集成运放内部电路设计.ppt

第四章 集成运算放大器的内部电路设计 模拟电子电路及技术基础 孙 肖 子 西安电子科技大学 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 模拟电子电路与技术基础课程的特点是 “概念性、工程性、实践性“强！ “注重物理概念，采用工程观点； 重视实验技术，善于总结对比； 理论联系实际，注意应用背景； 寻求内在规律，增强抽象能力。” 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.1 集成运放电路电路概述 集成电路(IC：Integrated Circuit)是在同一块微 小的硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等 工艺，将电阻、二极管、晶体管、场效应管及小电 容和它们之间的连线组成的完整电路制作在一起， 最后再进行封装，形成的一个实现特定功能的完整 电路。 集成电路分类： 通用型运放： 专用型运放：高阻型、高速型、高精度型、 低温漂型、低/微功耗型、高压大功率型 特定功能运放：仪表用放大器、缓冲放大器 、隔离放大器等。 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.1 集成运放电路电路概述 1.高增益直接耦合放大器 2.尽量用有源器件代替无源元件 3.利用对称结构改善电路性能 集成运放的特点： 4.广泛采用复合管 5.温度稳定性较高 6.集成度高，功耗小 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.1 集成运放电路电路概述 集成运放的组成： 1.输入级 输入电阻高、差模电压放大倍数大、共模信号抑制能 力强、静态电流和失调偏差小。 2.中间级 提供足够大的电压放大倍数，多采用共发射极(或共源极) 3.输出级 提高输出功率、降低输出电阻(即提高带负载能力)、减小 非线性失真和增大输出电压的动态范围。 4.偏置电路 采用恒流源电路. 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.1 集成运放电路电路概述 1.高增益直接耦合放大器 2.尽量用有源器件代替无源元件 3.利用对称结构改善电路性能 集成运放的特点： 4.广泛采用复合管 5.温度稳定性较高 6.集成度高，功耗小 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.2 集成运放电路中的电流源电路 1.单管电流源电路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 2. 镜像电流源 镜像电流源的温度补偿作用 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 多路镜像电流源 多集电极晶体管电流源 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 3.比例电流源 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.微电流电流源 第四章 集成运算放大器的内部电路设计5.威尔逊电流源 负反馈型电流源 因为 所以 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 6.改进型电流源-加射随器隔离的电流源 利用 的隔离和电流 放大和作用，减少了基极 电流 和对基准电流 的分流作用， 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 改进的多输出镜像电流源 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4. 2. 2场效应晶体管组成的电流源 T1一定工作于恒流区 T1、T2的电性能完全相同 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 MOS多输出电流源电路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 例 对于N沟道FET组成的电流镜，宽 长比的比值为2：4：101：2：5， 所以有 ， P沟道FET电流镜的宽长比的比值 为2：10：41：2：5，所以有 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4. 2. 3 电流源的主要应用-有源负载 有源负载的特点 (1)采用有源负载的放大器具有很高的电压增益。 (2) 有源负载放大器的增益与电源电压无关。 (3) 可以大大节约芯片面积。 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4. 2. 3 电流源的主要应用-有源负载 有源负载共射放大电路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 有源负载射级跟随器 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.3.1 零点漂移现象 43差分放大电路 所谓的零点漂移，就是当 输入信号为零时，输出信号是 一个随时间变化，漂移不定的 非零信号 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 结构特点: 结构高度对称, 有两个输入端,两个输出端, 4.3.2一般差分放大电路的特性分析 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 1、抑制零漂原理 2、差模信号和共模信号 两端输入信号大小相同、极性相反的信号称差模信号 两端输入完全相同的信号称为共模信号 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 任意信号：当 时，称它们为任意信号， 任意信号可以分解为差模信号和共模信号之和 式中 3、差模增益和共模增益 差模电压增益定义 共模电压增益定义 总的输出电压 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4、共模抑制比 差模电压增益越大，共模电压增益越小， 则共模抑制能力越强，抑制零漂的能力愈强， 放大电路的性能越优良。 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 5、典型差分放大电路及四种工作方式 （a）双端输入、 双端输出 （b）单端输入、 双端输出 （c）双端输入、 单端输出 （d）单端输入、 单端输出 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 6、基本工作原理 (1) 静态分析 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 (2)动态分析 1) 双端输入，双端输出工作方式。 双端输入，双端输出差模电压增益。 差摸输入交流等效电路 小信号等效电路 等效为对地短路 负载电 阻中点的交流信号电位为零 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 差模输出电阻 差模输入电阻 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 双端输入，双端输出共模电压增益。 共模输入差分放大电路 共模输入信号的交流通路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 共模电压增益为 共模抑制比 共模输入电阻 共模输出电阻 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 2) 双端输入，单端输出工作方式。 双端输入，单端输出差模电压增益。 双入单出差模交流通路 双入单出共模交流通路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 其中 差模输入电阻 差模电压增益为 差模输出电阻 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 双端输入，单端输出共模电压增益 共模放大倍数 一般情况下且 共模输入电阻 共模输出电阻 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 3） 单端输入的差分放大电路 单端输入单端输出 可看作是任意输入的一个特例 ： 差模信号 共模信号 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.3.3 带恒流源的差分放大电路 、 、 、 组成恒流源电路，1、 管C-E极之间的交流等效电阻 用 取代典型差分放大电路中的 2、 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 恒流源的电流 计算 恒流源的动态电 阻 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.3.4有源负载的差分放大电路 用镜像电流源作差分放 大电路的有源集电极负载电 阻，可以使单端输出具有与 双端输出相同的差模放大倍 数及共模抑制比 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.3.5 MOS差分放大器 采用有源负载的MOS差分放大器 1.差模电压增益 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 2.共模电压增益 由于电路两边对称 共模增益为0， 趋于无穷大。 共模输入时的有源负载MOS差分放大器 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 2.共模电压增益 共模输入时的有源负载MOS差分放大器 由于电路两边对称，必有 1、有源负载差分放大 器的共模增益为0， 2、 趋于无穷大 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4.3.6差分放大电路的传输特性及应用 1、差分放大器的传输特性 晶体管发射极电流与BE结电压之间的关系 输出电压 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 1）当时，差分放大器处于平衡状态 2）差模电压 输入与输出可保持线性关系 时 3） 时，输出差模电压基本上保持不变 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 2、展宽输入动态范围及差分放大器的其它应用 (1) 展宽输入动态范围 引入串联电流负反馈电阻R，展宽输入线性动态范围 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 (2) 倒相器 （3）自动增益控制电路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 （4）波形变换电路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 3 双平衡模拟乘法器 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 当 时 由此可求得输出电压 K称为标度因子 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 44 集成运算放大器的输出电路 1、BJT管输出级 互补原理电路 交越失真波形 简单互补电路 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 45集成运算放大器内部电路举例 4. 5. 1 BJT通用运算放大器F007 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 1、差分输入级 (1) 差模输入范围大 (3) 电压增益和输入阻抗高。 (2)共模输入范围大，共模抑制比高 、组成中间电压 放大级 2、中间级 3、输输出级级：互补对称输出级由T14、T18、T19组成。 4、保护电护电 路D1、D2、R8、R9组成输出级的过载保护电路。 第四章 集成运算放大器的内部电路设计 4. 5. 2 C