模电第三章集成运算放大器

第三章集成运算放大器§1集成运算放大器的组成§2集成运算放大器的单元电路§3集成运算放大器介绍§4集成运算放大器的主要参数§5集成运算放大器的电压传输特性和理想模型§1集成运算放大器的组成集成电路IC(IntegratedCircuit)在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线制作在一块半导体硅片上而制成的。(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式1、集成电路的分类（1）按功能不同分为数字集成电路模拟集成电路按模拟集成电路的类型分为集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模和模/数转换器、集成锁相环等。（2）按构成有源器件的类型分为双极型单极型2、集成电路的特点（P135）（1）相邻元器件参数对称性好，适于构成差分放大电路；（3）集成电路中电阻阻值范围有一定的局限性；（4）难以集成大电容和大电感；（5）级间采用直接耦合方式；（2）集成电路芯片面积小，集成度高，各元器件工作电流很小，一般在mA以下，功耗很小，一般在mW以下。（6）二极管大多采用BJT的发射结构成。3、集成运算放大器的组成集成运放实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。偏置电路输入级中间级输出级输入级：对整个运放性能指标影响很大，通常采用差动放大器以减小零点漂移。中间级：主要完成放大任务，要求电压增益高，多采用带有源负载的共射组态电压放大器。3、集成运算放大器的组成集成运放实质上是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。偏置电路输入级中间级输出级输出级：为如在提供足够的功率，多采用互补对称功率放大电路。偏置电路：为各级放大器提供合适的静态工作电流。§2集成运算放大器的单元电路一、差动放大电路输入级对整个运放的性能指标影响很大。为消除零点漂移，输入级多采用差分放大电路的形式。由于集成电路中内部元件参数对称性好，而且具有同相偏差，故可以将产生的温漂抵消。引起的漂移电压在阻容耦合放大电路中被电容隔离，不会传到下一级；在直接耦合放大电路中会被不断放大，严重时在输出端会无法区分有用信号和无用信号。1、差动放大电路的工作原理理想情况下，左右两部分元器件参数完全相同。静态时，uI1=uI2=0，则UCQ1=UCQ2，UO=0。若温度升高，使得ICQ1升高而UCQ1降低，则ICQ2与UCQ2也有相同的变化，仍能保持UO=0。VT1和VT2输出端的温漂现象相互抵消。（1）抑制零漂的原理+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL1、差动放大电路的工作原理Re:长尾电阻的作用是引入一个共模负反馈。若在输入端加正的共模信号，两管集电极电流iC1、iC2同时增大，则Re上流经的电流为2iE1，发射极电位大大提高，使得两管uBE1、uBE2下降，从而抑制了iC1和iC2的升高。即长尾电阻的存在可以抑制温漂。若在输入端加差模信号，则iC1增加多少iC2就减小多少，即引起的变化量大小相等方向相反，则Re上的电流变化量为0，发射极电位不变，两管uBE1、uBE2也不变，所以没有差模反馈作用。（1）抑制零漂的原理+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL1、差动放大电路的工作原理－VEE:Re引入的共模负反馈对Ad没有影响，但大大降低了Ac，而且Re值越大抑制零漂的效果越好。

但若Re过大，其上的直流压降会很大，两管的射极电位很高，则净输入信号很小，使输出电压变化范围很小，电路动态性能变差，故引入一负电源来补偿长尾电阻Re上的直流压降。引入负电源后静态基极电流可由此负电源提供，故可将基极偏置电阻去掉。（1）抑制零漂的原理+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL1、差动放大电路的工作原理（2）信号输入方式+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL差模输入电压：共模输入电压：比较输入电压：uI1与uI2大小相等，极性相反，记作uId。uI1与uI2大小相等，极性相同，记作uIc。uI1与uI2的大小极性任意。可认为是某个差模信号和某个共模信号的组合。1、差动放大电路的工作原理（2）信号输入方式+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL例1:

uI1=10mV,uI2=6mV分解为：uI1=8mV+2mV

uI2=8mV－2mV

uId=4mVuIc=8mV例2:

uI1=10mV,uI2=16mV分解为：uI1=18mV+2mV

uI2=18mV－2mV

uId=4mVuIc=18mVuId=

uI1－uI2uIc=（uI1+uI2）12放大器只放大两个输入信号的差值信号—差动放大电路。分别分析差放对差模信号和共模信号的响应再叠加即可。电路结构对称：IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，UCQ1=UCQ2=UCQ，

1=

2=基极回路有：IBQRb+UBEQ+2IEQRe－VEE=0ICQ

IBQ1、差动放大电路的工作原理（3）静态分析+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL2、差动放大电路指标的计算理想情况下，Ac=0，KCMR=∞。描述差放对零漂的抑制能力，其值越大越好。+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL差模电压增益：共模电压增益：共模抑制比：+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL差模电压放大倍数多用一倍元件，电压放大倍数同单管，但抑制了零漂。2、差动放大电路指标的计算2、差贝动放麦大电戚路指填标的衬计算+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERL分析Aud、Auc、rid、ro，KCM螺R。双端输入，双端输出双端输入，单端输出单端输入，单端输出单端输入，双端输出①双贩端输咸入，逮双端钻输出VT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2RLuId1212uId输入秩差模勾信号uId时，田有Re上的霜电流舞变化汁量为0，即剖发射育极交勉流电寻位为0，Re视为心交流幻玉短路确。输入劲差模割信号耕时一沈管集罢电极毒电位蔽升高垮另一赞管集含电极卖电位校下降怎，可菌认为逆负载RL中点蔬处电倦位保悔持不纺变，羊相当剂于交屑流接醉地。另于是朵每边欢电路罢的负交载为RL/2。先分棵析单额边电祖路RC1RC2Rb2Rb1rbe1RL12RL12－uOd+－uId+rbe2β1iB1β2iB2iB1iB2从两灶管输涨入端学往里哈看两管梦集电妈极间到的输盛出电羽阻结论侦：多用凉一倍另元件相，Aud同单营管，Auc=0，输佩入电古阻增绩大，营输出酬电阻职也增委大；核这种招接法严抑制职温漂法能力稳很强费；共稼模抑场制比KCM壶R理想阅情况抢下为∞。RC1RC2Rb2Rb1rbe1RL12RL12－uOd+－uId+rbe2β1iB1β2iB2iB1iB2②双宵端输坡入，傲单端岛输出+VCCRC1RC2Rb2Rb1+Re－VEERL－uOuId+－RC1RC2Rb2Rb1rbe1RL－uOd+－uId+rbe2β1iB1β2iB2iB1iB2差模火输出伟仅为友双端枝输出坚时的阻一半宜，故Ad应为辩双端铅输出案时的房诚一半金。这种搬接法术主要矮用于乱将差萌分信壳号转缝换为庭单端赖信号屯，以情便与辛后面佣的放滨大级尾实现荒共地弹。如果揪在VT2集电饰极单妄端输杨出，芹则差孕模增源益为县正值埋。RC1RC2Rb2Rb1rbe1RL－uOd+－uId+rbe2β1iB1β2iB2iB1iB2单端磁输出宏时共嗓模电摸压增眉益显远然不抽为0，且跌共模主信号锄响应兽中Re不再速交流蒙短路两。如果前在VT2集电之极单租端输抗出，错则共敌模增先益为凝正值梨。RC1RC2R2R1rbe1RL－uOd+－uId+rbe2β1iB1β2iB2iB1iB2+－－++－+－③单袭端输抬入，养双端铁输出单端晶输入筑可等纱效为谅双端汤输入链。+VCCVT2VT1RC1RC2R2R1+uO－uI1=uIduI2=0Re－VEERe与VEE的作辽用不下变，汁单端纯输入陵与双脖端输胁入的周情况句近似燥一致问。这种规接法猎主要后用于浮将单格端信劈燕号转图换为订双端随输出吵，以姑便作浊为下阁一级卧的差妖分输搜入。+－－+④单捎端输钩入单应端输摸出+－+－+VCCVT2VT1RC1RC2R2R1+uI1=uIduI2=0Re－VEE－uO这种俗接法凝的特杂点是张比一蜻般的泳单管拴电路阀有较烧强的鲜抑制哑温漂再的能吐力，霞另外萍，通增过不竹同三晓极管逝的集雾电极槽输出馆，可猫以使滑输出场电压岩与输咽入电检压同芒相或渐反相贩。2、长踩尾式惠差分垄放大表电路（3）结姜论①双猴端输范出时轻，Aud与单霜管Au基本脸相同误；单晚端输候出时馆，Aud约为勉双端贿输出洪时的势一半摄。②双片端输擦出时骑，ro=字2Rc；单刮端输沸出时没，ro=Rc。③双秀端输合出时贤，因则为两乳管集味电极郑电压效的温饼漂相政互抵善消，衣故理计想情宵况下打，KCM洗R=；单啊端输求出时全，由效于通压过长股尾电结阻或许恒流仓三极庭管引煮入了永很强跑的共便模负鼓反馈灶，因乖此仍网能得啦到较责高的干共模趴抑制译比，扬但不何如双准端输倒出高贵。④单枪端输文出时时，可崭以选罢择从猫不同妻的三情极管廊输出姐，而猫使输吧出电孙压与赔输入碧电压喉反相咽或同肆相。⑤单路端输粗出时否，由是于引菌入很沈强的杠共模银负反挥馈，照两个化管子冰仍基胁本工户作在宏差分抗状态眼。⑥单孟端输蜜出时寺，纤从一侍个三象极管派到公五共端戏之间愚的差压模输帽入电早阻rid2(Rb+rbe)。差分令放大吉电路飞四种讨接法蛋的性缝能比顿较接法性能差分输入双端输出差分输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出AudKCMR很高很高较高较高ridro3、差糊动放柜大电茧路的膊改进差动爹放大销电路螺是利述用BJ询T和两天边电汇阻的合对称掏性来糊抑制具共模嘉信号序的，骗但实询际上艘电路爸不会馅绝对颤对称办，这饼就有块可能讽在静观态时怜输出王信号很不为0。解决废的方羞法是祥在电绪路中曾增加渔一个济调零歇电位磁器RW。+VCCVT2VT1RC1RC2Rb2Rb1+uO－uI1uI2Re－VEERW+VCCRC1RC2R2R1+uO－uI1uI2Re－VEERWRL例题估算Q点、Ad、Rid和RO。RC1=RC2=30KΩ，VCC=VEE=12V，β1=β2=50，Rb1=Rb2=R=10KΩ，Re=27KΩ，Rw=500Ω，设Rw滑动端处在中点位置，负载电阻RL=20KΩ。解：由三短极管道基极梢回路拦可知RC1RC2R2R1+uO－uI1uI2RL0.5RW0.5RW+VCCRC1RC2R2R1+uO－uI1uI2Re－VEERWRL例题估算Q点、Ad、Rid和RO。RC1=RC2=30KΩ，VCC=VEE=12V，β1=β2=50，Re=27KΩ，设Rw滑动端处在中点位置，负载电阻RL=20KΩ。Rb1=Rb2=R=10KΩ，Rw=500Ω，RC1RC2R2R1rbe1RL12－ΔuOd+－ΔuId+rbe2β1ΔiB1β2ΔiB2ΔiB1ΔiB20.5RW12RL0.5RWRC1RC2R2R1rbe1RL12－ΔuOd+－ΔuId+rbe2β1ΔiB1β2ΔiB2ΔiB1ΔiB20.5RW12RL0.5RW二、惨恒流界源式早差分俊放大叶电路长尾讲电阻Re越大眉，抑舰制温猎漂的稻效果白越好昌，但Re过大分会使尽其上千的直夺流压肉降过驱大而慢影响风动态糟特性稠，故福要用务负电臣源－VEE补偿Re上的母直流香压降捷，但Re越大骡需要临的负围电源－VEE就越含大。解决这方法贱是用适一种珍直流甩电阻犹不大络而交某流电困阻很面大的塔电路扛来取奇代长片尾电示阻Re。恒流忆源用三风极管寇取代Re，既堵能抑樱制温袋漂，慌又便孔于集殊成，皇也不疮再需恋要过斑大的弊负电荡源。ΔiCΔuCEiCuCE0电流肃源主路要为除各级警放大腾电路啊提供弓合适野的静肺态工语作电身流（滔偏置飞电流监）、跳确定伍各级秘的静萌态工竞作点希、作湿为放种大电史路的蹦有源业负载舌、提午高运骑放的胡单级贸增益抢等。与分隙立放川大电挨路中剖的偏枝置电尸路有序很大闸区别有。1、镜兵像电煎流源透（Cu绍rr妙en岁t镰M腊ir秆ro附r电流显镜）2、比访例电扭流源秃（多朝支路训电流射源）3、微鸭电流浸源二、缓恒流坝源式绕差分相放大纺电路4、威寄尔逊镜电流氏源5、作算为有馅源负它载的育电流波源电避路1、镜论像电衔流源箩（Cu烦rr肚en烦t洗M姨ir岭ro脊r电流晚镜）VCCRVT1VT2IREFIC1VT浴1和VT氧2基极勿相连脉，完棍全对桐称。IB12IBIB2+－UBE2+－UBE1IC2电流倍源通设过R和VT1产生肌一个楼基准罩电流辞：1、镜嘉像电踏流源稻（Cu因rr岁en扫t牢M秤ir仍ro贡r电流敏镜）VCCRVT1VT2IREFIC1VT队1和VT运2基极触相连煎，完胖全对樱称。IB12IBIB2+－UBE2+－UBE1IC2IC2是IRE茧F的镜你像，凉其大妈小仅概取决面于VCC和R。1、镜酒像电诱流源盐（Cu充rr赶en私t虎M桃ir饶ro弊r电流回镜）VCCRVT1VT2IREFIC1镜像禾电流茶源结特构简龙单，双且具窑有一截定的史温度誉补偿遇作用念。IB12IBIB2+－UBE2+－UBE1IC2T↑IC1↑,IC2↑IRE善F=IC1+2IB↑↑↓IB1↓,IB2↓IC1↓,IC2↓2、比垂例电极流源VCCRVT1VT2IREFIC1IB12IBIB2IC2IE1IE2+－UBE2+－UBE1R1R2忽略喷基极胡电流治，即IC≈IE与两竹管集贱电极框电流盗之比拨近似奔等发册射极铺电阻兄成反脸比，脾故称痰为比命例电使流源知。2、比窃例电秘流源VCCRVT1VT2IREFIC1IB12IBIB2IC2IE1IE2+－UBE2+－UBE1R1R2比例马电流型源结其构简场单，絮接入梅发射志极电沈阻后籍比电款流镜团的温贴度补针偿作琴用更狐好。但这乖两种攻电流威源有扁共同隙的缺天点：夸当直典流电表源变足化时铃，IC2几乎昨按同游样的锐规律面波动这，因犁此不凝适用逆于直堤流电违源在北大范姐围内别变化暑的集材成运确放。此外舰，往棒往所展需要团的静材态偏密置电多流很庄小（mA级）读，这龟就需拢要阻闪值较吸大的器发射惯极电妈阻，推这在坏集成译工艺润中不吨易实监现。解决疯的方造法是匪使用疼微电云流源视。3、微股电流怎源VCCRVT1VT2IREFIC1IB12IBIB2IC2IE1IE2+－UBE2+－UBE1Re在Re不大唇的情犯况下恼即可致得到战较小爽的输牙出电落流IC2，为篇放大遗电路养提供每较小丸的基午极偏鞭置电狭流。由二援极管军方程满得：3、微苗电流进源VCCRVT1VT2IREFIC1IB12IBIB2IC2IE1IE2+－UBE2+－UBE1Re与镜捡像电连流源屡相比瓜，微淡电流困源有犹如下脂特点扛：①味当VCC变化编时，IC2和IRE肥F也要昂作同陪样的店变化结，但漠由于Re的负极反馈致作用劫，IC2的变扬化将意小得利多，盲因此部提高删了恒练流源甲对电携源变鄙化的胀稳定任性。③苹提高议了恒袭流源慰对温炼度变漂化的窝稳定群性。T↑IC1↑,IC2↑IRE算F=IC1+IB1+IB2↑↑↓↓↓IB2↓↓IC2↓↓②Re引入鼻了电缸流反锋馈。4、威表尔逊拥电流启源+VCCRIREFT2T3IC1IB2IB3IB1IC2T1IE1IC3T1、T2、T3参数笋对称誓。5、作元为有匪源负罚载的振电流苦源电来路但增井大RC将影桥响静臣态工弄作点虎，使皮放大汁器的舟动态宣工作宽范围塑减小嘴。电流歪源有胃直流羽电阻密小而龟动态政电阻原大的辟特点流，可狭代替扁集电派极电穿阻，个有效盈提高义该级测放大薄电路稍的电答压增占益，津特禽别是统负载革电阻苗较大赴的场扒合，梨效果泉更为絮突出竹。例题+VCCVT10VT11IREFIC10R4R5VT12VT13IC13－VEE此电枕路为苦集成终运放LM漆74桨1偏置伶电路讽的一纱部分捞。VCC=VEE=1针5V，所妥有三轧极管UBE=0时.7漂V，其胳中NP电N管的β＞＞2，PN见P管的β=2，R5=3渠9kΩ。①物估算着基准躬电流IRE关F。②省分析刚电路欣中各值三极摸管组垂成何垒种电趣流源桨。③币估算VT13的集杠电极狭电流IC1捎3。④跃若要浑求IC1惧0=敬28μA，试需估算供电阻R4。解：①由饱电路督可知②VT12和VT13组成躁镜像碗电流榨源，VT10、VT11和R4组成颜微电仔流源眠。例题+VCCVT10VT11IREFIC10R4R5VT12VT13IC13－VEE此电谱路为蓝集成怎运放LM筝74蚕1偏置缴电路动的一会部分桃。VCC=VEE=1奸5V，所谎有三测极管UBE=0鹊.7剃V，其章中NP勿N管的β＞＞2，PN之P管的β=2，R5=3全9kΩ。①硬估算政基准尤电流IRE弦F。②探分析标电路欣中各饿三极迟管组其成何恢种电京流源溉。③顺估算VT13的集埋电极偶电流IC1借3。④油若要词求IC1持0=讯28μA，试游估算案电阻R4。③横磨向PN水P三极吹管VT12和VT13不满部足β＞＞2，故挠不能匪简单巧地认筐为IC1廊3≈IRE围F。例题+VCCVT10VT11IREFIC10R4R5VT12VT13IC13－VEE此电邮路为杀集成洗运放LM裙74采1偏置强电路规的一榆部分套。VCC=VEE=1毒5V，所健有三鄙极管UBE=0访.7坝V，其蕉中NP框N管的β＞＞2，PN昼P管的β=2，R5=3愁9kΩ。①罢估算史基准贵电流IRE傅F。②获分析榜电路辛中各拾三极链管组球成何觉种电慨流源波。③惊估算VT13的集冷电极膊电流IC1致3。④比若要模求IC1偿0=绪28μA，试滴估算蝇电阻R4。④NP却N三极脸管VT10和VT11满足β＞＞2，故夜可以录认为IC1互1≈IRE烈F=0市.7唐3m汉A。§3集成具运算赏放大杏器介悦绍通用君型运程算放若大器的技系术指拣标比茅较适块中，乏价格界低廉颠。高速上型和矮宽带港型用于科宽频毕带放棉大器培、高赌速A/莲D和D/厦A，高滚速数涛据采越集测抗试系播统。高精捡度(低漂湾移型弹）用于拳精密惕仪表排放大桌器，轻精密坐测试称系统脸，精佣密传增感器琴信号辣变送沸器等洪。高输炉入阻斥抗型用于惠测量败设备振及采忽样保辞持电搬路中很。低功血耗型用于采空间碰技术驳和生赶物科愉学研海究中砌，工呀作于娘较低龙电压尾下，级工作的电流唉微弱度。功率况型这种讲运放起的输料出功额率可日达1丑W以上抬，输走出电廉流可宜达几容个安涂培以透上。§4集成匹运算彩放大秩器的单主要炸参数A+－U+U－UOA：电压级放大抬倍数U+：U－：同相记输入劝端信号渐由此垒输入独时，茧输出孟与输纠入同文相。UO：输出桑端反相生输入笑端信号把由此烈输入拴时，屋输出兼与输善入反透相。一、幕输入协失调壶参数为使兄输出强电压疯为0，在鞋输入插端所发需要桂的直详流补可偿电子压。1、输椒入失周调电溪压UIOUIO的大迷小反技映了旋运放毅差放代输入肢级的包不对馅称程伶度。一般跃运放增：UIO为1应~对10建m料V；高质牧量运瓶放：UIO为1座mV以下搅。2、输笋入失洲调电度压温轮漂αUIOUIO的大挤小随兼温度白的变测化而有变化芦。表示罗失调下电压轨在规寒定工剪作范漠围内龟的温告度系筝数，有是衡疲量运愈放温电漂的疮重要斤指标。一般匙运放浑为否每度10榆~汇2传0V；高质坛量运周放低湖于每锯度0.印5V以下话。一、诵输入鞋失调伐参数3、输供入失齐调电首流IIO当输洁出电框压等渔于零峰时，攻两个即输入季端偏屈置电呢流之殖差。一般屿运放策为趣几十~一百蚀纳安酷；高停质量哲的低定于1nA。4、输疗入失答调电撑流温啊漂αIIO一般落运放堆为每窗度几笑纳安描；高颤质量愿的每预度几吉十皮浪安。5、输沟入偏穿置电葱流IIB输出需电压搁等于狂零时化，两预个输杠入端肠偏置猾电流僻的平怖均值丢。二、不差模宁特性吃参数1、开会环差剂模电蛮压放举大倍辞数Auo理想较情况Auo为无妥穷大组；实桶际情宪况Auo为10此0效~拨14推0dB。2、差祝模输滴入电技阻rid衡量肆集成仪运放死向信估号源跟索取食电流务的大曲小。一般闻集成皇运放爪为几傍兆欧秆。3、最犯大差企模输烘入电具压Uid屯m剃ax反相妈输入奇端与榆同相文输入俩端之奏间能忽够承熟受的孩最大腰电压诉。若超争过这沾个限啊度，抢输入忠级差趁分对在管中候的一演个管脾子的勺发射蚂结可疾能被自反向怀击穿粱。三、枯共模昆特性味参数1、共版模抑盾制比KCM沫R开环泻差模因电压捷增益辩与开命环共卫模电樱压增乐益之今比。衡量蒸集成都功放寺抑制私温漂庆的能绢力。多数酷集成租运放尿在80番d放B以上叛，高圣质量港的可奏达16颗0察dB。2、最董大共楼模输专入电硬压Uic捎m芳ax输入题端所穴能承镇受的昼最大睛共模写电压沃。一般蛾定义脊为KCM舞R下降6d雕B时的纲共模电输入截电压叉。四、纠动态锈参数1、拍开环义带宽fBW（fH）一般零集成乱运放fH只有扮几赫爬至几绪千赫妨。2、顷转换察