第2章 典型运算放大器的识图与应用快捷入门
集成运算放大器是电子技术领域中的一种最基本的放大器件，在自动控制、测量技术、日用电器等多种领域中应用相当广泛。
集成运算放大器简称集成运放，其最初是由晶体管分立器件构成的，主要用于模拟电子计算机中，实现加法、乘法、微分、积分等数学运算。数字集成电路出现以后，集成技术就应用于模拟电路，从而产生了集成运算放大器。使原来十分复杂的分立元器件组成的电路集成在一块很小的芯片上，其性能优异、稳定可靠、通用性强。
2.1 集成运算放大器识图与应用的基本知识
集成电路是在半导体制造工艺的基础上将许多元器件与连接导线所组成的完整电路，用统一工艺程序制在一小块硅单晶片上，成为不可分的固体组件。集成电路可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。
2.1.1 集成运算放大器的类型
集成运算放大器是集成电路中模拟集成电路的一个重要部分，它实际上是一种双端输入、单端输出、高增益、高输入电阻值、低输出电阻值的多级直接耦合放大器。当给其外加不同性质的反馈网络时，能实现一系列各种各样的电路功能。国产集成运算放大器有通用型和特殊型两大类。
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）三类，通用型的指标比较均衡全面，适用于一般电路。
2. 特殊型
特殊型有高精度型、高阻抗型、高速型、高压型、低功率损耗型及大功率型等，特殊型的指标大多数有一项指标非常突出，它是为满足某些专用的电路需要而设计的。
2.1.2 集成运算放大器的特点
集成运算放大器，一般是用厚约0.2～0.5mm，面积约为5mm2的P型硅作基片（或称为衬底），采用与硅平面晶体管相似的生产工艺程序，制作成含有数十个晶体管、二极管、电阻器、电容器及它们之间的连接导线的完整电路，从而形成了固体组件。外面通常用金属圆壳、塑料结构封装，大小和一般小功率半导体管及双列8脚，双列14脚、双列16脚集成电路类似，与分立元件电路比较，用集成工艺生产的集成运算放大器主要有以下8个方面的特点。
1. 有利于减小温度漂移
在集成运算放大器中，所有的元器件处在同一硅片上，距离非常近，又是通过相同的工艺过程制造出来的，这使同一芯片内的元器件参数绝对值有相同的偏差，即元器件不仅具有较好的对称性和一致性，而且元器件之间温度差异很小，温度一致性较好，容易制成两个特性相同的管子和两个电阻值相同的电阻器，故尤其适用于作差分式放大器。因此，集成工艺给集成运算放大器带来的第一个特点就是其输入级都无例外地采用集成差分放大器。由此可以减小温度漂移和提高共模抑制比。
2. 采用半导体体电阻器作电阻器
集成运算放大器中的电阻器大多数是由硅半导体体电阻器构成的，电阻值范围一般为几十欧至20kΩ；制造电阻值较高和较低的电阻器有一定的困难。如要求电阻值较大，则占用的硅片面积也大，不宜采用。此外，电阻值的精度也不容易控制，电阻值误差可达10%～20%。所以，在集成运算放大器的电路中，尽量不采用高电阻值的电阻，必要时，也可用半导体三极管等有源器件来代替，或采用外接电阻器的方法来解决。
3. 用PN结电容器取代电容器
在集成运算放大器中，只制作小于200pF的电容器，或尽量不用电容器。由于集成运算放大器中的电容器都是PN结反向偏置下的结电容构成，误差较大，而且制造一个电容器所用硅片的面积，相当于10个左右的晶体三极管和100kΩ电阻器所占用的集成芯片的面积。
4. 芯片内不用电感器
在集成运算放大器中，制造电感器较难实现，所以集成电路都采用直接耦合方式。这样就可使电路获得较好的低频响应，并可节省硅片面积。
5. PNP管做成横向的
集成运算放大器中的PNP管大多数做成横向的，其结构示意图如图2-1所示。即从发射极流向集电极的电流是沿硅片横向的方向。其结构如图2-1（a）所示。
图2-1 PNP型晶体三极管结构示意图
由于集成电路中所有的元器件都制作在同一硅片上，为了避免它们之间的互相影响，必须将硅片划分成许多彼此隔离的区域，各元器件就制造在各自的区域内。通常将每一隔离区域称隔离岛。
在目前的集成工艺中，大多数采用反向偏置的PN结隔离方式。一般集成电路是以P型半导体为衬底的，通过氧化，光刻和扩散形成N+掩埋层，而后进行外延生长，在衬底和掩埋层上形成高电阻率的N型外延层。横向PNP管可以和NPN管同时制成，工艺简单方便。它是在外延层上制作出两个靠得很近的P区和P+隔离槽，这两个P区分别作为横向PNP管的发射区和集电区，外延层是它的基区。隔离槽穿透处延层与衬底相连通。
为了使N型隔离岛与周围P区之间的PN结处于反向偏置，P+隔离槽和衬底接在电路中最负的电位上，否则就不能起隔离作用。因此，一般情况下，不能将衬底作为集电极，构成如图2-1（b）所示的纵向PNP管。
由于工艺水平的限制，横向PNP管的基区不能做得很薄，同时发射区又不是高掺杂的，所以它的β很小，一般小于10。
6. 温度补偿元件多由半导体三极管构成
集成运算放大器中的二极管是将三极管的集电极与基极短接后代替的，如图2-2所示的b-e结二极管，它是将b、e作为一个二极管，称为发射结二极管，这种连接方法的二极管，其正向压降的温度系数接近于同类型三极管的b-e结温度系数，从而能较好地补偿半导体三极管发射结的温度特性。
图2-2 b-e结二极管
7. 多采用复合管和复合电路
在集成运算放大器中，经常采用复合管和复合电路，如共射-共基或共集-共基电路结构。例如：差分输入级，通常要求其具有电流增益大，反向击穿电压高等性能，利用复合结构可以同时满足这两方面的要求。将击穿电压低的超β（2000～10000）晶体管和低β而击穿电压较高（BVceo=80～90V）的横向PNP管，接成共射-共基电路，就是最好的例子。
8. 设计思路与分立元器件不同
由于结构上的特点，集成运算放大器在电路设计思路上和分立元器件电路有较大的差别，主要是集成晶体管比集成电阻器、电容器容易得多，因此主要是用有源器件——晶体三极管代替无源元件（电阻器，电容器等），将无源元件的数量减到最少。此外，集成运算放大器还有电源电压低（Ec＜±20V）和功率损耗低（P＜100mW）的特点。
2.1.3 集成运算放大器的基本结构
集成运算放大器是一种高增益、高输入阻抗的直接耦合放大器，通常由输入级、中间放大级和输出级等三个基本部分构成。其典型电路如图2-3所示。
图2-3 集成运算放大器的典型电路
1. 输入级
集成运算放大器的输入级，一般采用恒流源的差分放大器，有两个输入端。
（1）同相输入端
信号若从这一端输入，在输出端可得到与输入端极性相同的同相信号。
（2）反相输入端
信号若从这一端输入，在输出端可得到与输入端极性相反的反相信号。
输入级是集成运算放大器组成的关键部分，对它的要求是高增益，大的共模抑制比，高输入阻抗和允许较大范围的信号输入。信号可根据需要从某一端输入，也可同时从两个端子作差分输入。
2. 中间级
中间级除了起放大作用外，还必须完成直流电平位移，使运算放大器输入为零时，输出电平亦为零。因为在集成运算放大器中，放大级之间都采用直接耦合方式，而直接耦合放大器中，后级的基极输入直流电平就是前级集电极输出直流电平。因NPN管的集电极电位总比基极电位高，经过逐级递增的结果，输出直流电平不断升高，就不能满足在零输入时对应的输出电平为零的要求。为解决这一问题，通常采用在级间插入PNP管来实现直流电平位移。
中间级也称为中间增益级，对该级的一般要求，除了要有足够高的增益以外，还常需要有电平（电平是表示电学量电压、电流、电功率等相对大小的参数）位移和双端变单端的电路。
3. 输出级
对输出级的一般要求是要有较大的额定输出电压或电流，要有较低的输出电阻值，以适应不同负载的要求。
由于射极输出器具有输入电阻值高、输出电阻值低、电流增益大和电压跟踪性好的特点，所以它最适合做集成运算放大器的输出级，有的为了进一步减小输入电阻值，提高带负载的能力，射极输出器还常用复合管。
另外，为了使射极输出器的电压放大倍数尽量接近于1，同时利用集成电路工艺上的特点，射极输出器发射极电阻器常用恒流源电路来代替。
2.1.4 集成运算放大器的电路图形符号
集成运算放大器图形符号及电压放大特性曲线如图2-4所示，集成运算放大器的符号如图2-4（a）所示，用一个三角形来表示，反相输入端用“-”号表示，同相输入端用“+”号表示，三角形顶端是输出端。集成运算放大器还有一个正电源端和一个负电源端。此外，大多数产品还有调零端，频率补偿端和偏置等辅助引出端，在图2-4（a）所示电路中未画出。不同的运算放大器，引脚的编号也不同，使用时应查产品说明书。
图2-4 集成运算放大器图形符号及电压放大特性曲线
2.1.5 集成运算放大器的基本特性
由于运算放大器的输入级是差分放大器，而它的中间级和末级只是把差分放大器输出的信号进行放大，故它的输入、输出电压的关系和差分放大器相同，即：
VO=K（V2-V1）
V1——运算放大器反相信号输入端电压。
由此可见，输出电压Vo和同相输入端电压V2及反相输入端电压V1之差成正比。K为比例系数，就是电压放大倍数。其电压放大特性还可用图2-4（b）所示的曲线来表示。图2-4（b）所示曲线表明，只有在线性放大区内，才能使：
Vo=KVi（Vi=V2-V1）
当输入差分信号Vi较大时，由于受电源电压的限制，输出电压Vo接近电源电压后不能再进一步增加，放大器便进入饱和区。
2.1.6 集成运算放大器的适用场合
在电子电路中，运算放大器常有以下三种应用：
① 信号的线性放大器；
② 信号电压的比较器；
③ 信号的数字运算器。
集成运算放大器产品已经形成一个庞大的家族，有适用于各种特殊场合的品种，如：一般应用可选通用型；信号频率高的可选高速型；微弱信号可选高阻低噪型；电池供电设备可选低功率损耗型；用于测量仪器的可选高精度型等。再根据使用特点确定运算放大器的指标（差模电压放大倍数、输入电阻、共模抑制比、失调电压温漂、失调电流温漂、最大共模电压及最大差模电压等），根据主要指标，从集成电路手册中选取相应的型号。