。

（9）输入失调电压温漂和输入失调电流温漂。

它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿U_IO、I_IB、I_IO的影响，使直流输出电压调至零伏，但却很难补偿其温度漂移。低温漂型集成运放可做到0.9mV/(℃)以下，可做到0.009mA/(℃)以下。

F007的(℃)，(℃)

（10）-3dB带宽fh。

在前面已讲过，随着输入信号频率上升，放大电路的电压放大倍数将下降，当A_od下降到中频时的0.707倍时为截止频率，用分贝表示正好下降了3dB，故对应此时的频率f_h称为上限截止频率，又常称为-3dB带宽。

当输入信号频率继续增大时，A_od继续下降；当A_od=1时，与此对应的频率f_c称为单位增益带宽。F007的f_c=1MHz。

（11）转换速率SR。

频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中，有时需要集成运放工作在大信号情况（输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压U_op-p），此时用转换速率表示其特性。最后，还应说明，随着技术的改进，近些年来，各种专用型集成运放也不断问世，如高阻型（输入电阻高）、高压型（输出电压高）、大功率型（输出功率高达十几瓦）、低功耗型（静态功耗低，如1～2V、10～100mA）、低漂移型（温漂小）、高速型（过渡时间短、转换率高）等。通用型集成运放价格便宜，容易购买；专用型集成运放则可满足一些特殊要求。有关具体器件的详细资料，须参看生产厂家提供的产品说明。