第三章 集成运算放大电路.doc

第三章 集成运算放大电路 内容提要：本章首先介绍集成运算放大器的特点、基本结构和主要参数，然后讲述理想运算放大器的分析方法，在此基础上介绍运算放大器的在信号运算、信号处理和信号测量方面的应用，最后介绍运算放大器使用时应注意的问题。 前两章讲的是将独立的晶体管、二极管、电阻、电容等用导线连接成的电路，这种电路称为分立元件电路。如果将晶体管、二极管、电阻、小电容等元件及导线全部集中制造在同一小块半导体基片上，成为一个完整的固定电路，这种电路统称为集成电路。 近年来，集成电路正在逐渐取代分立元件电路。它与分立元件电路比较，体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性更高、灵活性更好、价格较便宜。所以集成电路的问世，是电子技术的一个新的飞跃。 就集成度而言，集成电路有小规模、中规模、大规模和超大规模之分。目前的超大规模集成电路，在面积只有一平方厘米的芯片上制有上亿个元件。 集成电路常有三种外型，即双列直插式、扁平式和圆壳式，如图3.3.1所示。就导电类型分：有双极型（晶体管）、单极型（场效应管）和两者兼容的。就功能而言：有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成数模和模数转换器等许多种。本章所讲的主要是集成运算放大器，对集成功率放大器只做简单阐述。而其它集成器件将在后面各章中分别介绍。 3.1 集成运算放大电路简介 在各种模拟集成电路中，集成运算放大器是应用最为广泛的器件。集成运算放大器简称为集成运放，它实质上是一个具有高开环放大倍数多级直接耦合的放大电路。由于早期的运算放大器主要用于各种数学运算（如加法、减法、乘法、除法、积分、微分、对数、反对数等）故至今仍保留这个名称。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，应用领域不断扩大，已远远超过了数学运算领域。在控制、测量、仪表等诸多领域中，集成运放都发挥着重要作用。可以毫不夸张地说，集成运放已成为当前模拟电子技术领域的核心器件。 一、集成运算放大器的特点 1．在集成电路工艺中还难于制造电感元件：制造容量大于200pF的电容也比较困难，而且性能很不稳定，所以集成电路中要尽量避免使用电容器。而运算放大器各级之间都采用直接耦合，基本上不采用电容元件，必须使用电容器的场合，也大多采用外接的办法。 2．运算放大器的输入级都采用差动放大电路，它要求两管的性能都相同。而集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，容易获得特性一致，因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。 3．集成电路中，比较适合的阻值大致为100Ω～30KΩ。制作高阻值的电阻成本高，占用面积大，且阻值偏差大（10～20%）。因此，在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。必须用直流高阻值电阻时，也采用外接方式。 4．集成电路中的二极管都采用晶体管构成 ，把发射级、基级、集电极三者适当组配使用。 综上所述，集成电路的内部电路设计与分立元件电路设计是有区别的。 二、运算放大器的基本电路构成 作为一种高增益、低漂移的放大器，集成放大器由多级放大电路组成。其基本放大电路由四部分组成（见图3.1.2）：输入级、偏置电路、中间级、输出级。其中 输入级：是决定集成运算放大器性能关键的一级，要求它的零点漂移小，输入电阻高，所以都采用差动放大电路。 偏置电路：对各级提供偏置电压，使各级具有适当的静态工作点。 中间级：是将输入级输出的信号电压加以放大，一般是由共发射极放大电路构成。 输出级：输出级直接与负载相连，所以这一级要求有足够的电压放大幅度及输出功率，满足负载的需要。同时要求输出电阻小，带负载能力强。一般由互补对称电路或射极输出器组成。 在应用集成运算放大器时，它的内部电路结构如何一般无关紧要，熟悉其符号和知道它的管脚用途以及主要参数才是至关重要的。图3.1.3所示为μA741集成运算放大器的电路符号和管脚图。 它是八脚双列直插式组件，8个管脚的用途是： 输入和输出端：μA741的管脚2和3为差动输入级的两个输入端，管脚6为功放级的输出端，管脚2为反相输入端，输入信号由此端与参考端接入时，6端的输出信号与输入信号反相（或极性相反）。管脚3为同相输入端，输入信号由此端与参考端接入时，6端的输出信号与输入信号同相（或极性相同）。 电源端：管脚7和4为外接电源端，为集成运算放大器提供直流电源。集成运算放大器通常采用双电源供电方式， 4脚接负电源组的负极，7脚接正电源组的正极，使用时不能接错。 调零端：管脚1和5为外接调零补偿电位器端。集成运算放大器的输入级虽然为差动电路，但电路参数和晶体管特性不可能完全对称，因而当输入信号为零时，输出一般不为零。调节电位器RP，可使输入信号为零时，输出信号也为零。 三、集成运算放大器的分类 集成运放根据其用途特点可分为通用型运放和专用型运