发布时间 : 星期日 文章运算放大器原理及应用更新完毕开始阅读c80c9e7e27284b73f242502c
集成运算放大器
将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。按照集成度（ 每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI) ，中规模集成电路(简称MSI), 大规模集成电路(简称LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。
运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。
集成运放的应用是重点要掌握的内容，此外，本章也介绍集成运放的主要技术指标，性能特点与选择方法。
一、 集成运算放大器简介
1. 集成运放的结构与符号
1. 结构
集成运放一般由4部分组成，结构如图1所示。
.vPvO.输入级vN中间级输出级.偏置电路.图1 集成运放结构方框图
其中：
输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。
中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。
输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。 偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。 2. 特点：
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1 硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。 ○
2 运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。○ 3 电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个 ○
4 用有源元件代替大阻值的电阻 ○
5 常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好 ○
3. 集成运放的符号
从运放的结构可知，运放具有两个输入端vP和vN和一个输出端vO，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端输入，则输出端输出正的输出电压，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。运算放大器的常用符号如图2所示。
.+VCCvPvN-VCCa)b)c)..vPvNvOvPvN+_∞+图2 运算放大器常用符号
其中图2a是集成运放的国际流行符号，图2b是集成运放的国标符号，而图2c是具有电源引脚的集成运放国际流行符号。图3是目前EDA软件中使用的集成运放的图形符号。
.U1A213LM324.47114△vOvO.U326351LM741.7U22638147U426381OP27A.OP07图3 EDA软件中使用的集成运放的符号
从集成运放的符号看，可以把它看作是一个双端输入、单端输出、具有高差模放大倍数的、高输入电阻、低输出电阻、具有抑制温度漂移能力的放大电路。
2. 集成运放的主要技术指标
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集成运放的主要技术指标，大体上可以分为输入误差特性、开环差模特性、共模特性、输出瞬态特性和电源特性。 1. 输入误差特性
输入误差特性参数用来表示集成运放的失调特性，描述这类特性的主要是以下几个参数： （1）输入失调电压VOS
对于理想运放，当输入电压为零时，输出也应为零。实际上，由于差动输入级很难作到完全对称，零输入时，输出并不为零。在室温及标准电压下，输入为零时，为了使输出电压为零，输入端所加的补偿电压称为输入失调电压VOS。VOS大小反映了运放的对称程度。VOS越大，说明对称程度越差。一般VOS的值为1?V?20mV，F007的VOS为1?5mV。
dV（2）输入失调电压的温漂OS
dTdVOS是指在指定的温度范围内，VOS随温度的平均变化率，是衡量温漂的重要指标。dTdVOSdV不能通过外接调零装置进行补偿，对于低漂移运放，OS<1?V/?C，普通运放为dTdT(10?20)?V/?C。
（3）输入偏置电流IB
输入偏置电流是衡量差动管输入电流绝对值大小的标志，指运放零输入时，两个输入端静态电流IB1、IB2的平均值，即
1IB=(IB1+IB2)
2差动输入级集电极电流一定时，输入偏置电流反映了差动管?值的大小。IB越小，表明运放的输入阻抗越高。IB太大，不仅在不同信号源内阻时，对静态工作点有较大的影响，而且也影响温漂和运算精度。
（4）输入失调电流IOS
零输入时，两输入偏置电流IB1、IB2之差称为输入失调电流IOS，即IOS=|IB1?IB2|，IOS反映了输入级差动管输入电流的对称性，一般希望IOS越小越好。普通运放的IOS约为1nA?0.1?A，F007的IOS约为50?100nA。
dI（5）输入失调电流温漂OS
dTdI输入失调电流温漂OS指在规定的温度范围内，IOS的温度系数，是对放大器电流温漂
dT的量度。它同样不能用外接调零装置进行补偿。典型值为几个nA/?C。 2. 开环差模特性参数
开环差模特性参数用来表示集成运放在差模输入作用下的传输特性。描述这类特性的参数有开环电压增益、最大差模输入电压、差模输入阻抗、开环频率相应及其3dB带宽。
（1）开环差模电压增益Aod
开环差模电压增益Aod指在无外加反馈情况下的直流差模增益，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示，即，
?VoAod=20lg
??Vi1?Vi2?不同功能的运放，Aod相差悬殊，F007的Aod为100?106dB，高质量的运放可达140dB。
（2）最大差模输入电压Vidmax
Vidmax指集成运放反相和同相输入端所能承受的最大电压值，超过这个值输入级差动
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管中的管子将会出现反相击穿，甚至损坏。利用平面工艺制成的硅NPN管的Vidmax为?5V左右，而横向PNP管的Vidmax可达?30V以上。 （3）3dB带宽
输入正弦小信号时，Aod是频率的函数，随着频率的增加，Aod下降。当Aod下降3dB时所对应的信号频率称为3dB带宽。一般运放的3dB带宽为几Hz?几kHz，宽带运放可达到几MHz。
（4）差模输入电阻Rid
?VRid=id，是衡量差动管向输入信号源索取电流大小的标志，F007的Rid约为2M?，用
?Ii场效应管作差动输入级的运放，Rid可达106M?。
3. 共模特性参数
共模特性参数用来表示集成运放在共模信号作用下的传输特性，这类参数有共模抑制比、共模输入电压等。
（1）共模抑制比KCMRR
共模抑制比的定义与差动电路中介绍的相同，F007的KCMRR为80?86dB，高质量的可达180dB。
（2）最大共模输入电压Vicmax
Vicmax指运放所能承受的最大共模输入电压，共模电压超过一定值时，将会使输入级工作不正常，因此要加以限制。F007的Vicmax为?13V。 4. 输出瞬态特性参数
输出瞬态特性参数用来表示集成运放输出信号的瞬态特性，描述这类特性的参数主要是转换速率。
dv转换速率SR?o是指运放在闭环状态下，输入为大信号(如阶跃信号)时，放大器输
dtmax出电压对时间的最大变化速率。转换速率的大小与很多因素有关，其中主要与运放所加的补偿电容、运放本身各级三极管的极间电容、杂散电容，以及放大器的充电电流等因素有关。只有信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出才能按照线性的规律变化。
SR是在大信号和高频工作时的一项重要指标，一般运放的SR在1V/?s，高速运放可达到65V/?s。
5.电源特性参数
电源特性参数主要有静态功耗等。静态功耗指运放零输入情况下的功耗。F007的静态功耗为120mW。
3. 运算放大器的种类
1. 按制作工艺分类
按照制造工艺，集成运放分为双极型、COMS型和BiFET型三种，其中双极型运放功能强、种类多，但是功耗大；CMOS运放输入阻抗高、功耗小，可以在低电源电压下工作；BiFET是双极型和CMOS型的混合产品，具有双极型和CMOS运放的优点。 2. 按照工作原理分类 （1）电压放大型
输入是电压，输出回路等效成由输入电压控制的电压源，F007，LM324和MC14573属