第五章集成运算放大器电路ppt课件

1、第五章第五章 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 5-1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点5-2 电流源电路电流源电路一、镜像电流源一、镜像电流源二、比例电流源二、比例电流源三、微电流电流源三、微电流电流源四、负反响型电流源四、负反响型电流源五、有源负载放大器五、有源负载放大器 5-3 差动放大电路差动放大电路5-3-1 零点漂移景象零点漂移景象5-3-2差动放大器的任务原理及性能分析差动放大器的任务原理及性能分析 一、差模放大特性一、差模放大特性1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍数2. 差模输入电阻差模输入电阻3. 差模输出电阻差模输出电阻二、共模抑制特性二、共模抑制特性1.共模

2、电压放大倍数共模电压放大倍数2. 共模输入电阻共模输入电阻 3.共模输出电阻共模输出电阻三、共模抑制比三、共模抑制比KCMR四、对恣意输入信号的放大特性四、对恣意输入信号的放大特性5-3-3具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路一、共模抑制比可做的非常高；一、共模抑制比可做的非常高；二、允许输入端有较大的共模电压变化。二、允许输入端有较大的共模电压变化。5-3-4差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性一、两管集电极电流之和恒等于一、两管集电极电流之和恒等于I二、传输特性具有非线性特性二、传输特性具有非线性特性三、差动放大器的增益与三、差动放大器的增益与I成正比成正比5-3-5差动放

3、大器的失调及温漂差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调一、差动放大器的失调二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移5-4 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路5-5 集成运放电路举例集成运放电路举例5-5-1集成运算放大器集成运算放大器F0075-7 集成运算放大器的主要性能目的集成运算放大器的主要性能目的第五章第五章 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 1了解差分放大电路的组成和任务原理，掌握静了解差分放大电路的组成和任务原理，掌握静态和动态参数的分析方法。态和动态参数的分析方法。2掌握电流源电路的构造、任务原理和分析方法。掌握电流源电路的构造、任务原理和分析方法。3了解典

4、型集成运算放大器的组成及其各部分的了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。特点，掌握其电压传输特性和主要参数。集成电路：集成电路：60年代开展起来的一种新型器件，把众多年代开展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制造在一块半导体芯片晶体管、电阻、电容及连线制造在一块半导体芯片如：硅片上，做成具有特定功能的独立电子线路。如：硅片上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型普通用金属圆壳或双列直插构造。外型普通用金属圆壳或双列直插构造。集成电路具有性能好，可靠性高，体积小，集成电路具有性能好，可靠性高，体积小， 耗电少，耗电少，本钱低等优点。本钱低等优

5、点。集成运放：是一集成运放：是一 种模拟集成电路，早期实现各种数种模拟集成电路，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；如今广泛运用于各学运算，主要用于模拟计算机；如今广泛运用于各种电子系统中，是一种通用型模拟器件。种电子系统中，是一种通用型模拟器件。5.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点1.级间只能采用直接耦合方式级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能集成工艺不能制造大电容和电感制造大电容和电感)；2.尽能够采用有源器件替代无源器件尽能够采用有源器件替代无源器件(防止运防止运用大电容、大电阻用大电容、大电阻)；3.利用对称构造改善电路性能利用对称构造改善电路性能 (参数一致性好参

6、数一致性好,但单个元器件参数误差较大但单个元器件参数误差较大)。输入级中间级输出级电流源电路UiUo 图图5.1 集成运算放大器组成框图集成运算放大器组成框图 差动放差动放大器大器负载为有源负载为有源负载的共射负载的共射放大器放大器射随器或互射随器或互补 射 随 器补 射 随 器提供各级偏流和有源负载提供各级偏流和有源负载5.2 电流源电路电流源电路 电流源电路即电流恒定的电路电流源电路即电流恒定的电路,可为集成可为集成运放各级电路提供稳定的静态偏置电流运放各级电路提供稳定的静态偏置电流.UCCRrIrIC1V1V2IC2图图5.2.1 镜像电流源镜像电流源 rCCrBECCrRURUUI11

7、11222CrBrCCIIIIIIrrCIII2112) 1(1任务电流任务电流参考电流参考电流一、镜像电流源一、镜像电流源(Current Mirror)UCCRrIrV1IC4V4V2IC2V3IC3V5图图5.2.2 多路镜像电流源多路镜像电流源rCCCIIII4)1 ()1 (5151432IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC图图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向三集电极横向PNP管电路管电路(b)等价电路等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现集成电路中多路镜像电流源的实现 二、比例电流源二、比例电流源RrIr

8、IC2V2V1R2UCCUBE1UBE2R1IE2IE1IB1IB2 图图5.2.4比例电流源比例电流源222111RIURIUEBEEBE111lnSETBEIIUU122121lnlnEETEETBEBEIIUIIUUU21SSII222lnSETBEIIUU室温下，当两管的射极电流相差室温下，当两管的射极电流相差10倍时：倍时： mVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121rCIRRI212假设假设1，那么，那么IE1Ir, IE2IC2111RRURRUUIrCCrBECCr仅为此时两管仅为此时两管UBE电压电压(600mV)的的10%。因此，。因此，UBE1UBE2。22

9、11RIRIEE222111RIURIUEBEEBE三、微电流源三、微电流源(Widlar Current)RrIrIC2V2V1UCCR2图图5.2.5微电流电流源微电流电流源2122122ln)(1EETBEBEEIIRUUURI当当 1 1 时 ，时 ，IE1Ir,IE2IC2222lnCrCTIIIUR 知知Ir=1mA,要求要求IC2=10A时时kR12101000ln10101026632 四、负反响型四、负反响型(威尔逊威尔逊)电流源电流源RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图图5.2.6 威尔逊电流源威尔逊电流源 22112333332133131231,2

10、CCCEECCCCCBCrrBECCrBEBECCrIIIIIIIIIIIIIRUURUUUI 假设三管特性一样，那么假设三管特性一样，那么1=2=3=,rCII)2221 (23利用交流等效电路利用交流等效电路可求出威尔逊电流可求出威尔逊电流源的动态内阻源的动态内阻Ro为：为：ceorR2221123CCCEIIII221333)111 (1CCII)(111 (133CrCIII较大的动态内阻；较大的动态内阻； 输出电流受输出电流受的影响也大大减小的影响也大大减小优优 点点五、有源负载放大器五、有源负载放大器 UCCV3V2uoV1uiRr有源负载放大器有源负载放大器(a)共射电路共射电路

11、(b)具有倒相功能的共射电路具有倒相功能的共射电路UCCV3V2IC1V1iIC3IC2uoIu5.3 差动放大电路差动放大电路(Differential Amplifier)5.3.1 零点漂移景象零点漂移景象1.静态时，由于温度变化，电源动摇等要素静态时，由于温度变化，电源动摇等要素的影响，会使任务点电压的影响，会使任务点电压(即集电极电位即集电极电位)偏离设偏离设定值而缓慢地上下飘动。定值而缓慢地上下飘动。2.在阻容耦合电路中，由于耦合电容的存在，在阻容耦合电路中，由于耦合电容的存在， 输入级任务点的缓飘很难传到下一输入级任务点的缓飘很难传到下一 级去，级去， 因此因此可忽略它的影响。但

12、对直接耦合放大电路，这种可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和，和， 这样整个电路将无法正常任务。这样整个电路将无法正常任务。3.差动放大器电路能有效地抑制零点漂移。差动放大器电路能有效地抑制零点漂移。UCCRCUCRBUip 图图5.4.1 放大器的零点漂移放大器的零点漂移 等效输入等效输入漂移电压漂移电压输出漂输出漂移电压移电压等效输入漂移电压限制等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最了放大器所能放大的最小信号。小信号。5.3.2差动放大器的任务原理及性能分析差动放大器的任务原理及性能分析UCCRC

13、UC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 图图5.4.3 根本差动放大器根本差动放大器(长尾式长尾式)当当Ui1=Ui2=0时时VUUBEE7 . 0那么流过那么流过RE的电流的电流I为为EEEEEEERURUUI7 . 0)(IIIIIQEQEQCQC212121故有故有静态分析静态分析:UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 图图5.4.3 根本差动放大器根本差动放大器CQCCCQCQCRIUUU121CQCCCQCEQCERIUUU1217 . 0静态时，差动放静态时，差动放大器两输出端之大器两输出端之间的直流电压为间的直流电压为零。零。UCCRC

14、RLRCREUEEV1V2uouiciB1iB2iC1iC2RE上有静态电压上有静态电压和交流信号电压和交流信号电压0VuicuC2UCEQ2一、共模一、共模(Common-Mode)抑制特性抑制特性uC1UCEQ1iIC 动态分析动态分析:RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2RE图图5.4.4 根本差动放大器的共模等效通路根本差动放大器的共模等效通路 Ib1Ib2Ic1Ic2Iic1.共模电压放大倍数共模电压放大倍数icococicocucUUUUUA21双端输出时双端输出时RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic0 单端输出时单

15、端输出时icocicocucUUUUA21(单）EbeCRrR2)1 (ECRR21.共模电压放大倍数共模电压放大倍数RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic 2. 共模输入电阻共模输入电阻icicicIUR RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic注：注：1212bbbicIIII12bicIU2)1 (21EbeRr 3.共模输出电阻共模输出电阻 单端输出时单端输出时 CocRR单）(RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic单端输出时单端输出时 双端输出

16、时双端输出时 (2ocCRR双） 二、差模二、差模(Difference-Mode)放大特性放大特性UCCRCRLRCREUEEV1V2uouid1uid2iB1iB2iC1iC2RE上只需静态电压，上只需静态电压，无交流信号电压无交流信号电压0V0Vuid1uid2uC1UCEQ1uC2UCEQ2 动态分析动态分析:图图5.4.6根本差动放大器的差模等效通路根本差动放大器的差模等效通路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2212122odododododUUUUU2211idodidodidodudUUUUUUA双端输出浮动输出时双端

17、输出浮动输出时212122idididididUUUUU 1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍数Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2beLrR单端输出时单端输出时111(2idodidodudUUUUA单）112(2idodidodudUUUUA单） 1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍数Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2负载负载RL情况下情况下udidodidodudAUUUUA212111(单）或或beLCrRR2)21/(idididIUR2. 差模输入电阻差模输入电

18、阻(Input Differential Resistance)注：注：21bbidIIIUod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2Iid112bidIUber2 3. 差模输出电阻差模输出电阻(Output Differential Resistance)Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2CodRR单）(单端输出时为单端输出时为CodRR2双端输出时为双端输出时为三、共模抑制比三、共模抑制比KCMR(Common-Mode Rejection Ratio)ucudCMRAAK)

19、(lg20dBAAKucudCMRCbeELucudCMRRrRRAAK)()()(单单单)(lg20)()()(dBAAKucudCMR单单单222121211212112222idiciiiiiidiciiiiiUUUUUUUUUUUUUU21idididUUU差模输入电压：221iiUU 21icicicUUU共模输入电压：21iiUU 1.恣意输入信号的分解及输入电压恣意输入信号的分解及输入电压icucidudoUAUAU2.恣意输入信号作用下，输出电压的计算恣意输入信号作用下，输出电压的计算双端输出时的电路图双端输出时的电路图)(21iiudUUAUCCRCUC2RLRCUC1Ui1

20、Ui2REUEEV1V2UoicucidudoUAUAU)()()(单单单)(21)()(iiudidudUUAUA单单)()()(单单若ucudAA单端输出时的电路图单端输出时的电路图UCCRCRLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo如两端都不接地，这种接法称为双端输入；如两端都不接地，这种接法称为双端输入；如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。如信号源一端接地，这种接法称为单端输入。UCCRCUC2RLRCUC1UiREUEEV1V2Uo3.关于只需一路信号源接入差动放大器关于只需一路信号源接入差动放大器UCCRCUC2RLRCUC1UiREUEEV1V2Uo 5.3.3具有电流

21、源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路EETEEQTbeUURIUr2)1 ()1 (TEECTLEECMRUURURUK22(单）图图5.4.3所示的根本差动放大器，存在两个缺所示的根本差动放大器，存在两个缺陷：一是共模抑制比做不高，陷：一是共模抑制比做不高，假设假设UEE=15V，那么室温下，那么室温下，KCMR(单单)的的上限约为上限约为300，而与，而与RE的取值无关。的取值无关。二是不允许输入端有较大的共模电压变化。二是不允许输入端有较大的共模电压变化。公共射极电位变化公共射极电位变化差放管的静态任务电流变化差放管的静态任务电流变化改变beLidodidodidodudrRUUUU

22、UUA2211rbe改改动动RCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCCRCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC图图5.15具有电流源的差动放大器电路具有电流源的差动放大器电路(a)用单管电流源替代用单管电流源替代RE的差动电路的差动电路(b)电路的简化表示电路的简化表示恒流源恒流源CQCBECCQCEQCECQCQCBERECEERRIUUUUIIIRUUIIURRRU1213213332122122静态任务点的估算：静态任务点的估算：一、共模抑制比可做的非常高；一、共模抑制比可做的非常高；二、允许输入端有较大的共模电压变化。二、允许输入端有较大

23、的共模电压变化。Auc0、 Auc单单0几乎不变beLidodidodidodudrRUUUUUUA2211KCMR、 KCMR单高单高电流源的输出电阻非常大电流源的输出电阻非常大rbe几乎不变几乎不变5.3.4差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性(Transfer Characteristic)图图5.16简化的差动放大器简化的差动放大器RCRCuidV1V2uo UEEIUCCiC2iC1TBETBETBETBEUuSUuSEUuSUuSEeIeIieIeIi/2/12211) 1() 1(21EEiiI)1 ()1 (121121TBEBEUuuCEEEeiiiiIIeeeeIiTi

24、dTidTidTidUuUuUuUuC22211IeeeeeeTidTidTidTidTidTidUuUuUuUuUuUu)(2)()(222222TidTidTidTidUuUuUuUueeeeII222222)2(22TidUuthII)2(222TidCUuthIIi21CCouuu)2(21TidCCUuthIii)2(TidCoUuthIRuRCRCuidV1V2uoUEEIUCCiC2iC1CCCRii)(21)(21CCCCCCCCRiURiUiC1, ,iC2IiC1iC2iC1iC26UT/4UT2UT02UT4UT6UTuidQI2(a)电流传输特性曲线电流传输特性曲线(b

25、)电压传输特性曲线电压传输特性曲线 图图5.17差动放大器的传输特性曲线差动放大器的传输特性曲线uoIRC6UT/4UT2UT02UT4UT6UTuid IRC一、两管集电极电流之和恒等于一、两管集电极电流之和恒等于I二、传输特性具有非线性特性二、传输特性具有非线性特性当当uid=0时，差动电路处于静态，这时，差动电路处于静态，这时时iC1=iC2=ICQ=I/21.在静态任务点附近，当在静态任务点附近，当|uid|UT，即室温下，即室温下， uid在在26mV以内时，传输特性近似为一段直线。以内时，传输特性近似为一段直线。2.当当| uid |4 UT,即即uid超越超越100mV时，传输特

26、性时，传输特性明显弯曲，而后趋于程度。明显弯曲，而后趋于程度。三、差动放大器的增益与三、差动放大器的增益与I成正比成正比TmmUIgg221TQidCQidCmUIdudiuig4111QidCmuig双端输出时跨导双端输出时跨导单端输出时跨导单端输出时跨导CCCoRiiu)(21CcQCcQCRiIiI)(2211CccRii)(21CCCoRiiu)(21CCRi1122mQidCguiRCRCuidV1V2uoUEEIUCCiC2iC1TmUIg2TCQebmUIrg差动放大器的跨导与单差动放大器的跨导与单级共射电路的跨导相等，级共射电路的跨导相等，从增益的角度看，相当从增益的角度看，相

27、当于一级共射电路。于一级共射电路。IuURidTC2CCCoRiiu)(21CCRiCidmRug idYuKu YYugI -实现了两个模拟信号电压相乘实现了两个模拟信号电压相乘)2(YTCgURKidYYTCuugUR2 5.3.5差动放大器的失调及温漂差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调一、差动放大器的失调当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不能够做到完全对称，因此使得输出不为零。这不能够做到完全对称，因此使得输出不为零。这种景象，称为差动放大器的失调。种景象，称为差动放大器的失调。与失调有关的详细要素：与失调有关的详细要素：CRSI

28、实践实践差分差分放大放大器器RSRS+-UOOS(a)无失无失调差调差分放分放大器大器RSRS+-UOOS(b)+-UIOSudsOOSIOSAUU图图1 实践差动电路的失调电压和失调电流实践差动电路的失调电压和失调电流总输入失调电压总输入失调电压- 总输出失调电压总输出失调电压- 差模源电压增益差模源电压增益UOOSRSRS+-(c实践差分放大器实践差分放大器+-UIO无无失失调调差差分分放放大大器器2IOI2IOI图图1 实践差动电路的失调电压和失调电流实践差动电路的失调电压和失调电流SIOIOIOSRIUUIIO ：RS很大并接近开很大并接近开路时的输入失调参数；路时的输入失调参数；UI

29、O ：RS为为0时的输入时的输入失调参数；失调参数；IIO 、UIO ：差分放：差分放大器的固有参数。大器的固有参数。利用戴维南等效定理可得利用戴维南等效定理可得a、b两点间开路电压两点间开路电压baRCRCRCUiV1V2Uo UEEIUCCIB2IIO2IIO2UIOIB1图图5.19差动电路的失调电压和失调电流差动电路的失调电压和失调电流 补偿电压补偿电压补偿电流补偿电流RSRS21IOBBIII22IOBBIIIIBIBSSSSSIIIII1221BEBEIOUUU)ln(122121SSCCTBEBEIIIIUUU)(21CCCCCRRIRICCCCCRRRII21TBEUUSECe

30、III/)(SSCCTIOIIRRUU)()ln(时当XXXXXXX)(CCBIORRII)(SSCCTIOIIRRUU01. 0CCRR05. 0SSIImVUIO5 . 1)05. 001. 0(26RCRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRC图图5.20差动放大器的调零电路差动放大器的调零电路 (a)射极调零射极调零(b)集电极调零集电极调零 二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移(Temperature Drift)IOBIOIdTddTdIdTdI11TUIIRRdTdUIIRRdTdUTSSCCTSSCCIO)()(TUIOIOCI

31、)(CCBIORRIIdTdIdTdIBIOCBII dTdIdTdICIO21CCRR5.4 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路UCCUoV1V2RLUCCUi 图图5.21 互补对称型射极互补对称型射极 交越失真iC10uBE0io,uoiC2ui0 t t图图5.22 交越失真产生的缘由及波形交越失真产生的缘由及波形硅管导通电压，约为硅管导通电压，约为0.5V,在在0.5-0.5V之间，两管的输出之间，两管的输出电流近似为零。电流近似为零。RCVD1VD2V1V2V3UCCUiRL UEERCV1V2V3UCCUiAI1I2R1R2BRL UEEV4图图5.23抑制交越

32、失真的互补电路抑制交越失真的互补电路(a)二极管偏置方式二极管偏置方式(b)模拟电压源偏置方式模拟电压源偏置方式)1 (214RRUUBEABuiduoUOHUOL线性区线性区Aud越大，运放的线性范围越小。越大，运放的线性范围越小。5.5集成运放的外部集成运放的外部 特性特性 及其理想化及其理想化假设假设UOH = -UOL=12V，Aud=105，uid在什么范围内，运放任务在线性在什么范围内，运放任务在线性区间区间?答答:|ui| UIO时，失调电流时，失调电流 IIO IB1 IB2六、差模输入电阻六、差模输入电阻Rid 七、共模输入电阻七、共模输入电阻Ric八、输出电阻八、输出电阻R

33、o九、输入电压范围九、输入电压范围十、带宽十、带宽 十一、转换速率十一、转换速率(压摆率压摆率)SR十二、静态功耗十二、静态功耗Pc 十三、电源电压制制比十三、电源电压制制比PSRR R1R2ICR3UEERBR3rbeIbrceUoIbIooceboBbebUrIIRrI)()(obeBbIRrRRI33)1 ()1 ()(33333RRrRrRRrRrRrRIURBbeceBbeceBbeooo图图5.2单管电流源电路单管电流源电路RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC1IB3V3图图5.8 威尔逊电流源威尔逊电流源 bebceoborIrIIu13)(13)2(bboIIIrbbb

34、ebbebRIIrIrI)(3131(1)(2)(3)RrR3rbeIb3rceUoIorbeI b2I b2rbeI b1I b1I b331)3(brberbebIRrRrI式得：由orberbebIRrRrI)22()3()2()4(3式得：式代入将(4)(5)berberbecerberbeooorRrRrrRrRrIUR)22()3()22()3()22()32() 1 ()5()4(2式得：式代入、将(6)cecerrcerberbeorrRRrRrRrR22)22()3()22()32()6(22式可简化为：以平面工艺为根底的半导体集成电路的制造工艺以平面工艺为根底的半导体集成电路的制造工艺1.由外延、氧化、光刻、分散和薄膜淀积或由外延、氧化、光刻、分散和薄膜淀积或叫蒸铝五种根本技术组成平面工艺。叫蒸铝五种根本技术组成平面工艺。2.采用采用PN结隔离技术和介质隔离技术。结隔离技术和介质隔离技术。3.NPN型晶体三极管是最根本的器件；型晶体三极管是最根本的器件；PNP型晶体三极管有纵向