五章集成运算放大器.docVIP

PAGE 1 PAGE 34 第五章集成运算放大器 集成电路按其功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。本章主要介绍模拟集成电路中应用最广泛的集成运算放大器（简称集成运放或运放）。 运算放大器是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 由于最初是用于数学的运算，所以称为运算放大器。 现在，运算放大器的用途早已不限于运算，但我们仍沿用此名称。随着性能的改善，集成运放的应用范围也不断扩大，早已超出数学运算的范围，深入到自动控制、自动测量、计算技术和无线电技术等几乎所有的电子技术领域。 集成运放是在早期的分立元件的基础上发展起来的，随着半导体技术的发展，把管子、电阻、电容及连线制作在同一硅片上，形成一个不可分割的固体组件，因此，它的体积小、重量轻、接线短、可靠性高。 目前，在面积仅为 0．5 mm2的硅片上，可集成几百万个管子等，线间距离仅为几个微米，集成度达到惊人的地步。 现在，集成运放的放大倍数可高达107倍（140dB），集成运放工作在放大区时，输入与输出呈线性关系，所以又称线性集成电路。 线性集成电路按其特点可分为运算放大电路、集成稳压电路、集成功率放大电路以及其它种类的集成电路。也可将几个集成电路和一些元件组合成具有一定功能的功能模块电路。 由于集成工艺的特点，集成运算放大电路和分立元件组成的具有同样功能的电路相比，具有如下特点： （l）由于集成工艺不能制作大容量的电容，所以电路中各级间的耦合均采用直接耦合方式。 （2）为提高集成度（指在单位硅片面积上所集成的元件数）和集成电路性能，一般集成电路的功耗要小，所以集成运放各级的偏置电流通常较小。 （3）集成运放中的电阻元件，是利用硅半导体材料的体电阻制成的，所以集成电路中的电阻阻值范围有一定限制，一般在几十欧姆到几十千欧姆，太高太低都不易制造。 （4）在集成电路中，制造有源器件（三极管、场效应管等）比制造大电阻占用的面积小，且工艺上也不会增加麻烦，因此集成电路中大量使用有源器件代替无源元件（电阻、电容等）。 而且二极管也常用集电极与基极短接的三极管代替，其温度特性与三极管的温度特性基本相同，作为补偿元件时，对三极管有较好的温度补偿作用。 （5）由于集成电路中所有元件同处在一块硅片上，相互距离非常近，且在同一工艺条件下制造，因此，尽管各元件参数的绝对精度差，但它们的相对精度好，故对称性能好，特别适宜制作对称性要求高的电路，如差动电路、镜像电流源等。 （6）集成运算放大电路中，采用复合管的接法以改进单管性能。 （7）现在，集成电路中尚不能制作几十微微法以上的大电容，小电容一般用PN结代替。同时，也不能制作电感。 下图是典型集成运放的原理框图，它由四个主要环节组成。 输入级的作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端，对其要求是温度漂移要尽可能地小。 中间级主要是完成电压放大任务。 输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大（主要是放大电流）。 偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流。除此之外还有一些辅助环节，如电平偏移电路是调节各级工作电压的，且当输入端信号为零时，要求输出对地也为零。短路保护（过流保护）电路是防止输出端短路时损坏内部管子的，等等。 第一节 零点漂移 运算放大器均是采用直接耦合方式，我们在第二章对直接耦合方式的特点及问题作了介绍，这里主要讨论直接耦合放大电路的零点漂移问题。 由于直接耦合使得各级Q点互相影响，如前级Q点发生变化，则会影响到后面各级的Q点。由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经多级放大器的放大，使输出端产生很大的变化。 最常见的是由于环境温度的变化而引起工作点漂移，称为温漂，它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。 当输入短路时，输出将随时间缓慢变化，如图所示。 这种输入电压为零，输出电压偏离零值的变化称为“零点漂移”，简称“零漂”。 这种输出显然不反映输入信号的输出，造成假象，将会造成测量误差，或使自动控制系统发生错误动作，严重时，将会淹没真正的信号。 零漂不能以输出电压的大小来衡量。因为放大电路的放大倍数越高，输出漂移必然愈大，与此同时对输入信号也愈大，所以零漂一般将输出漂移电压折合到输入端来衡量。 （即把输出端的漂移电压除以放大器的电压放大倍数） 例如两个放大电路A、B，输出端的零漂均为1V，但A放大电路的放大倍数为1000， B放大电路的放大倍数为200，而折合到输入端的零漂电压： A为1V／1000＝1mV； B为1V／200＝5mV， 显然 A放大电路的零漂小于 B放大电路。也可这样讲：A放大电路输入信号只要大于1 mV，则输出信号就大于零漂；而B需要输入信号大于 5 mV，输出信号才大于零漂。 产生零漂的原因，主要是因为晶体三极管的参数受温度的影响，在第二章已讲过。 为了解决零漂，人们采取了多种措施。但