第六章 集成电路运算放大器

1．关于“集成运放中的电流源的特点及种类”

电流源的特点是输出电流恒定，直流等效电阻小，交流等效电阻大。

电流源的种类一般有镜象电流源、微电流源电路、多路电流源等。

镜象电流源：当R和V_CC确定后，基准电流I_REF也就确定了，I_C2也随之而定。由于Ic2≈I_REF, 我们把I_REF看作是I_C2的镜象，所以 这种电流源称为镜象电流源。

微电流源：镜象电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合，若需要减小I_C2的值（例如微安级），可采用微电流源电路。

多路电流源：

在模拟集成电路中，经常用到多路电流源。其目的是用一个电流源对多个负载进行偏置。典型的多路电流源如图所示。

图中，T₁、T₂、T₃的基极是并联在一起的。电路用一个基准电流I_REF获得了多个电流。

2.关于“零点漂移的原理及其抑制方法 ”

（1）零点漂移

如果将直接耦合放大电路的输入端短路，其输出端应有一固定的直流电压，即静态输出电压。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。零漂实际上就是静态工作点的漂移。

对于差分电路，当输入端信号为0（短路）时，输出应为0。但实际上输出电压将随着时间的推移，偏离0电位。这种现象称为零点漂移。

（2）零漂产生的主要原因

a)温度的变化。温度的变化最终都将导致BJT的集电极电流I_C的变化，从而使静态工作点发生变化，使输出产生漂移。因此，零漂有时也称为温漂。

b)电源电压波动。电源电压的波动，也将引起静态工作点的波动，而产生零点漂移。

无论是温度变化还是电源波动，都会对两管产生相同的作用，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。因此，当共模信号作用于电路时，必须分析电路的零漂情况。

（3）差动放大电路对零漂的抑制

a) 双端输出时----®靠电路的对称性和恒流源偏置抑制零漂。

温度变化 ®两管集电极电流以及相应的集电极电压发生相同的变化 ®在电路完全对称的情况下，双端输出（两集电极间）的电压可以始终保持为零（或静态值） ®抑制了零点漂移

b）单端输出时

由于电路中R_e的存在，将对电路产生如下影响：

由于Re的存在，使Ic得到了稳定，所以在双端输出的情况下，两管的输出会稳定在0（静态）值。抑制了零点漂移。Re越大，抑制零漂的作用越强。

即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。 但由于R_e上流过两倍的集电极变化电流，其稳定能力比射极偏置电路更强。

3.关于“共模抑制比的讨论”

共摸抑制比的定义

共摸抑制比定义为差模增益与共模增益之比，即

或 （dB）

电路的共摸抑制比K_CMR显示电路对零漂的抑制能力的大小。 因此希望K_CMR越大越好。

双端输出时，电路完全对称的理想情况下，由于共模增益A_oc = 0 ，所以

K_CMR = ¥。

单端输出时，

4.关于“差分式放大电路几种接法的性能指标比较”

差分式放大电路几种接法的性能指标比较

5．关于“专用型集成电路运算放大器”简介

目前，实用的集成电路运算放大器除了通用型外，还有性能更优良和具有特殊功能的集成运放，它们可分为高输入阻抗、低漂移、高精度、高速、宽带、低功耗、高压、大功率和程控型等专用型集成运放，现简要介绍如下：

1．高输入阻抗型

该类型集成运放的差模输入电阻r_id>(10⁹~10¹²)W，输入偏置电流I_IB为几皮安~几十皮安，故又称为低输入偏置电流型。

实现这些指标的主要措施，一般是利用FET输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，由BJT与FET相结合而构成差分输入级电路，常称为BiFET型。下面以LF356集成运放为例进行分析。为了便于分析，将LF356电路中的恒定电流都用恒流源代替，得到简化的原理电路如图1所示。

值得指出的是，图1中全部电流源画成理想的，即r_电流源= ，而实际上电流源的内阻为有限值。

LF356是由P沟道JFET T₁和T₂构成双端输入、双端输出带恒流源负载（I₁、I₂）的差分输入级，本级提供了约30pA的低输入偏置电流和约10¹²W的高输入电阻，T₁、T₂的工作电流I_1,2是由多集电极的BJT管提供（图中略）；中间电压放大级由BJT T₅、T₆组成的双端输入、单端输出带恒流源（I₆）负载的差分式放大电路，和由T₇组成的电压跟随器构成；由NPN型BJT T₉和PNP型复合管（由P沟道JFET T₈与NPN型BJT T₁₀构成）组成互补对称输出级。为了使电路处于甲乙类工作状态，利用二极管D₁接于T₉的基极和T₈的栅极g₈之间，给T₉、T₈提供一起始偏压。

T₁₁、R和D₂构成输出电流过载保护环节。R为过载电流取样电阻。当输出端“拉电流”（流向输出端，如i_O实线所示）大于20mA时，T₁₁导通而分流i_C11，使T₇的基极电流i_B7减小，i_E9减小，抑制了输出电流的增大。同样，当“灌电流”（流入输出端，如i_O虚线所示）大于20mA时，D₂导通，T₈的栅极电位v_g8上升，T₁₀的基极电位v_B10降低，i_C10减小，抑制了输出电流的增大。

2．高精度、低漂移型

这种类型的运放，一般用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电源及自动控制仪表中。要求DV_IO/DT<2mV/℃、DI_IO/DT<200pA/℃、A_VO≥120dB、K_CMR≥110dB，v_n（噪声电压）<5nV/ 。通常实现这些功能的措施是，在电路结构上除采用超b BJT管和低噪声差分式输入级外，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻，或在电路中加入自动控温电路以减小温漂。此外，近年来利用调制型的自动稳零放大器，获得了更低的温度系数（0.1mV/℃）。目前产品有AD508、OP-27（DV_IO/DT=0.2mV/℃）及由MOSFET组成的斩波稳零型的超低漂移器件，如ICL7650（DV_IO/DT=0.01mV/℃），但它的输出电阻较大，所以负载电阻不宜太小。

3．高速型

对这种类型的运放，要求转换速率S_R>30V/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽BW_G>10MHz。一般用于快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。实现高速的主要措施是，在信号通道中尽量采用NPN型管，以提高转换速率；同时加大工作电流，以使电路中各种电容的电压变化加快；或在 电路结构上采用FET和BJT相兼容的BiFET，或用全MOSFET结构，使电路的输入动态范围加大，因而电路转换速率也增加。目前产品有mA715、LH0032和AD9618等，其中mA715的S_R<100 V/ms，BW_G=65MHz，而AD9618的S_R高达1800V/ms，BW_G=8 GHz。

4．低功耗型

对于这种类型的运放，要求在电源电压±15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压（如1.5~4V）时，具有低的静态功耗和保持良好的电气性能（如A_VO=80~100dB）。为此，在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻，以保证降低静态偏置电流和总功耗，使电路处于最佳工作状态，以获得良好的电气性能。目前产品有mPC253、ICL7641及CA3078等，其中mPC253的P_C<0.6mW，V_CC=（±3~±18）V，A_VO=110dB。目前产品功耗已达微瓦级，如ICL7600的V_CC（V_EE）为1.5V，P_C=10mW。

低功耗型运放一般用于对能源有严格限制遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中。

5．高压型

为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决BJT的耐压、动态工作范围等问题。为此在电路结构上利用BJT的cb结和横向BJT（PNP型）的耐高压性能，或用单管的串接方式来提高耐压，或用FET作为输入级，耐压指标可提高到300V左右。此外，为使运放工作在高电压和大电流（或大功率）的情况下，电路中加入一些特殊保护电路。目前产品有D41、LM143及HA2645等，其中HA2645的参数是：V_CC＝V_EE＝（48~80）V，V_omax=74V，A_VO=（160~200）dB，V_IO≤6mV，V_id=37V，而D41型的电源电压可达到±150V，V_icmax=±125V。

除了以上几种专用型集成运放外，还有互导型LM308，程控型LM4250、mA776，电流型LM1900及仪用放大器LH0036、AD522等。表0640001 XX_01列举了典型集成运放的主要参数。