模擬電路網絡課件 第二十九節:專用型集成電路運算放大器

6.5 專用型集成電路運算放大器

目前，實用的集成電路運算放大器除了通用型外，還有性能更優良和具有特殊功能的集成運放，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放，現簡要介紹如下：

1．高輸入阻抗型

該類型集成運放的差模輸入電阻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。

實現這些指標的主要措施，一般是利用FET輸入阻抗高、BJT電壓增益高的優點，由BJT與FET相結合而構成差分輸入級電路，常稱為BiFET型。下面以LF356集成運放為例進行分析。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= ，而實際上電流源的內阻為有限值。

LF356是由P溝道JFET T1和T2構成雙端輸入、雙端輸出帶恒流源負載（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）負載的差分式放大電路，和由T7組成的電壓跟隨器構成；由NPN型BJT T9和PNP型復合管（由P溝道JFET T8與NPN型BJT T10構成）組成互補對稱輸出級。為了使電路處于甲乙類工作狀態，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構成輸出電流過載保護環節。R為過載電流取樣電阻。當輸出端“拉電流”（流向輸出端，如iO實線所示）大于20mA時，T11導通而分流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“灌電流”（流入輸出端，如iO虛線所示）大于20mA時，D2導通，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構成兩個電流源，Rp可調節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，實現失調電流的補償。電容C為電路內部的密勒補償電容，以增大運放的單位增益帶寬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。其主要參數見上節運算放大器參數表。與LF356性能類似的有LF355、LF347（四運放）。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、寬帶和低噪聲等優點，但失調電壓較大。

目前高輸入阻抗型運放廣泛用于生物醫學電信號測量的精密放大電路、有源濾波器、取樣-保持放大器、對數和反對數放大器和模數、數模轉換器等。

2．高精度、低漂移型

這種類型的運放，一般用于毫伏量級或更低的微弱信號的精密檢測、精密模擬計算、高精度穩壓電源及自動控制儀表中。要求DVIO/DT<2mV/℃、DIIO/DT<200pA/℃、AVO≥120dB、KCMR≥110dB，vn（噪聲電壓）<5nV/ 。通常實現這些功能的措施是，在電路結構上除采用超b BJT管和低噪聲差分式輸入級外，還采用熱匹配設計和低溫度系數的精密電阻，或在電路中加入自動控溫電路以減小溫漂。此外，近年來利用調制型的自動穩零放大器，獲得了更低的溫度系數（0.1mV/℃）。目前產品有AD508、OP-27（DVIO/DT=0.2mV/℃）及由MOSFET組成的斬波穩零型的超低漂移器件，如ICL7650（DVIO/DT=0.01mV/℃），但它的輸出電阻較大，所以負載電阻不宜太小。

3．高速型

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

4．低功耗型

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

低功耗型運放一般用于對能源有嚴格限制遙測、遙感、生物醫學和空間技術研究的設備中。

5．高壓型

為得到高的輸出電壓或大的輸出功率，在電路設計和制作上需要解決BJT的耐壓、動態工作范圍等問題。為此在電路結構上利用BJT的cb結和橫向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，耐壓指標可提高到300V左右。此外，為使運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電路。目前產品有D41、LM143及HA2645等，其中HA2645的參數是：VCC＝VEE＝（48~80）V，Vomax=74V，AVO=（160~200）dB，VIO≤6mV，Vid=37V，而D41型的電源電壓可達到±150V，Vicmax=±125V。

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

本 章 小 結
集成電路運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；互補對稱電壓跟隨電路常用作輸出級；電流源電路構成偏置電路。

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

差分式放大電路是集成電路運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的放大能力，而對共模信號卻具有很強的抑制能力。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，要著重分析兩邊電路輸入信號分量的不同，至于具體指標的計算與共射(或共源)的單級電路基本一致。

集成運放是模擬集成電路的典型組件。對于它內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指標，作到根據電路系統的要求，正確地選擇元器件。