第4章集成运放及应用

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1、第4章集成运算放大器一通用运放原理二集成运放结构及特性参数三理想运放第4章模拟集成单元电路引言：集成电路是在60年代初在分立元件基础上发展起来的一种新型电路，其主要利用半导体制作工艺将二三极管.电阻等制作在一小块芯片上（厚约0.2-0.25mm面积0.5mm2P型硅片）并将其连成能完成特定功能的电路。概括如下：半导体集成电路(IC)概述60年代初期出现70年代后期VLSI出现分为数字IC和模拟IC如运算放大器、电压比较器了解集成工艺的特点4.1集成运算放大器基础4.1.1集成运算放大器概述运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接

2、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。(1)所有元件都是在同一硅片上，在相同的条件下，采用相同的工艺流程制造，因而各元件参数具有同向偏差，性能

3、比较一致。这是集成电路特有的优点，利用这一优点恰恰可以制造像差动放大器那样的对称性要求很高的电路。实际上，集成电路的输入级几乎都无例外地采用差动电路，以便充分利用电路对称性，使输出的零漂得到较好的抑制。(2)由于电阻元件是由硅半导体的体电阻构成的，高阻值电阻在硅片上占用面积很大，难以制造，而制作晶体管在硅片上所占面积较小。例如，一个5kΩ电阻所占用硅片的面积约为一个三极管所占面积的三倍。所以，常采用三极管恒流源代替所需要的高值电阻。(3)集成电路工艺不宜制造几十微微法以上的电容，更难以制造电感元件。为此，若电路确实需要大电容或电

4、感，只能靠外接来解决。由于直接耦合可以减少或避免使用大电容及电感，所以集成电路中基本上都采用这种耦合方式。(4)集成电路中需用的二极管也常用三极管的发射结来代替，只要将三极管的集电极与基极短接即可。这样做的原因主要是这样制作的“二极管”的正向压降的温度系数与同类型三极管的UBE的温度系数非常接近，提高了温度补偿性能。由此可见，集成电路在设计上与分立元件电路有很大差别，这在分析集成电路的结构和功能时应当予以注意。§4.1.2通用运放原理1.集成运放的组成及特点：①组成：差动放大,中间放大,推挽输出,偏置电路和附加电路输入级：差动

5、放大,高增益,直接耦合,高输入电阻输出级：OCL电路,偏置电路为恒流源电路（及各种变形电路）,低输出阻抗附加电路：双端输出→单端输出，电平位移→零输入零输出，过载保护电路②运放符号：图8-2（a）同相输入端→同相端→“+”端;反相输入端→反相端→“-”端不计共模输出时的输出电压：vo=Avd(v+－v－),当v－=0，vo=Avdv+→信号从“+”输入，同相放大器当v+=0，vo=－Avdv－→信号从“－”输入，反相放大器4.2实际集成运算放大器的内部电路简介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

6、大致相同。本节主要从使用的角度来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、中间级及输出级四个部分。输入级由差动放大器组成，它是决定整个集成运放性能的最关键一级，不仅要求其零漂小，还要求其输入电阻高，输入电压范围大,并有较高的增益等。偏置电路用来向各放大级提供合适的静态工作电流,决定各级静态工作点。在集成电路中，广泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置。中间级主要是提供足够的电压放大倍数，同时承担将输入级的双端输出在本级变为单端输出，以及实现电位移

7、动等任务。输出级主要是给出较大的输出电压和电流，并起到将放大级与负载隔离的作用。常用的输出级电路形式是射极输出器和互补对称电路，有些还附加有过载保护电路。下面以国产第二代通用型集成运放F007(5G24、μA741)为例，对各部分电路的功用作以分析。F007的电原理图如图4-6所示。电路共有九个对外引线端：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（消除寄生自激振荡的）补偿端。1.输入级输入级的性能好坏

8、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4.2.1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