模拟电路网络课件 第二十九节:专用型集成电路运算放大器
模拟电路网络课件 第二十九节:专用型集成电路运算放大器
6.5 专用型集成电路运算放大器
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rid>(109~1012)w，输入偏置电流iib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。
图1 lf356型运放的简化原理电路
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i1,2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io实线所示）大于20ma时，t11导通而分流ic11，使t7的基极电流ib7减小，ie9减小，抑制了输出电流的增大。同样，当“灌电流”（流入输出端，如io虚线所示）大于20ma时，d2导通，t8的栅极电位vg8上升，t10的基极电位vb10降低，ic10减小，抑制了输出电流的增大。
p沟道jeft t3、t4和外接电位器rp构成两个电流源，rp可调节t3、t4两管漏极电流的相对比例，从而改变送入中间电压放大级的输入电流，实现失调电流的补偿。电容c为电路内部的密勒补偿电容，以增大运放的单位增益带宽bwg（ft）。 lf356各级的偏置电流都较大，使放大电路对电容的充电电流较大，因此sr和ft都较大，电路的总电流和功耗较大。其主要参数见上节运算放大器参数表。与lf356性能类似的有lf355、lf347（四运放）。更高输入电阻的还有全mos-fet的ca3130。更小偏置电流的有ad515、lf0052等。
由fet作输入级，不仅输入电阻高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但失调电压较大。
目前高输入阻抗型运放广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器和模数、数模转换器等。
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dvio/dt<2mv/℃、diio/dt<200pa/℃、avo≥120db、kcmr≥110db，vn（噪声电压）30v/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽bwg>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sr<100 v/ms，bwg=65mhz，而ad9618的sr高达1800v/ms，bwg=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avo=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pc<0.6mw，vcc=（±3~±18）v，avo=110db。目前产品功耗已达微瓦级，如icl7600的vcc（vee）为1.5v，pc=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：vcc＝vee＝（48~80）v，vomax=74v，avo=（160~200）db，vio≤6mv，vid=37v，而d41型的电源电压可达到±150v，vicmax=±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。上节表1列举了典型集成运放的主要参数。
本 章 小 结
集成电路运算放大器是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级放大电路。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差分式放大电路作输入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电路常用作输出级；电流源电路构成偏置电路。
电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。它常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级q点的偏置电路。
差分式放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能力。由于电路输入、输出方式的不同组合，共有四种典型电路。分析这些电路时，要着重分析两边电路输入信号分量的不同，至于具体指标的计算与共射(或共源)的单级电路基本一致。
集成运放是模拟集成电路的典型组件。对于它内部电路的分析和工作原理只要求作定性的了解，目的在于掌握它的主要技术指标，作到根据电路系统的要求，正确地选择元器件。
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详解STM32时钟体系结构分析
南宁：与瑞声科技合作建设微机电半导体封装及升学项目
电源滤波器的功能及工作原理
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详细介绍下工业以太网中的集线器、交换机及路由器这三种网络元件
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英特尔收购网络芯片初创公司 加强网络芯片技术创新
多架跟踪面密度测量仪的工作原理是什么
如何使用Cortex-M MPU来提高嵌入式设备的安全性
中国移动以基石投资者身份参与小米IPO
探索GAN的景观，并讨论常见的陷阱和可重复性等问题
直线马达激光打标助力无标签风潮
工业排污口多参数浮标水质在线监测
立柱式智慧城市网络对讲求助终端SV-6002T-P
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嵌入式编程中的高低位交换如何实现？
发布华为计算视觉研究计划，进一步开展AI的研究、开发和部署
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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rid>(109~1012)w，输入偏置电流iib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。
图1 lf356型运放的简化原理电路
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i1,2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io实线所示）大于20ma时，t11导通而分流ic11，使t7的基极电流ib7减小，ie9减小，抑制了输出电流的增大。同样，当“灌电流”（流入输出端，如io虚线所示）大于20ma时，d2导通，t8的栅极电位vg8上升，t10的基极电位vb10降低，ic10减小，抑制了输出电流的增大。
p沟道jeft t3、t4和外接电位器rp构成两个电流源，rp可调节t3、t4两管漏极电流的相对比例，从而改变送入中间电压放大级的输入电流，实现失调电流的补偿。电容c为电路内部的密勒补偿电容，以增大运放的单位增益带宽bwg（ft）。 lf356各级的偏置电流都较大，使放大电路对电容的充电电流较大，因此sr和ft都较大，电路的总电流和功耗较大。其主要参数见上节运算放大器参数表。与lf356性能类似的有lf355、lf347（四运放）。更高输入电阻的还有全mos-fet的ca3130。更小偏置电流的有ad515、lf0052等。
由fet作输入级，不仅输入电阻高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但失调电压较大。
目前高输入阻抗型运放广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器、对数和反对数放大器和模数、数模转换器等。
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dvio/dt<2mv/℃、diio/dt<200pa/℃、avo≥120db、kcmr≥110db，vn（噪声电压）30v/ms，最高可达几百伏/微秒，单位增益带宽bwg>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sr<100 v/ms，bwg=65mhz，而ad9618的sr高达1800v/ms，bwg=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avo=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pc<0.6mw，vcc=（±3~±18）v，avo=110db。目前产品功耗已达微瓦级，如icl7600的vcc（vee）为1.5v，pc=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
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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。上节表1列举了典型集成运放的主要参数。
本 章 小 结
集成电路运算放大器是用集成工艺制成的、具有高增益的直接耦合多级放大电路。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差分式放大电路作输入级；中间为电压增益级；互补对称电压跟随电路常用作输出级；电流源电路构成偏置电路。
电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。它常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级q点的偏置电路。
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