模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第二十九節(jié):專用型集成電路運(yùn)算放大器

6.5 專用型集成電路運(yùn)算放大器

目前，實(shí)用的集成電路運(yùn)算放大器除了通用型外，還有性能更優(yōu)良和具有特殊功能的集成運(yùn)放，它們可分為高輸入阻抗、低漂移、高精度、高速、寬帶、低功耗、高壓、大功率和程控型等專用型集成運(yùn)放，現(xiàn)簡要介紹如下：

1．高輸入阻抗型

該類型集成運(yùn)放的差模輸入電阻rid>(109~1012)W，輸入偏置電流IIB為幾皮安~幾十皮安，故又稱為低輸入偏置電流型。

實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施，一般是利用FET輸入阻抗高、BJT電壓增益高的優(yōu)點(diǎn)，由BJT與FET相結(jié)合而構(gòu)成差分輸入級電路，常稱為BiFET型。下面以LF356集成運(yùn)放為例進(jìn)行分析。為了便于分析，將LF356電路中的恒定電流都用恒流源代替，得到簡化的原理電路如圖1所示。

值得指出的是，圖1中全部電流源畫成理想的，即r電流源= ，而實(shí)際上電流源的內(nèi)阻為有限值。

LF356是由P溝道JFET T1和T2構(gòu)成雙端輸入、雙端輸出帶恒流源負(fù)載（I1、I2）的差分輸入級，本級提供了約30pA的低輸入偏置電流和約1012W的高輸入電阻，T1、T2的工作電流I1,2是由多集電極的BJT管提供（圖中略）；中間電壓放大級由BJT T5、T6組成的雙端輸入、單端輸出帶恒流源（I6）負(fù)載的差分式放大電路，和由T7組成的電壓跟隨器構(gòu)成；由NPN型BJT T9和PNP型復(fù)合管（由P溝道JFET T8與NPN型BJT T10構(gòu)成）組成互補(bǔ)對稱輸出級。為了使電路處于甲乙類工作狀態(tài)，利用二極管D1接于T9的基極和T8的柵極g8之間，給T9、T8提供一起始偏壓。

T11、R和D2構(gòu)成輸出電流過載保護(hù)環(huán)節(jié)。R為過載電流取樣電阻。當(dāng)輸出端“拉電流”（流向輸出端，如iO實(shí)線所示）大于20mA時(shí)，T11導(dǎo)通而分流iC11，使T7的基極電流iB7減小，iE9減小，抑制了輸出電流的增大。同樣，當(dāng)“灌電流”（流入輸出端，如iO虛線所示）大于20mA時(shí)，D2導(dǎo)通，T8的柵極電位vg8上升，T10的基極電位vB10降低，iC10減小，抑制了輸出電流的增大。

P溝道JEFT T3、T4和外接電位器Rp構(gòu)成兩個(gè)電流源，Rp可調(diào)節(jié)T3、T4兩管漏極電流的相對比例，從而改變送入中間電壓放大級的輸入電流，實(shí)現(xiàn)失調(diào)電流的補(bǔ)償。電容C為電路內(nèi)部的密勒補(bǔ)償電容，以增大運(yùn)放的單位增益帶寬BWG（fT）。

LF356各級的偏置電流都較大，使放大電路對電容的充電電流較大，因此SR和fT都較大，電路的總電流和功耗較大。其主要參數(shù)見上節(jié)運(yùn)算放大器參數(shù)表。與LF356性能類似的有LF355、LF347（四運(yùn)放）。更高輸入電阻的還有全MOS-FET的CA3130。更小偏置電流的有AD515、LF0052等。

由FET作輸入級，不僅輸入電阻高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但失調(diào)電壓較大。

目前高輸入阻抗型運(yùn)放廣泛用于生物醫(yī)學(xué)電信號測量的精密放大電路、有源濾波器、取樣-保持放大器、對數(shù)和反對數(shù)放大器和模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。

2．高精度、低漂移型

這種類型的運(yùn)放，一般用于毫伏量級或更低的微弱信號的精密檢測、精密模擬計(jì)算、高精度穩(wěn)壓電源及自動(dòng)控制儀表中。要求DVIO/DT<2mV/℃、DIIO/DT<200pA/℃、AVO≥120dB、KCMR≥110dB，vn（噪聲電壓）<5nV/ 。通常實(shí)現(xiàn)這些功能的措施是，在電路結(jié)構(gòu)上除采用超b BJT管和低噪聲差分式輸入級外，還采用熱匹配設(shè)計(jì)和低溫度系數(shù)的精密電阻，或在電路中加入自動(dòng)控溫電路以減小溫漂。此外，近年來利用調(diào)制型的自動(dòng)穩(wěn)零放大器，獲得了更低的溫度系數(shù)（0.1mV/℃）。目前產(chǎn)品有AD508、OP-27（DVIO/DT=0.2mV/℃）及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型的超低漂移器件，如ICL7650（DVIO/DT=0.01mV/℃），但它的輸出電阻較大，所以負(fù)載電阻不宜太小。

3．高速型

對這種類型的運(yùn)放，要求轉(zhuǎn)換速率SR>30V/ms，最高可達(dá)幾百伏/微秒，單位增益帶寬BWG>10MHz。一般用于快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速取樣-保持電路、鎖相環(huán)、精密比較器和視頻放大器中。實(shí)現(xiàn)高速的主要措施是，在信號通道中盡量采用NPN型管，以提高轉(zhuǎn)換速率；同時(shí)加大工作電流，以使電路中各種電容的電壓變化加快；或在 電路結(jié)構(gòu)上采用FET和BJT相兼容的BiFET，或用全MOSFET結(jié)構(gòu)，使電路的輸入動(dòng)態(tài)范圍加大，因而電路轉(zhuǎn)換速率也增加。目前產(chǎn)品有mA715、LH0032和AD9618等，其中mA715的SR<100 V/ms，BWG=65MHz，而AD9618的SR高達(dá)1800V/ms，BWG=8 GHz。

4．低功耗型

對于這種類型的運(yùn)放，要求在電源電壓±15V時(shí)，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低電源電壓（如1.5~4V）時(shí)，具有低的靜態(tài)功耗和保持良好的電氣性能（如AVO=80~100dB）。為此，在電路結(jié)構(gòu)上，一般采用外接偏置電阻和用有源負(fù)載代替高阻值的電阻，以保證降低靜態(tài)偏置電流和總功耗，使電路處于最佳工作狀態(tài)，以獲得良好的電氣性能。目前產(chǎn)品有mPC253、ICL7641及CA3078等，其中mPC253的PC<0.6mW，VCC=（±3~±18）V，AVO=110dB。目前產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級，如ICL7600的VCC（VEE）為1.5V，PC=10mW。

低功耗型運(yùn)放一般用于對能源有嚴(yán)格限制遙測、遙感、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究的設(shè)備中。

5．高壓型

為得到高的輸出電壓或大的輸出功率，在電路設(shè)計(jì)和制作上需要解決BJT的耐壓、動(dòng)態(tài)工作范圍等問題。為此在電路結(jié)構(gòu)上利用BJT的cb結(jié)和橫向BJT（PNP型）的耐高壓性能，或用單管的串接方式來提高耐壓，或用FET作為輸入級，耐壓指標(biāo)可提高到300V左右。此外，為使運(yùn)放工作在高電壓和大電流（或大功率）的情況下，電路中加入一些特殊保護(hù)電路。目前產(chǎn)品有D41、LM143及HA2645等，其中HA2645的參數(shù)是：VCC＝VEE＝（48~80）V，Vomax=74V，AVO=（160~200）dB，VIO≤6mV，Vid=37V，而D41型的電源電壓可達(dá)到±150V，Vicmax=±125V。

除了以上幾種專用型集成運(yùn)放外，還有互導(dǎo)型LM308，程控型LM4250、mA776，電流型LM1900及儀用放大器LH0036、AD522等。上節(jié)表1列舉了典型集成運(yùn)放的主要參數(shù)。

本 章 小 結(jié)
集成電路運(yùn)算放大器是用集成工藝制成的、具有高增益的直接耦合多級放大電路。它一般由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成。為了抑制溫漂和提高共模抑制比，常采用差分式放大電路作輸入級；中間為電壓增益級；互補(bǔ)對稱電壓跟隨電路常用作輸出級；電流源電路構(gòu)成偏置電路。

電流源電路是模擬集成電路的基本單元電路，其特點(diǎn)是直流電阻小，交流電阻很大，并具有溫度補(bǔ)償作用。它常用來作為放大電路的有源負(fù)載和決定放大電路各級Q點(diǎn)的偏置電路。

差分式放大電路是集成電路運(yùn)算放大器的重要組成單元，它既能放大直流信號，又能放大交流信號；它對差模信號具有很強(qiáng)的放大能力，而對共模信號卻具有很強(qiáng)的抑制能力。由于電路輸入、輸出方式的不同組合，共有四種典型電路。分析這些電路時(shí)，要著重分析兩邊電路輸入信號分量的不同，至于具體指標(biāo)的計(jì)算與共射(或共源)的單級電路基本一致。

集成運(yùn)放是模擬集成電路的典型組件。對于它內(nèi)部電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術(shù)指標(biāo)，作到根據(jù)電路系統(tǒng)的要求，正確地選擇元器件。