12 集成运放的基本构成和表示符号121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12l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。3输出级 输出级应输出以零电平为中心、有一定大小电流的正负电压，并能与中间电压放大级和负载进行匹配，所以常采用各种形式的互补推挽输出放大电路。为保证得到大电流和高电压输出，输出级电路中还使用复合三极管结构形式和耐高压的共基共射电路等。输出级设有保护电路，以保护输出级不致损坏。有些集成运放中还设有过热保护等。4偏置电路 偏置电路的作用是给各级电路提供所需的电源电压。集成运放中的偏置电路除了有偏置的电路外，还包括诸如差动放大电路的发射极恒流源、共射放大器的有源负载以及电平移动电路的有源负载和标准恒流源等。13 集成运放的主要参数和分类 在设计运放电路时，必须熟悉实际集成运放的特性参数。正确理解和运用其特性参数，是正确评价和选择集成运放、设计、计算、实验调试运放电路所必须的。集成运放的参数名目很多，各生产单位所给出的参数种类也可能有所不同，但其中都包括了一些最基本的参数。下面仅就这些基本参数做一介绍，其中包括直流特性参数与交流特性参数。 1，31 集成运放的主要直流参数 1输入失调电压Uos 为了使集成运放在零输人时达到零输出，需在其输入端加一个直流补偿电压，这个直流补偿电压的大小即为输入失调电压，两者的方向相反。输人失调电压一般是mV数量级。采用双极型三极管作为输入级的运放，其Um约为110mV；采用场效应管作为输入级的集成运放，其Um大得多；而对于高精度、低漂移型的集成运放，其yo的值一般很小。 2，输入失调电压的温度系数 Uos T 在一确定的温度变化范围内，失调电压的变化与温度变化的比值定义为输入失调电压的温度系数。一般集成运放输入失调电压的温度系数约为10一20uV；而高精度、低漂移集成运放的温度系数在luV以下。 3，输入偏置电流Iib 当集成运放的输入电压为零，输出电压也为零时，其两个输入端偏置电流的平均值定义为输人偏置电流。两个输入端的偏置电流分别记为Iib-，Iib+，而Iib表示为 132 集成运放的主要交流参数 1开环带宽Dw 集成运放的开环电压增益下降3dB(或直流增益的0707倍)时所对应的信号频率称为开环带宽。 2单位增益带宽Gw 它是指集成运放在闭环增益为l倍状态下，当用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至0707倍时的频率。当集成运故的频率特性具有单极点响应时，其单位增益带宽可表示为 (139)式中，A：4d是当信号频率为广时集成运放的实际差模开环电压增益值。 当集成运放具有多极点的频率响应时，其单位增益带宽与开环带宽没有直接关系，此时采用增益带宽乘积参数表示。集成运放闭环工作时的频率响应主要决定于单位增益带宽。还应注意的是，这两个频率参数均指集成运放小信号工作时的频率特性。此时的小信号输出范围约为100200mV。当集成运放处在大信号工作时，其输入级将工作于非线性区，这时集成运放的频率特性将会发生明显变化。下面三个参数均用来描述集成运放大信号工作的频率特性。3转换速率或电压摆宰)Sr 在额定的负载条件下，当输入阶跃大信号时，集成运放输出电压的最大变化率称为转换速率。图l。3l是转换速度的定义。 通常，集成运放手册中所给出的转换速率均指闭环增益为1倍时的值。实际上，在转换期内，集成运放的输入级是处于开关工作状态，所以集成运放的反馈回路不起作用，也即集成运放的转换速率与其闭环增益无关。一般在集成运放反相和同相应用时的转换速率是不一样的，其输出波形的前沿和后沿的转换速率也不相同。普通集成运放的转换速率约为1V如以下，而高速集成运放的转换速率应大于10V/so 4全功率带宽BWp 在额定负载条件下，集成运放闭环增益为l倍时，当输入正弦大信号后，使集成运放输出电压幅度达到最大(在一定的失真条件下)的信号频率，即为功率带宽。此频率将受到集成运放转换速率的限制。一般可用下述的近似公式估计Sr与BWp之间的关系：6，等效输入噪声电压 屏蔽良好的、无信号输入的集成运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压，称为电路的输出噪声电压。此噪声电压换算到输入端时就称为输入噪声电压(有时也用噪声电流表示)。普通集成运放的输入噪声电压的有效值约为1020uV。7差模输入阻抗Zid 差模输入阻抗有时也称为输入阻抗，是指集成运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入电流变化量之比。输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻Rid。一般集成运放的参数表中给出的数据均指输入电阻。双极型晶体管的集成运放其输入电阻一般在几十干欧至几兆欧的范围内变化；场效应管的集成运放其输入电阻通常大于109欧，一般在1012欧1014欧之间。 8共模输入阻抗Zic 当集成运放工作在共模信号时，共模输入电压的变化量与对应的输入电流的变化量之比，称为共模输入阻抗。在低频情况下，它表现为共模输入电阻Ric” 通常，集成运放的共模输入电阻比差模输入电阻要高得多，其值在108欧以上。 9输出阻抗Zo 当集成运放工作于线性区时，在其输出端加信号电压后，此电压变化量与对应的电流变化量之比，称为输出阻抗。在低频时，它即为集成运放的输出电阻。上述几个参数均对应于集成运放开环工作的条件。24 集成仪器放大器 在工业测量、医疗仪器和各种传感器数据探测等应用中，信号是由传感器对各种物理量(如：温度、压力、流量、血流、宽度等)进行相应变换得到的。这些换能器产生的电信号往往很微弱。而且其个包含有共模电压以及各种共模干扰等。对这种弱信号进行放大。就要求放大器必须具有极强的共模抑制能力，必须具有高电压增益、低噪声、高输入阻抗，而且要求这类集成放大器的输入部分和输出部分是绝缘的，这时必须采用仪器放大器才能达到实用要求c本节主要介绍集成仪器放大器的工作原理、特性及其应用等。241 集成仪器放大器的工作原理 1基本仪器放大粤电路 仪器放大器是在差动放大器的基础上发展起来的一种比较完善的放大器，作为已成型的仪器放大器，其内部的基本结构是由三个运放和一些精密电阻构成的。图241所示是仪器放大器电路，其中AL、A2为同相型放大器，A3为差动型放大器，三个运放都是具有高性能的集而且要六个电阻的阻值和温度特性严格匹配，使用外部分立元件电阻是根本无法实现的。为了解决此问题，采用混合集成电路工艺，将所需的高性能集成运放和电阻等元件都集成在一个单片电路小，采用薄膜镍铬合金电阻制造工艺并使用激光微调技术，使相应电阻的阻值和特性达到极高的精度和极高的温度稳定性。这种集成电路就是集成测量放大器或集成仪器放大器。 综上所述，仪器放大器是采用混合集成工艺的具有高增益、高增益精度、高共模抑制比、高输入电阻、低噪声、高线性度的集成放大器。集成仪器放大器主要应用于信号放大(如对各种传感器信号的放大)、遥控换能器放大器、低电平信号调节器、医用设备和仪器仪表等许多领域。第3章 模拟集成电路的非线性应用 本章主要介绍模拟集成电路的非线性应用，这类模拟集成电路的输出与输入之间呈非线性关系。内容包括：对数器总数器、乘法器、检波器、m幅器、函数变换器、电压比较器及其应用电路*电压比较器所使用的集成运放工作在运放的非线性区(即饱和区)。指数器、对数器、乘法器、检波器、限幅器、函数变换器等所使用的集成运放工作在线性区，集成运放本身是线性放大器，输出与输入之间要实现非线性关系，必须b4F线性元件构成运放电路。非线性元件一般采用二极管、三极管、场效应管等元件构成，利用了州结电压与电流的非线性关系。另外，利用二极管的开关作用bJ以实现各种函数的逼近。 本章介绍的模拟集成电路的非线性应用电路，与无源非线性电路相比，具有良好的变换特性，旦具有一定的增益和较强的负载能力。31 对数器和指数器 对数器和指数器是模拟集成电路中应用比较广泛的电路之一。对数器和指数器可以完成对数和指数运算，可以作为对数函数发生器和指数函数发生器，可以进行乘法和除法运算，可以进行平方和开方运算，还可以对信号进行对数压缩，如将线性坐标转化为对数坐标，线性扫频转化为对数扫频等。本节主要介绍对数器和指数器。311 对数器对数器是实现输出电压与输人电压成对数关系帜b线性模拟器件。33 二极管检波器和绝对值变换器 二极管的单向导电性广泛应用于整流、检波、限幅和密位等电路中。但因它有一定的正向导通电压vo、非线性特性以及温度的毖响等，限制了电路的灵敏度并引起电路非线性失真，特别是对低电平信号，非线性失真表现得更为突出。若将二极管按一定方式接到放大器反馈环路中，则上述特性可以大大改善，最方便的是与集成运放联用能获得良好的效果。本节主要介绍二极管检波器、绝对值变换器和有效值检波器电路。 331 二报管检波器 1理想二极瞥检波器 图331所示是理想二极管检波电路，此电路主要有集成运放和二极管组成。理想二极管检波电路的工作原理。36 电压比较器及其应用比较器的基本功能是实现两个模拟电压之间的电平比较，它是根据输出逻辑电乎的高低来绘出判断结果的一种电路。通常这两个电压中的一个是待比较的模拟信号，另一个是门限电压或参考电压。它的输出是比较结果的数字信号，即高低电乎。所以电压比较器是一种模拟信号和数字信号之间的接口电路。