第四章集成运放内部电路设计

1、第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计模拟电子技术基础模拟电子技术基础朱 旭 花第四章第四章 集成运算放大器内部电路设计集成运算放大器内部电路设计第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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模拟电子电路与技术基础课程的特点是课程的特点是 “概念性、工程性、实践性概念性、工程性、实践性“强强！ “注重物理概念，采用工程观点；注重物理概念，采用工程观点； 重视实验技术，善于总结对比；重视实验技术，善于总结对比； 理论联系实际，注意应用背景；理论联系实际，注意应用背景； 寻求内在规律，增强抽象能力。寻求内在规律，增强抽象

2、能力。”第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.1 4.1 集成运放电路电路概述集成运放电路电路概述集成电路集成电路(IC(IC：Integrated Circuit)Integrated Circuit)是在同一块微是在同一块微小的硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等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，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最后再进行封装，形成的一个实

3、现特定功能的完整电路电路。 集成电路分类：集成电路分类： 通用型运放：通用型运放： 专用型运放专用型运放：高阻型、高速型、高精度型、高阻型、高速型、高精度型、低温漂型、低低温漂型、低/ /微功耗型、高压大功率型微功耗型、高压大功率型 特定功能运放：仪表用放大器、缓冲放大器、特定功能运放：仪表用放大器、缓冲放大器、隔离放大器等。隔离放大器等。第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.1 4.1 集成运放电路电路概述集成运放电路电路概述1.1.高增益直接耦合放大器高增益直接耦合放大器2.2.尽量用有源器件代替无源元件尽量用有源器件代替无源元件3.3.利用对称结构改善

4、电路性能利用对称结构改善电路性能集成运放的特点：集成运放的特点： 4.4.广泛采用复合管广泛采用复合管5.5.温度稳定性较高温度稳定性较高 6.6.集成度高，功耗小集成度高，功耗小 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.1 4.1 集成运放电路电路概述集成运放电路电路概述集成运放的组成集成运放的组成： 1.1.输入级输入级输入电阻高、差模电压放大倍数大、共模信号抑制能输入电阻高、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。力强、静态电流和失调偏差小。2.2.中间级中间级提供足够大的电压放大倍数，多采用共发射极提供足够大的电压放大倍数，多采用

5、共发射极( (或共源极或共源极) )3.3.输出级输出级提高输出功率、降低输出电阻提高输出功率、降低输出电阻( (即提高带负载能力即提高带负载能力) )、减小、减小非线性失真和增大输出电压的动态范围。非线性失真和增大输出电压的动态范围。4.4.偏置电路偏置电路采用恒流源电路采用恒流源电路. .第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.1 4.1 集成运放电路电路概述集成运放电路电路概述1.1.高增益直接耦合放大器高增益直接耦合放大器2.2.尽量用有源器件代替无源元件尽量用有源器件代替无源元件3.3.利用对称结构改善电路性能利用对称结构改善电路性能集成运放的特点：

6、集成运放的特点： 4.4.广泛采用复合管广泛采用复合管5.5.温度稳定性较高温度稳定性较高 6.6.集成度高，功耗小集成度高，功耗小 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.2 4.2 集成运放电路中的电流源电路集成运放电路中的电流源电路1.1.单管电流源电路单管电流源电路33121|OcebeORURrrRRRIBBECE3UUIIR2BCC12RUURR第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计2. 2. 镜像电流源镜像电流源RUUIBECCREF121222CCCREFBREFIIIIII)21 (12REFCII12CCBE

7、CCCREFUUUIIRR镜像电流源的温度补偿作用镜像电流源的温度补偿作用 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计多路镜像电流源多路镜像电流源2311cccnREFIIIIN 多集电极晶体管电流源多集电极晶体管电流源 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计3.3.比例电流源比例电流源11 1222BEEBEEUI RUI R12BEBEUU1 122EEI RI R1122122EECEEREFEERRIIIIRR11CCBEREFUUIRR第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.4.微电流电流源

8、微电流电流源122122221()lnTECEBEBEEEEUIIIUURRI222lnTREFECCUIRII222lnTREFCECUIIRI第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计5.5.威尔逊电流源威尔逊电流源负反馈型电流源负反馈型电流源C1REFB3REFC3IIIII/E3C2B1B2C2IIIII1因为 E3C31II所以 2C3REF2222II1()2222REFREFII32REFICCBEBEUUUR第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计6.6.改进型电流源改进型电流源-加射随器隔离的电流源加射随器隔离的电流源

9、3T1BI2BIREFI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， 321322122 11ECCREFBREFCBREFREFIIIIIIIIII REFREFCIII1212第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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改进的多输出镜像电流源 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4. 2. 2 4. 2. 2 场效应晶体管组成的电流源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 12DDGSREFDDUUIIIR2( )()2n OXDGSGS thC

10、 WIUUL111222/DDIWLIWL第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计111111111222333444/,/DDDDDDIWLIWLIWLIWLIWLIWLMOSMOS多输出电流源电路多输出电流源电路 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计例例22OREFII35OREFII 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，435OOREFIII53525OOREFIII63210OOREFIII P沟道FET电流镜的宽长比的比值为2：10：41：2：5，所以有第四章第四章 集成运算放大器

11、的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4. 2. 3 4. 2. 3 电流源的主要应用电流源的主要应用-有源负载有源负载有源负载的特点有源负载的特点 (1)(1)采用有源负载的放大器具有很高的电压增益。采用有源负载的放大器具有很高的电压增益。(2)(2) 有源负载放大器的增益与电源电压无关。有源负载放大器的增益与电源电压无关。(3)(3) 可以大大节约芯片面积。可以大大节约芯片面积。第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4. 2. 3 4. 2. 3 电流源的主要应用电流源的主要应用-有源负载有源负载有源负载共射放大电路有源负载共射放大电路 112u1/Ac

12、eceLBberrRRr第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计有源负载射级跟随器有源负载射级跟随器 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.3.1 4.3.1 零点漂移零点漂移现象现象4 43 3 差分放大电路差分放大电路 所谓的零点漂移所谓的零点漂移，就是当，就是当输入信号为零时，输出信号是输入信号为零时，输出信号是一个随时间变化，漂移不定的一个随时间变化，漂移不定的非零信号非零信号 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计结构特点结构特点: :结构高度对称结构高度对称, ,有两个输入端有两个输入

13、端, ,两个输出端两个输出端, ,4.3.24.3.2一般差分放大电路的特性分析一般差分放大电路的特性分析第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计1 1、抑制零漂原理、抑制零漂原理2 2、差模信号和共模信号、差模信号和共模信号两端输入信号大小相同、极性相反的信号称两端输入信号大小相同、极性相反的信号称差模信号差模信号idu两端输入完全相同的信号称为共模信号 icu1212idiiiuuuu122iiicuuu第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计任意信号：当任意信号：当 时，称它们为任意信号，时，称它们为任意信号， 任意信号可以分解

14、为差模信号和共模信号之和任意信号可以分解为差模信号和共模信号之和21iiuu121211212212221222iiiiiicidiiiiiiciduuuuuuuuuuuuuu12122idiiiiicuuuuuu式中3 3、差模增益和共模增益、差模增益和共模增益差模电压增益定义差模电压增益定义 共模电压增益定义共模电压增益定义 oddiduAuoccicuAuicidocodouuuuucdAA总的输出电压 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4 4、共模抑制比、共模抑制比dCM RcAKA20lgdCMRcAKdBA差模电压增益越大，共模电压增益越小，差模

15、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，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。放大电路的性能越优良。第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计5 5、典型差分放大电路及四种工作方式、典型差分放大电路及四种工作方式（a a）双端输入、）双端输入、双端输出双端输出 （b b）单端输入、）单端输入、双端输出双端输出 （c c）双端输入、）双端输入、单端输出单端输出 （d d）单端输入、）单端输入、单端输出单端输出第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计6 6、基本工作原理、基本工作原理

16、(1) (1) 静态分析静态分析12()0.71222REEEEEEEQE QEeIUUUIIRR 1212C QCQE QE QIIIIC1QC2QCC1UUUC QCIRCE1QCE2QCC1UUU0.7CQ CI R第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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ER等效为对地短路 负载电阻LR中点的交流信号电位为零 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计odo1o2o1idi1i2i1uu -u2uuuu2uLdB

17、beRARr / /2LLCRRRbeBbidbididrRiuiuR221CodRR2差模输出电阻 差模输入电阻 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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。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 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计共模电压增益为OCOC1OC2Cicicuu-uA0uu共模抑制比 dCMRCAKA 共模输入电阻112(1)22iciciCBbeEcbuuRRrRii共模输出电阻2occRR第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器

18、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 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计o1o1o1d1idi1i2i1uuu1Auuu2u2()2LdBbeRARr / /LCLRRR)(2beBidrRRCodRR其中差模输入电阻差模电压增益为差模输出电阻第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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 EbeBLCiCOCCRrRRRuuA)1 (2/11112(1)2()dBbeECMRCBbeARrRKARr2(1)BbeeR

19、rR1C1/ /A2CLERRR 共模放大倍数一般情况下且共模输入电阻12(1)2icbeErrR共模输出电阻COCRr 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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 1222idiididuuuu ： 差模信号1222iiiicuuuu 共模信号第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.3.3 4.3.3 带恒流源的差分放大电路带恒流源的差分放大电路ER 3T1R2R3R、组成恒流源电路，1、3Tce3r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ER2

20、、第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计恒流源的电流3()OCII计算 EEBBBBURRRU211113333EEBBEOCEEUUUIIIR1231122EECOIIII 恒流源的动态电阻 333333121(/ /)ABOcebeRRRrrRRR第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.3.44.3.4有源负载的差分放大电路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 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4

21、.3.5 MOS4.3.5 MOS差分放大器差分放大器 采用有源负载的MOS差分放大器242112odddddiiiiii1112dmidmidig ug u12odmidiig uoLudmLidi RAg Ru24/ / /LdsdsLRrrR差模电压增益第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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 420oddiii=共模增益为0，CMR K趋于无穷大。 共模输入时的有源负载MOS差分放大器 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计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12ddii=34

22、ddii=24ddii=420oddiii=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，CMR K2、 趋于无穷大 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计4.3.64.3.6差分放大电路的传输特性及应用差分放大电路的传输特性及应用1 1、差分放大器的传输特性、差分放大器的传输特性2121BEBEiiiduuuuu()BEEESTuiIEXPU021IiiEE0110221()1()CEidESTCEidESTIiiuIEXPUIiiuIEXPU)2()(11)(110021TidTidESTidESCCUuthIUuEXPIUuEXPIIii

23、晶体管发射极电流与BE结电压之间的关系)2(021TidCCCCOUuthRIiiRu输出电压第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计1）当0uid时，差分放大器处于平衡状态 12m0g20(/)2idCCOOidTud IIIImA VduU 12()()()2ccCudCmCOidTd iiRARg RIduU 2）差模电压TTUUidu输入与输出可保持线性关系 时3）idu4TUOu时，输出差模电压基本上保持不变第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计2 2、展宽输入动态范围及差分放大器的其它应用、展宽输入动态范围及差分放大器的

24、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 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计(2) 倒相器 ()OCIf U （3）自动增益控制电路第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计（4）波形变换电路 第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计3 3 双平衡模拟乘法器双平衡模拟乘法器125()2xcccTuiii thU346()2xcccTuiii thU12123456() ()2oooccccxccTiiiiiiiuiithU第四章第四章 集成运算放大器的内部电路设计集成运算放大器的内部电路设计252xTuUmV22xxTTuuthUU1()2oxyETiuuR Uou12