第2章 典型運算放大器的識圖與應(yīng)用快捷入門

集成運算放大器是電子技術(shù)領(lǐng)域中的一種最基本的放大器件，在自動控制、測量技術(shù)、日用電器等多種領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

集成運算放大器簡稱集成運放，其最初是由晶體管分立器件構(gòu)成的，主要用于模擬電子計算機中，實現(xiàn)加法、乘法、微分、積分等數(shù)學(xué)運算。數(shù)字集成電路出現(xiàn)以后，集成技術(shù)就應(yīng)用于模擬電路，從而產(chǎn)生了集成運算放大器。使原來十分復(fù)雜的分立元器件組成的電路集成在一塊很小的芯片上，其性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、通用性強。

2.1 集成運算放大器識圖與應(yīng)用的基本知識

集成電路是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上將許多元器件與連接導(dǎo)線所組成的完整電路，用統(tǒng)一工藝程序制在一小塊硅單晶片上，成為不可分的固體組件。集成電路可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。

2.1.1 集成運算放大器的類型

集成運算放大器是集成電路中模擬集成電路的一個重要部分，它實際上是一種雙端輸入、單端輸出、高增益、高輸入電阻值、低輸出電阻值的多級直接耦合放大器。當(dāng)給其外加不同性質(zhì)的反饋網(wǎng)絡(luò)時，能實現(xiàn)一系列各種各樣的電路功能。國產(chǎn)集成運算放大器有通用型和特殊型兩大類。

1. 通用型

通用型有通用1型（低增益），通用2型（中增益），通用3型（高增益）三類，通用型的指標(biāo)比較均衡全面，適用于一般電路。

2. 特殊型

特殊型有高精度型、高阻抗型、高速型、高壓型、低功率損耗型及大功率型等，特殊型的指標(biāo)大多數(shù)有一項指標(biāo)非常突出，它是為滿足某些專用的電路需要而設(shè)計的。

2.1.2 集成運算放大器的特點

集成運算放大器，一般是用厚約0.2～0.5mm，面積約為5mm2的P型硅作基片（或稱為襯底），采用與硅平面晶體管相似的生產(chǎn)工藝程序，制作成含有數(shù)十個晶體管、二極管、電阻器、電容器及它們之間的連接導(dǎo)線的完整電路，從而形成了固體組件。外面通常用金屬圓殼、塑料結(jié)構(gòu)封裝，大小和一般小功率半導(dǎo)體管及雙列8腳，雙列14腳、雙列16腳集成電路類似，與分立元件電路比較，用集成工藝生產(chǎn)的集成運算放大器主要有以下8個方面的特點。

1. 有利于減小溫度漂移

在集成運算放大器中，所有的元器件處在同一硅片上，距離非常近，又是通過相同的工藝過程制造出來的，這使同一芯片內(nèi)的元器件參數(shù)絕對值有相同的偏差，即元器件不僅具有較好的對稱性和一致性，而且元器件之間溫度差異很小，溫度一致性較好，容易制成兩個特性相同的管子和兩個電阻值相同的電阻器，故尤其適用于作差分式放大器。因此，集成工藝給集成運算放大器帶來的第一個特點就是其輸入級都無例外地采用集成差分放大器。由此可以減小溫度漂移和提高共模抑制比。

2. 采用半導(dǎo)體體電阻器作電阻器

集成運算放大器中的電阻器大多數(shù)是由硅半導(dǎo)體體電阻器構(gòu)成的，電阻值范圍一般為幾十歐至20k?；制造電阻值較高和較低的電阻器有一定的困難。如要求電阻值較大，則占用的硅片面積也大，不宜采用。此外，電阻值的精度也不容易控制，電阻值誤差可達10%～20%。所以，在集成運算放大器的電路中，盡量不采用高電阻值的電阻，必要時，也可用半導(dǎo)體三極管等有源器件來代替，或采用外接電阻器的方法來解決。

3. 用PN結(jié)電容器取代電容器

在集成運算放大器中，只制作小于200pF的電容器，或盡量不用電容器。由于集成運算放大器中的電容器都是PN結(jié)反向偏置下的結(jié)電容構(gòu)成，誤差較大，而且制造一個電容器所用硅片的面積，相當(dāng)于10個左右的晶體三極管和100k?電阻器所占用的集成芯片的面積。

4. 芯片內(nèi)不用電感器

在集成運算放大器中，制造電感器較難實現(xiàn)，所以集成電路都采用直接耦合方式。這樣就可使電路獲得較好的低頻響應(yīng)，并可節(jié)省硅片面積。

5. PNP管做成橫向的

集成運算放大器中的PNP管大多數(shù)做成橫向的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。即從發(fā)射極流向集電極的電流是沿硅片橫向的方向。其結(jié)構(gòu)如圖2-1（a）所示。

由于集成電路中所有的元器件都制作在同一硅片上，為了避免它們之間的互相影響，必須將硅片劃分成許多彼此隔離的區(qū)域，各元器件就制造在各自的區(qū)域內(nèi)。通常將每一隔離區(qū)域稱隔離島。

在目前的集成工藝中，大多數(shù)采用反向偏置的PN結(jié)隔離方式。一般集成電路是以P型半導(dǎo)體為襯底的，通過氧化，光刻和擴散形成N+掩埋層，而后進行外延生長，在襯底和掩埋層上形成高電阻率的N型外延層。橫向PNP管可以和NPN管同時制成，工藝簡單方便。它是在外延層上制作出兩個靠得很近的P區(qū)和P+隔離槽，這兩個P區(qū)分別作為橫向PNP管的發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，外延層是它的基區(qū)。隔離槽穿透處延層與襯底相連通。

為了使N型隔離島與周圍P區(qū)之間的PN結(jié)處于反向偏置，P+隔離槽和襯底接在電路中最負的電位上，否則就不能起隔離作用。因此，一般情況下，不能將襯底作為集電極，構(gòu)成如圖2-1（b）所示的縱向PNP管。

由于工藝水平的限制，橫向PNP管的基區(qū)不能做得很薄，同時發(fā)射區(qū)又不是高摻雜的，所以它的β很小，一般小于10。

6. 溫度補償元件多由半導(dǎo)體三極管構(gòu)成

集成運算放大器中的二極管是將三極管的集電極與基極短接后代替的，如圖2-2所示的b-e結(jié)二極管，它是將b、e作為一個二極管，稱為發(fā)射結(jié)二極管，這種連接方法的二極管，其正向壓降的溫度系數(shù)接近于同類型三極管的b-e結(jié)溫度系數(shù)，從而能較好地補償半導(dǎo)體三極管發(fā)射結(jié)的溫度特性。

7. 多采用復(fù)合管和復(fù)合電路

在集成運算放大器中，經(jīng)常采用復(fù)合管和復(fù)合電路，如共射-共基或共集-共基電路結(jié)構(gòu)。例如：差分輸入級，通常要求其具有電流增益大，反向擊穿電壓高等性能，利用復(fù)合結(jié)構(gòu)可以同時滿足這兩方面的要求。將擊穿電壓低的超β（2000～10000）晶體管和低β而擊穿電壓較高（BVceo=80～90V）的橫向PNP管，接成共射-共基電路，就是最好的例子。

8. 設(shè)計思路與分立元器件不同

由于結(jié)構(gòu)上的特點，集成運算放大器在電路設(shè)計思路上和分立元器件電路有較大的差別，主要是集成晶體管比集成電阻器、電容器容易得多，因此主要是用有源器件——晶體三極管代替無源元件（電阻器，電容器等），將無源元件的數(shù)量減到最少。此外，集成運算放大器還有電源電壓低（Ec＜±20V）和功率損耗低（P＜100mW）的特點。

2.1.3 集成運算放大器的基本結(jié)構(gòu)

集成運算放大器是一種高增益、高輸入阻抗的直接耦合放大器，通常由輸入級、中間放大級和輸出級等三個基本部分構(gòu)成。其典型電路如圖2-3所示。

1. 輸入級

集成運算放大器的輸入級，一般采用恒流源的差分放大器，有兩個輸入端。

（1）同相輸入端

信號若從這一端輸入，在輸出端可得到與輸入端極性相同的同相信號。

（2）反相輸入端

信號若從這一端輸入，在輸出端可得到與輸入端極性相反的反相信號。

輸入級是集成運算放大器組成的關(guān)鍵部分，對它的要求是高增益，大的共模抑制比，高輸入阻抗和允許較大范圍的信號輸入。信號可根據(jù)需要從某一端輸入，也可同時從兩個端子作差分輸入。

2. 中間級

中間級除了起放大作用外，還必須完成直流電平位移，使運算放大器輸入為零時，輸出電平亦為零。因為在集成運算放大器中，放大級之間都采用直接耦合方式，而直接耦合放大器中，后級的基極輸入直流電平就是前級集電極輸出直流電平。因NPN管的集電極電位總比基極電位高，經(jīng)過逐級遞增的結(jié)果，輸出直流電平不斷升高，就不能滿足在零輸入時對應(yīng)的輸出電平為零的要求。為解決這一問題，通常采用在級間插入PNP管來實現(xiàn)直流電平位移。

中間級也稱為中間增益級，對該級的一般要求，除了要有足夠高的增益以外，還常需要有電平（電平是表示電學(xué)量電壓、電流、電功率等相對大小的參數(shù)）位移和雙端變單端的電路。

3. 輸出級

對輸出級的一般要求是要有較大的額定輸出電壓或電流，要有較低的輸出電阻值，以適應(yīng)不同負載的要求。

由于射極輸出器具有輸入電阻值高、輸出電阻值低、電流增益大和電壓跟蹤性好的特點，所以它最適合做集成運算放大器的輸出級，有的為了進一步減小輸入電阻值，提高帶負載的能力，射極輸出器還常用復(fù)合管。

另外，為了使射極輸出器的電壓放大倍數(shù)盡量接近于1，同時利用集成電路工藝上的特點，射極輸出器發(fā)射極電阻器常用恒流源電路來代替。

2.1.4 集成運算放大器的電路圖形符號

集成運算放大器圖形符號及電壓放大特性曲線如圖2-4所示，集成運算放大器的符號如圖2-4（a）所示，用一個三角形來表示，反相輸入端用“-”號表示，同相輸入端用“+”號表示，三角形頂端是輸出端。集成運算放大器還有一個正電源端和一個負電源端。此外，大多數(shù)產(chǎn)品還有調(diào)零端，頻率補償端和偏置等輔助引出端，在圖2-4（a）所示電路中未畫出。不同的運算放大器，引腳的編號也不同，使用時應(yīng)查產(chǎn)品說明書。

2.1.5 集成運算放大器的基本特性

由于運算放大器的輸入級是差分放大器，而它的中間級和末級只是把差分放大器輸出的信號進行放大，故它的輸入、輸出電壓的關(guān)系和差分放大器相同，即：

VO=K（V2-V1）

V1——運算放大器反相信號輸入端電壓。

由此可見，輸出電壓Vo和同相輸入端電壓V2及反相輸入端電壓V1之差成正比。K為比例系數(shù)，就是電壓放大倍數(shù)。其電壓放大特性還可用圖2-4（b）所示的曲線來表示。圖2-4（b）所示曲線表明，只有在線性放大區(qū)內(nèi)，才能使：

Vo=KVi（Vi=V2-V1）

當(dāng)輸入差分信號Vi較大時，由于受電源電壓的限制，輸出電壓Vo接近電源電壓后不能再進一步增加，放大器便進入飽和區(qū)。

2.1.6 集成運算放大器的適用場合

在電子電路中，運算放大器常有以下三種應(yīng)用：

① 信號的線性放大器；

② 信號電壓的比較器；

③ 信號的數(shù)字運算器。

集成運算放大器產(chǎn)品已經(jīng)形成一個龐大的家族，有適用于各種特殊場合的品種，如：一般應(yīng)用可選通用型；信號頻率高的可選高速型；微弱信號可選高阻低噪型；電池供電設(shè)備可選低功率損耗型；用于測量儀器的可選高精度型等。再根據(jù)使用特點確定運算放大器的指標(biāo)（差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、共模抑制比、失調(diào)電壓溫漂、失調(diào)電流溫漂、最大共模電壓及最大差模電壓等），根據(jù)主要指標(biāo)，從集成電路手冊中選取相應(yīng)的型號。