集成电路运算放大器

1、第六章第六章 集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多级放大器。的多级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以

2、下的小电容。因此，集成放大器都采用以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。不能制造电感，如需电直接耦合方式。如需大电容，只有外接。不能制造电感，如需电感，也只能外接。感，也只能外接。（5）电路中二极管作温度补偿和电位移动，一般用三极管发射结）电路中二极管作温度补偿和电位移动，一般用三极管发射结构成。构成。直耦放大电路的特殊问题直耦放大电路的特殊问题零点漂移零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因：温漂指标温漂指标：由温度变化引起的。由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这

3、种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫压漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输入输入Vi=0时，输出有缓慢时，输出有缓慢变化的电压产生。变化的电压产生。温度每升高温度每升高1度时，输出漂移电压度时，输出漂移电压按按电压增益电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。例如例如 100,=V1A若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。 若第二级也漂若第二级也漂了了100 uV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设F 第一级是关键第一

4、级是关键。 1= 100,=V3V2AA3. 减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿F 采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV6.1 差动放大电路差动放大电路一一. .结构结构: :对称性结构对称性结构即：即： 1= 2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb2022-6-26 1. 1. 差动放大电路一般有两差动放大电路一般有两个输入端：个输入端：双端输入双端输入从两

5、输入端同从两输入端同时加信号。时加信号。单端输入单端输入仅从一个输入仅从一个输入端端对地对地加信号。加信号。 2. 2. 差分放大电路可以有两个输差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极出端，一个是集电极C1，另一个，另一个是集电极是集电极C2。双端输出双端输出从从C1 和和C2输出。输出。单端输出单端输出从从C1或或C2 对地输出对地输出。二二. 几个基本概念几个基本概念3. 差模信号与共模信号差模信号与共模信号i2i1id=vvv 差模信号：差模信号：)(21=i2i1icvvv 共模信号：共模信号：idodVD=vvA差模电压增益差模电压增益icocVC=vvA共模电压增益共模电压增益

6、总输出电压总输出电压icVCidVDocodo=vAvAvvvVCVDCMR=AAK4. 共模抑制比共模抑制比eEERe)(7 . 0=RVVI三三. .差动放大电路的基本工作原理差动放大电路的基本工作原理 1. 静态工作点的计算：静态工作点的计算：0=i2i1vv 忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0VReCC2C121=IIIICE2CE1= VV)7 . 0(CCCCRIVCB1B1III0=C2C1OVVV2.抑制零漂的原理抑制零漂的原理:vo= vC1 - vC2 = 0vo= (vC1 + vC1 ) - (vC2 + vC2 ) = 0当当vi1 = vi2 = 0 时，时，当温度变

7、化时：当温度变化时：vC1 = vC2 vC1 = vC2(1)(1)加入差模信号加入差模信号设：设： vi1i1=-=-vi2i2 = =vidid/2/2，vicic=0=0。3.3.电路的动态分析电路的动态分析 Re对差模信号相当于短路对差模信号相当于短路设设vi1 ,vi2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IRe不变不变 VE不变不变beLcd)2/(rRRRAbv其等效电路为：其等效电路为： 因为因为vi1 =- vi2设设vi1 ,vi2 vo1 ,vo2 。由于电路对称由于电路对称 vo1 = vo2 vo= vo1 vo2=-2 vo1 差模电压放大

8、倍数差模电压放大倍数 2i1 iOdvvvAv1 iO122vv1 iO1vv差模输入电阻差模输入电阻beid2rRRb输出电阻输出电阻co2RR (1)(1)加入共模信号加入共模信号设：设： vi1i1= =vi2i2 = =vicic，vidid=0=0。设设vi1 ， vi2 ，使，使vo1 ， vo2 。因因vi1 = vi2， vo1 = vo2 vo= 0 (理想化理想化)。共模电压放大倍数共模电压放大倍数 0vcA四四.差动放大器的输入输出方式差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式: 1. 双端输入、双端输出（双端输入、双端输出（双

9、入双出双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双端输入、单端输出（双入单出双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单端输入、双端输出（单入双出单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单端输入、单端输出（单入单出单入单出） 主要讨论的问题有：主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻beLcd)2/(rRRRAbv1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 （2）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数0vcA（3）差模输入电阻）差模输入电阻beid2rRRb（4）输出电阻）输出电阻co

10、2RRbebLcd2/rRRRAv2. 双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。(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beid2rRRb（3）输出电阻）输出电阻coRR（4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数共模等效电路：共模等效电路：ICOC1c=vvAvebebL2)1 (=RrRReL2RR 3. 单端输入双端输出单端输入双端输出 单端输入等效双端输入单端输入等效双端输入: 因为右侧的因为右侧的Rb+rbe归算到发射归算到发射极回路的值极回路的值(Rs+rbe) /(1+ ) Re，故，故 Re 对对 Ie 分流极

11、小，可忽分流极小，可忽略，于是有略，于是有beLcd)2/(rRRRAbvvi1 = vi2 = vi /2 计算同双端输入双端输出：计算同双端输入双端输出：0vcAbeid2rRRbco2RRbeLcd2/rRRRAbv4. 单端输入单端输出单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号：注意放大倍数的正负号： 设从设从T1的基极输入信号，的基极输入信号，如果从如果从C1 输出，为负号；输出，为负号；从从C2 输出为正号。输出为正号。 计算同双入单出：计算同双入单出： eLc2RRAvbeid2rRRbcoRR (1)(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有

12、关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 差动放大器动态参数计算总结差动放大器动态参数计算总结 双端输出时：双端输出时：beLcd)2/(rRRRAbv 单端输出时：单端输出时：beLcd2/rRRRAbv (2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关： 双端输出时：双端输出时： 单端输出时：单端输出时：0vcAeLc2RRAv (3)(3)差模输入电阻差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。是基本放大电路的两倍

13、。 单端输出时，单端输出时， 双端输出时，双端输出时， coRR co2RR beid2rRRb (4)(4)输出电阻输出电阻(5)(5)共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。是差分放大器的一个重要指标。bebeeLbebLCMR2/)(2/rRRRRrRRKcdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK，或 双端输出时双端输出时KCMR可认为等于无穷大，可认为等于无穷大， 单端输出时共模抑制比：单端输出时共模抑制比：五五. 带恒流源的差动放大电路带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式：根据共模抑制比公式：恒流源的直流电流数值为恒流源的直流电流

14、数值为 IE3 =(VZ - VBE3 )/ Re bebeCMRrRRK 可以看出可以看出：加大加大Re，可以提高共，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源模抑制比。为此可用恒流源T3来代来代替替Re 。恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。恒流源使共模放大倍数减小，从而增加恒流源使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷为无穷大的电阻，所以共模抑制比无穷大。大。恒流源的作用恒流源的作用 1. 若在基本差动放大电路中增若在基本差动放大电路中

15、增加两个电阻加两个电阻Re（如图所示）。则（如图所示）。则动态指标将有何变化？动态指标将有何变化？答：答： 双端输出差模增益双端输出差模增益差模输入电阻差模输入电阻 beLc)21/(rRR VDA idR 2beroLc2/rRR 单端输出共模增益单端输出共模增益VC1Ae)1(R e)1(R eR 增加了增加了Re增加了增加了Re 2. 差动放大电路如图所示。分差动放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：析下列输入和输出的相位关系：反相反相vC1与与vi1同相同相vC2与与vi1同相同相vC1与与vi2反相反相vC2与与vi2反相反相vO与与vi1同相同相vO与与vi23. 静态时

16、，两个输入端是否有静态偏置电流？静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？ 差动放大器实例差动放大器实例1. 镜像电流源镜像电流源基准电流：基准电流：BE1BE2=VVREFI E1E2= IIC1C2= II 无论无论Rc的值如何，的值如何， IC2的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。6.2 集成运算放大器中的单元电路集成运算放大器中的单元电路一一 电流源电路电流源电路RVVIBECCREF=RVCC 因为：因为：所以：所以：2. 微电流源微电流源e2BE2BE1RVV E2C2II e2BERV 由于由于很小，很小，BEV 所以所以IC2也很小也很小3. 多路电流源多路电流源4. 电流源作

17、有源负载电流源作有源负载共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为：becrR 对于此电路对于此电路Rc就是镜就是镜像电流源的交流电阻，像电流源的交流电阻，因此增益比用电阻因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。作负载时大大提高了。放大管放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜像电流源二二. 差动输入级差动输入级1. 有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路T3、T4组成镜像电流源，作组成镜像电流源，作T1、T2的负载。的负载。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。2. 共集共集共基差动输入级共基差动输入级输入

18、阻抗高。输入阻抗高。T3、T4为横向为横向PNP管，可承受几十伏的反向电压管，可承受几十伏的反向电压。6.3 集成运算放大器集成运算放大器 一一. 集成运放的总体结构集成运放的总体结构 二二. 简单的集成运放简单的集成运放u-u+ uo集成运算放大器符号集成运算放大器符号 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+ 输出端输出端 uo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小三三. 通用型集成运放通用型集成运放F007分析：分析：1. 偏置电路：偏置电路：T12、R5和和T11构成了主偏置电路，产

19、生基准电流构成了主偏置电路，产生基准电流：51BE112BEEECCREF)(RUUVVI其他偏置电流都与基准电流有关。其他偏置电流都与基准电流有关。T10、T11和和R4组成微电流源，通过组成微电流源，通过T8和和T9组成的镜象组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。电流源为差动输入级提供偏置电流。T12和和T13管构成多支路电流源。管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为管，其集电极电流和的大小比例为3:1。一路作为中。一路作为中间级的有源负载。一路为输出级提供偏置。间级的有源负载。一路为输出级提供偏置。2. 输入级：输入级：T1 、T2和

20、和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。管组成共集一共基复合差动输入电路。其中其中T1和和T2管作为射极输出器，输入电阻高。管作为射极输出器，输入电阻高。T3 和和T4管是横向管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到输入差模信号达到30V以上。以上。T5 、T6 、T7 和和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿作用的组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功

21、能。3. 中间级：中间级：T16和和T17是复合管组成的共射放大电路，是复合管组成的共射放大电路，T13管作这一级管作这一级的集电级有源负载。的集电级有源负载。T14和和T20管组成互补对称输出级，管组成互补对称输出级，T18、T19和和 R8为其为其提供静态偏置以克服交越失真。提供静态偏置以克服交越失真。T15和和 R9保护保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和管和 R10保护保护 T20管在负向电流过大时不管在负向电流过大时不致烧坏。致烧坏。4. 输出级：输出级：5. 相位分析：相位分析：用用“瞬时极性法瞬时极性法”判定，

22、判定，3号腿为同相端；号腿为同相端；2号腿为反相端。号腿为反相端。 1.输入失调电压输入失调电压Vio 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。3.4 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数2.输入失调电压温漂 dVio /dT在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 4.输入失调电流输入失调电流 Iio ：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差

23、，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。 3.输入偏置电流输入偏置电流IB ：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。2B1BIB21III2B1BIOIII5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIio /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。度的变化量与温度变化量之比值。 6.最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax 7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vi

24、cmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。 9.差模输入电阻差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可欧姆，场效应管输入级可达达109欧姆以上。欧姆以上。 10.共模抑制比共模抑制比

25、 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。UUUAood 11.3dB带宽带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义所定义的带宽的带宽 f H 。 12.转换速率转换速率S R (压摆率压摆率)： 反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率转换速率SR的表达式为的表达式为 maxoRddtuS运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图运算放大器外形图 为满足实际使用中对集成运放性能的

26、特殊要求，为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的除性能指标比较适中的通用型通用型运放外，还有适应不运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。比较突出。 根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。低功耗等几种。3.5 特殊集成运算放大器 一.高速型和宽带型 用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如： CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF