实用模拟电子技术教程,主编：徐正惠,副主编： 刘希真 张小冰,第三篇 模拟集成电路及其应用 本篇介绍集成电路和模拟集成电路的分类、命名方法、封装方式等基本常识。在此基础上重点介绍集成运算放大电路、集成稳压电路、集成信号测量电路、集成仪表放大电路、集成功率放大电路、集成信号发生电路等。通过介绍和讨论，要求掌握或了解相关集成电路常用的型号、外型、封装、功能、主要性能指标和典型应用电路。要求掌握常用模拟集成电路应用电路的设计方法。,第11章 集成运算放大器,第三篇 模拟集成电路及其应用,学习要求： 掌握运算放大器的基本结构、电路符号和电压传输特性；掌握运算放大器输入失调电压、输入失调电流、输入失调电压失调电流温漂、差模输入电阻、共模输入电阻、差模电压放大倍数、共模电压放大倍数、共模抑制比等主要特性参数；了解集成运算放大器的分类。,11.1 集成运算放大器概述,第11章 集成运算放大器,11.1.1 运算放大器的内部结构,何谓集成运算放大器？ 模拟集成电路中一个大类是集成运算放大电路，也称集成运算放大器。 集成运算放大器最初大多用于模拟信号的运算，例如比例运算、加、减、积分、微分运算等，因此称其为集成运算放大器，简称集成运放，是模拟集成电路中应用最为广泛的一类。 传统意义上的电压放大作用可以理解为比例运算，使用集成运放实现比例运算，因其价格低、性能好，在信号频率较低的情况下已经取代了分立元器件组成的放大电路。,11.1.1 运算放大器的内部结构,11.1 集成运算放大器概述,针对不同的用途，运放内部结构上也有所不同，但不论具体电路如何变化，各类运算放大器的基本结构是相同的，即它们都由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路组成，如图所示。,以运算放大器LM324为例来说明运算放大器的内部结构。,11.1 集成运算放大器概述-11.1.1 运算放大器的内部结构,LM324是一种通用的4运放电路，即一个集成块内部包含4个相同的集成运放，下图给出了其中一个运放的具体线路。,输入级由6A的恒流源、和晶体管VT1、VT2、VT3、VT4、VT8和VT9组成,输出级由晶体管VT6、VT13和电阻R组成,除输入、输出外，其余为中间级及偏置电路,1、输入级,11.1 集成运算放大器概述-11.1.1 运算放大器的内部结构,输入级是带恒流源的差分放大电路，其恒流源部分用一个恒流源符号表示，具体电路没有画出来。,VT1VT4相当于差分放大电路的两个对称的三极管，注意VT1VT4是PNP型管，因此恒流源接正电源VCC，而负载电阻接负电源VEE。负载是VT8、VT9组成的恒流源。采用恒流源作为集电极负载电阻的好处是动态电阻很大，且制作方便。,输入级差分电路有两个输入端，u+是同相输入端，u是反相输入端。输出信号经VT3集电极耦合至中间级VT10的基极，属双端输入，单端输出的差分放大电路。,2、输出级,11.1 集成运算放大器概述-11.1.1 运算放大器的内部结构,单电源工作时，接入负载电阻RL后输出级是VT5、VT6复合管构成的共集电极放大电路（射极跟随器），RL是复合管的发射极电阻（R很小）。电路设计时使得静态情况下输出端电压u0等于VCC/2，而VT13的基极电压总高于这个数值，因此VT13发射结反偏，VT13始终处于截止状态，VT13的存在并不影响共集电极放大电路的正常工作。,双电源工作时，输出级是准互补电路，将在以后的章节中介绍。,1、运算放大电路的符号,11.1 集成运算放大器概述-11.1.2 运算的符号和电压传输特性,集成运放是一个双输入端、单输出端、具有高差模放大倍数、高共模抑制比的差分放大电路，因此常用下图所示的两种符号表示。,图中“+”是同相输入端，表示该输入端信号与输出信号同位相；“”是反相输入端，表示该输入端信号与输出信号的位相相反，u0是输出端。,2、运放的电压传输特性,11.1 集成运算放大器概述-11.1.2 运算的符号和电压传输特性,首先讨论静态情况下（即将同相输入端和反相输入端短接，这时差模输入电压等于零）输入、输出端电压：,单电源供电时，同相端、反相端和输出端的电压都等于VCC/2，即电源电压的一半。 双电源供电时（使用VCC、VEE电源）如果VEE=VCC，则属对称双电源供电，这种情况下，静态时反相输入端、同相输入端及输出端均为零电压。,2、运放的电压传输特性,11.1 集成运算放大器概述-11.1.2 运算的符号和电压传输特性,现在讨论输入电压变化时输出电压变化的情况。,用A0d表示运放的差模开环电压放大倍数，则运放输出电压和输入电压（差模输入电压）之间的关系为：,式中u0为运放的输出电压，（u+u）为差模输入电压，上式表明经过运放电路，差模输入电压（u+u-）被放大了A0d倍，输出电压u0相位与同相端输入电压u+的相位相同。,2、运放的电压传输特性,11.1 集成运算放大器概述-11.1.2 运算的符号和电压传输特性,用输入输出电压关系曲线来说明输出、输入电压之间的关系，横坐标表示差模输入电压，纵坐标表示输出电压：,同相端电压等于反相端电压时，（u+u）=0，这时输出电压u0也等于0，对应于图中的坐标原点。,让同相端电压逐渐上升（反相端电压维持不变），（u+u-）逐渐变大，输出电压u0将成正比地上升。由于运放的开环放大倍数很大，u0的上升将十分迅速。,输入电压增到一定的程度后，受电源电压的限制，输出电压就不再随输入电压增加，例如选用5V双电源供电，LM324的输出达到3.5V以后，就不再随输入的增加而增加。,2、运放的电压传输特性,11.1 集成运算放大器概述-11.1.2 运算的符号和电压传输特性,由上图所示的曲线可以看出，在uB+uB的范围内，输出电压与输入电压之间有线性关系，这个区域称为线性区域，差模输入电压大于uB和小于uB的区域，输出电压不随输入电压的变化而变化，称为非线性区域。,维持u-等于零不变，让u+向负方向变化，（u+u-）也因此逐渐向负方向变化，输出电压随输入电压变化的情况见右图左边的曲线，在0uB范围内输出电压与输入电压之间有线性关系，输出随输入的减小而减小，（u+u-）等于或小于uB时，输出电压维持等于U0m不变。,2、运放的电压传输特性,11.1 集成运算放大器概述-11.1.2 运算的符号和电压传输特性,运算放大电路线性范围都很小 由于运算放大器的开环增益都很高，其线性区域是很小的，例如， LM324 的5V双电源供电的情况下，LM324的开环放大倍数为10万倍，差模输入电压从0增加到35V，输出电压就从0增加到3.5V，此后输出电压即不随输入变化。同样，差模输入电压从0减小到-35V，输出电压就从0减到-3.5V，此后输出不随输入变化。因此LM324的线性区域是35V+35V。对于开环增益更大的运算放大器，其线性区域会更小。,1、常用运算放大器电路封装,11.1 集成运算放大器概述-11.1.3 运算放大器的封装和供电方式,常用运放大多采用PID（塑料双列直插）封装或SOP贴片封装。同一种电路，常常有多种封装形式用以满足不同的安装需要。以LM324为例，(a)为电路的PID封装形式，(b)、(c)为该型号电路的贴片SOP封装形式，(c)为TSSOP（薄型小尺寸）封装形式。,2、运放的供电,11.1 集成运算放大器概述-11.1.3 运算放大器的封装和供电方式,运算放大器的电源都为直流电源，一般有两种供电方式： 一是使用对称的正负电源：例如5V、9V、12V等，使用时运放的正电源端引脚接正电源，负电源引脚接负电源端，静态（输入信号为零）时输出端的电压等于零； 二是使用单电源：运放正电源引脚接电源的正极，运放负电源引脚接电源地，静态（输入信号为零）时输出端的电压等于电源电压的一般。例如使用5V电源，静态时输出端电压为2.5V。,11.2.1 静态特性参数,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,运算放大器输入信号为零时的状态称为“静态”，描述静态情况下运算放大器有关特性的参数称为运放的静态特性参数。,运放的静态特性参数的特殊性： 运算的基本功能之一，便是对施加到输入端的信号进行放大。一个理想的放大器，输入端输入信号为零时，其输出信号也应该为零，但对于运算放大器，实际情况要复杂得多。由于各种原因，即使输入信号为零，运放的输出端也会有信号输出，而且输出信号往往还很大。运放的各种静态特性参数的作用便是对这些现象进行定量的描述。,11.2.1 静态特性参数-1、输入失调电压Ui0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,如果我们将运放的两个输入端都经过一个100的电阻接地，这时运放的差模输入电压等于零（见图），根据前面关于运放转移特性的讨论，这时输出电压应该为零，即u0=0。,但是实测表明，对于实际的运算放大器，其输出不仅不等于零，而且相当大。这表明在没有差模输入的情况下，输入端仍然存在一个电压，正是这个电压经过运算,放大器放大后在输出端形成很大的输出。为了使输出电压等于零，就需要在输入端加上一个补偿电压，这个补偿电压Ui0就称为运放的输入失调电压。,11.2.1 静态特性参数-1、输入失调电压Ui0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,存在输入失调电压的原因：,11.2.1 静态特性参数-1、输入失调电压Ui0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,存在输入失调电压的原因：,制造工艺的不对称是主要原因！,11.2.1 静态特性参数-1、输入失调电压Ui0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,失调电压的补偿,好在失调电压决定于生产工艺，集成电路制造出来以后，其大小、性质也就确定了。只要环境温度变化时运放的失调电压变化不大，或环境温度变化很小，这时可以将模拟集成电路的失调电压视为常数。在这种情况下，我们可以通过外加电压的办法来对运放进行补偿，,11.2.1 静态特性参数-2、输入失调电流Ii0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,在已经补偿好运放失调电压（输出端电压已调节为零）的电路中，保持电位器活动端的位置及其他元件不变，在两个输入端加入阻值较大的电阻（500k），发现输出电压又明显偏离零值，甚至又进入非线性区。,这表明，无差模信号输入的情况下，除失调电压以外，还存在一种“失调”在起作用，影响着输出电压，这就是输入失调电流。运放输入失调电流Ii0的定义是：,差模输入电压为零的情况下，同相端静态基极电流IB+和反相端静态基极电流IB之差，即失调电流等于：,11.2.1 静态特性参数-2、输入失调电流Ii0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,形成输入失调电流Ii0的原因：,输入失调电流也是制造工艺引起的输入级细微不对称性造成的，如图所示，如果输入级的三极管严格对称，两个三极管的静态基极电流就相等，这时就不存在失调电流，Ii0=IB+IB=0，但实际上总存在微小的不对称性，IB+不等于IB，因此Ii0不等于零，于是就出现不等于零的失调电流。,输入失调电流定义：,11.2.1 静态特性参数-2、输入失调电流Ii0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,输入失调电流Ii0如何影响输出？,失调电流会对输出电压产生怎么样的影响？为什么已经调好补偿的电路中加入500k的电阻后失调电流的作用就变得很明显，电路输出又不等于零？,加入500k的电阻后输出又明显偏离零点，运放进入非线性区。,11.2.1 静态特性参数-2、输入失调电流Ii0,11.1 集成运算放大器概述-11.2 运算放大器的主要特性参数,我们以LM324为例来说明：,ML324在25时的失调电流约为2nA，在不接500k的情况下，两个输入端外接电阻等100，由此可以求出静态基极电流在