第6章集成电路运算放大器(new)课件

1、第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器第第6章章 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 61 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 62 电流源电路电流源电路 63 差动放大电路差动放大电路64 集成运算放大器集成运算放大器65 集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器61 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运放是一种多级放大电路， 性能理想的运放应该具有电压增益高、 输入电阻大、 输出电阻小、 工作点漂移小等特点。 与此同时， 在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约。 因此， 集成运放在

2、电路设计上具有以下特点： (1) 级间采用直接耦合方式。 (2) 尽可能用有源器件代替无源元件。 (3) 利用对称结构改善电路性能。 (4) 利用复合结构电路。 (5) 电路中二极管常用三极管的发射结代替。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组成结构看，一般是由输入级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成，如图61所示。 输入级中间级输出级电流源电路UiUo第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器62 电流源电路电流源电路 电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流，另一方面可作为有源负

3、载，提高单级放大器的增益。下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运放中常用的电流源电路。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 一、单管电流源电路一、单管电流源电路 图62(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性曲线。由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个恒流源。由交流等效电路知，它的动态内阻为rce，是一个很大的电阻。为了使IC更加稳定，可以采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈)，便得到图62(b)所示的单管电流源电路。图62(c)为该电路等效的电流源表示法，图中Ro为等效电流源的动态内阻。利

4、用图62(b)电路的交流等效电路可以证明，Ro近似为第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器IC0IBUCER1R2ICR3UEEICRo(a)(b)(c) 图62单管电流源电路 (a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路； (c)等效电流源表示法 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 式中，RB=R1R2。 需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。 )1 (33BbeceoRRrRrR(61) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 二、镜像电流源二、镜像电流源 在单管电流源中，

5、要用三个电阻，所以不便集成。为此，用一个完全相同的晶体管V1,将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3，便得到图63所示的镜像电流源电路。由图可知，参考电流Ir为rCCrBECCrRURUUI(62) 由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。由图可知 1211222CrBrCCIIIIII(63) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器UCCRrIrIC1V1V2IC2 图63 镜像电流源 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 如果11,则IC2Ir。可见，只要Ir一定，I2就恒定；改变Ir，IC2也跟着改变。两者的关系好比物与镜中的物像一样，故称为镜像电流

6、源。 因此可得 2112rCII(63) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 三、比例电流源 如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系，可采用图64所示的比例电流源电路。由图可知222111RIURIUEBEEBE(64)因为 12212121222111lnlnlnlnEETEETBEBESSSETBESETBEIIUIIUUUIIIIUUIIUU所以 (65) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器RrIrIC2V2V1R2UCCUBE1UBE2R1IE2IE1IB1IB2 图64比例电流源 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 即室温下，两管的UB

7、E相差不到60mV，仅为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此，可近似认为UBE1UBE2。这样，式(63)简化为 当两管的射极电流相差10倍以内时： mVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121rCEEIRRIRIRI2122211若11 ，则IE1Ir, IE2IC2,由此得出(66) (65) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。参考电流Ir现在应按下式计算： 111RRURRUUIrCCrBECCr(67) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 四、微电流电流源四、微电流电流源 在集成电

8、路中，有时需要微安级的小电流。如果采用镜像电流源，Rr势必过大。这时可令图64电路中的R1=0,便得到图65所示的微电流电流源电路。 由式(62)、(63)可知，在R1=0时： 2122122ln)(1EETBEBEEIIRUUURI当11时，IE1Ir，IE2IC2，由此可得222lnCrCTIIIUR (68) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器RrIrIC2V2V1UCCR2 图65微电流电流源 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 此式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算出所需的电阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10A时，则R2为 kR121

9、01000ln10101026632如果UCC=15V，要使Ir=1mA,则Rr15k。 由此可见，要得到10A的电流，在UCC=15V时，采用微电流电流源电路，所需的总电阻不超过27k。如果采用镜像电流源，则电阻Rr要大到1.5M。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 五、负反馈型电流源五、负反馈型电流源 以上介绍的几种电流源，虽然电路简单，但有两个共同的缺以上介绍的几种电流源，虽然电路简单，但有两个共同的缺点：一是动态内阻不够大，二是受点：一是动态内阻不够大，二是受影响大。解决的办法引入电影响大。解决的办法引入电流负反馈。流负反馈。RrIrIC2V2V1UCCIE3IC3IC

10、1IB3V3图66 威尔逊电流源 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器2211333333213131231,2CCCEECCCCCBCrrBECCrBEBECCrIIIIIIIIIIIIIRUURUUUI又 (69) 若三管特性相同，则1=2=3=,求解以上各式可得rCII)2221 (23(610)第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 可见，威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻，而且输出电流受的影响也大大减小。 利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻Ro为ceorR2(611) 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 六、有源负载放大器六、有源负载放大器

11、 集成运放要有极高的电压增益，这是通过多级放大器级联实现的。在电压增益一定时，为了减少级数，就必须提高单级放大器的电压增益。因此，在集成运放中，放大器多以电流源作有源负载。 典型的有源负载共射放大电路如图68(a)所示。图中，V2,V3管构成镜像电流源作V1管的集电极负载。由于该电流源的动态内阻为rce3，所以此时V1管的电压增益只需将共射增益表达式中的RC用rce3取代即可。当实际负载RL通过射随器隔离后接入，则该级放大器可获得极高的电压增益。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器(a)(b)UCCV3V2uoV1uiRrUCCV3V2IC1V1uiIC3IC2uoI 图68有源

12、负载放大器(a)共射电路；(b)具有倒相功能的共射电路第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 图68(b)为另一种接法的有源负载共射电路。V3 ,V2管组成镜像电流源作V1管的有源负载，而输出取自恒流管V2的集电极。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器63 差动放大电路差动放大电路 63 1 零点漂移现象零点漂移现象 单级共射放大器如图69所示。由前面讨论可知，在静态时，由于温度变化、电源波动等因素的影响，会使工作点电压(即集电极电位)偏离设定值而缓慢地上下漂动。这种现象称为零点漂移现象。零点漂移现象。第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器UCCRCUCRBU

13、ip 图69 放大器的零点漂移 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 63 2差动放大器的工作原理及性能分析差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图610所示。它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射极连接并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极耦合差动放大器。第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2RE UEEV1V2Uo 图610 基本差动放大器 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器一、一、静态工作点。 为了使差动放大器输入端的直流电位为零，通常都采用正、负两路电源供电。由于V1,V2

14、管参数相同，电路结构对称，所以两管工作点必然相同。由图可知，当Ui1=Ui2=0时：VUUBEE7 . 0则流过RE的电流I为EEEEEEERURUUI7 . 0)(612)第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 可见，静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。下面分析差动放大器的动态特性。分析过程中特别提醒读者注意射极公共电阻RE的作用。7 . 0211211212121CQCCCECQEQECQCCCQCQCQEQEQCQCRIUUUUURIUUUIIIII故有 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器二、差模放大特性二、差模放大特性 如果在图610差动电路的两个输入

15、端加上一对大小相等、相位相反的差模信号，即Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而Uid1=-Uid2。由图可知，这时一管的射极电流增大，另一管的射极电流减小，且增大量和减小量时时相等。因此流过RE的信号电流始终为零，公共射极端电位将保持不变。所以对差模输入信号而言，公共射极端可视为差模地端，即RE相当对地短路。第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 通过上述分析，可得出图610电路的差模等效通路如图611所示。图中还画出了输入为差模正弦信号时，输出端波形的相位关系。利用图611等效通路，我们来计算差动放大器的各项差模性能指标。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器图611

16、基本差动放大器的差模等效通路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUod第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 1. 差模电压放大倍数差模电压放大倍数 差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。在双端输出时，输出电压为212121212222idididididodododododUUUUUUUUUU输入差模电压为 所以 beLidodidodidodudrRUUUUUUA2211 式中，RL=RC RL。可见，双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数。 21第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 可见，这时的差模电压

17、放大倍数为双端输出时的一半，且两输出端信号的相位相反。需要指出，单端需要指出，单端输出时的负载输出时的负载R RL L接在一个输出端到地之间接在一个输出端到地之间，则计算Aud时，总负载应改为RL=RCRL。 单端输出时，则 beLudidodidodudbeLudidodidodudrRAUUUUArRAUUUUA22122212112(111(单）单）或 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 2. 差模输入电阻差模输入电阻 差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比。由图413可得beidididididrIUIUR221 3. 差模输出电阻差模输出电阻 双端输出时为Co

18、dCodRRRR单）(2单端输出时为 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器三、共模抑制特性共模抑制特性 如果在图610差动放大器的两个输入端加上一对大小相等、相位相同的共模信号，即Ui1=Ui2=Uic,由图可知，此时两管的射极将产生相同的变化电流iE，使得流过RE的变化电流为2iE，从而引起两管射极电位有2 RE iE的变化。因此，从电压等效的观点看，相当每管的射极各接有2 RE的电阻。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 通过上述分析，图610电路的共模等效通路如图612所示。利用该电路，现在来分析它的共模指标。 1.共模电压放大倍数共模电压放大倍数 双端输出时的

19、共模电压放大倍数定义为 icicocicocucUUUUUA21 当电路完全对称时，Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零，即Auc=0。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2RE图612 基本差动放大器的共模等效通路 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 单端输出时的共模电压放大倍数定义为EbeCicocicocucicocucicocucRrRUUUUAUUAUUA2)1 (21(2(1(单）单）单）或由图414可得 通常满足(1+)2RErbe，所以上式可简化为 ECucRRA2(单）第第6章章

20、集成电路运算放大器集成电路运算放大器 可见，由于射极电阻2RE的自动调节(负反馈)作用，使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小。在实际电路中，均满足RERC，故|Auc(单)|0.5，即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制。共模负反馈电阻RE越大，则抑制作用越强。第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 2. 共模输入电阻共模输入电阻 由图414不难看出，共模输入电阻为2)1 (2121EbeicicicicicRrIUIUR 3.共模输出电阻共模输出电阻 单端输出时为 双端输出时为CocRR)(单CocRR2)(双第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器四、共模抑制比共模抑制

21、比KCMR 为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，我们引入参数共模抑制比KCMR。它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即ucudCMRAAK)(lg20dBAAKucudCMRKCMR也常用dB数表示，并定义为 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性。在双端输出理想对称的情况下，因Auc=0,所以KCMR趋于无穷大。但实际的差动电路不可能完全对称，因此KCMR为一有限值。在单端输出不对称的情况下，KCMR必然减小，可求得ucudCMRAAK第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器五、对任意输入信号的放

22、大特性对任意输入信号的放大特性 如果在图610差动放大器的两个输入端分别加上任意信号Ui1和Ui2，即Ui1和Ui2既不是差模信号，也不是共模信号，这时可以把Ui1和Ui2写成如下形式： 222121211212112222icidiiiiiicidiiiiiUUUUUUUUUUUUUU第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 不难看出，差动电路相当输入了一对共模信号21212121212122iiidididiiididiciiicicUUUUUUUUUUUUUU和一对差模信号 根据定义，这时的差模输入电压为第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 633具有恒流源的差动放大

23、电路具有恒流源的差动放大电路 图610所示的基本差动放大器，存在两个缺点：一是共模抑制比做不高，二是不允许输入端有较大的共模电压变化。对于前者，是因为差放管V1,V2的rbe与RE相关，即RE较大而忽略rbb时，rbe可近似为EETEEQTbeUURIUr2)1 ()1 ( 与RE成正比。对于单端输出，将上式代入KCMR得：TEECTLEECMRUURURUK22(单）第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 若UEE=15V，则室温下，KCMR(单)的上限约为300，而与RE的取值无关。对于双端输出，在电路不对称时，也有类似情况。可见，不能单靠增大RE来提高共模抑制比。对于后者，因为

24、输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化，进而将影响差放管的静态工作电流，使rbe改变。因此，输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化，这是我们不希望的。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 为此，用恒流源代替图612电路中的RE，可以有效地克服上述缺点。一种具有恒流源的差动放大电路如图613(a)所示。图中，恒流源为单管电流源。这是分电流源、小电流电流源等。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器RCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2(a)(b)UCCRCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCC 图613具有恒

25、流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替RE的差动电路；(b)电路的简化表示 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器图613(a)电路的静态工作点，可按以下方法估算：CQCBECCQCEQCECQCQCBERECEERRIUUUUIIIRUUIIURRRU1213213332122122第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器RCRCiC1uidV1V2uo UEEIiC2UCC 图6-14 简化的差动放大器第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 【例3】电路如图6 - 15所示, 设UCC=UEE=12V,1=2=50, Rc1=Rc2=100k, RW=200

26、, R3=33k, R2=6.8k, R1=2.2k, Rs1=Rs2=10k。 (1) 求静态工作点。 (2) 求差模电压放大倍数。 (3) 求RL=100k时, 差模电压放大倍数。 (4) 从V1管集电极输出, 求差模电压放大倍数和共模抑制比KCMR(设rce3=50 k)。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器R2UoR1R3V1V2c1c2 UCC UEERWRc1Rc2Rs1Rs2Ui1Ui2V3图6 15 例3电路图 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器解解 (1) 静态工作点静态工作点: VUURRRUEECCR87. 5248 . 62 . 22 . 2

27、)(2111设UBE3=0.6V, 则 VUR27. 56 . 087. 53所以VRIUUUIIIIAIIIAmARUIccCCcccEcEEEERE410008. 012,802116016. 03327. 511212211321333第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器VmVRIUUAIIIsBBBcBB016. 01610106 . 16 . 150804611121121所以一般估算时, 认为UB0。 12111211()(0.60.016 )0.61640.6164.6EEBEBCECEcEUUUUVVVUUUUV 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器(2

28、) 差模电压放大倍数: 2)1 (1111WbesLudRrRRA其中 1112626(1)2005116.80.0850 10015710 16.851 0.1LcbebbEudRRrrkIA 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器(3) 当RL=100 k时： 521 . 0519 .16103 .33503 .3350/1002/1udLcLAkRRR第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器(4) 当单端输出时(从V1管c1极输出): 2)1 (211WbesLudRrRRA单kRRRLcL50/其中 391 . 0519 .1610505021单udA单端输出时, 共

29、模电压放大倍数为)22)(1 (311oWbesLucrRrRRA单第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器式中 cebeoLcLrRRRrRrkRRR2133/150/33而 kIrrEbbbe6 . 816. 0265130026)1 (33所以 61096. 1507 . 1336 . 8335013or第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器故 013. 03800519 .16105050单ucA其共模抑制比为 3930000.013201201 300069.5udCMRucudCMRucAKAAKggdBA单单单单第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器

30、634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 理想对称的差动放大器，当输入信号为零时，双端输出电压应为零。但是在实际电路中，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。我们把这种零输入时输出电压不为零的现象，称为差动放大器的失调。第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 由于差动放大器存在失调，因而实际电路中应设法进行补偿。具体的办法是在电路中加入调零措施。一种方法是在集成电路的制造过程中，采用电阻版图激光处理技术，调整集电极电阻，使零输入时零输出。这种方法效果好，但成本高。另一种方法是在外电路中加调零电位器，通过实地

31、调整，作到零输入时零输出。图617示出了两种常用的调零电路，分别称为射极调零和集电极调零电路。 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器(b)RCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRS(a)RCRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRC 图617差动放大器的调零电路 (a)射极调零; (b)集电极调零 第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移 差动放大器虽然可以通过调零措施，在某一时刻补偿失调，作到零输入时零输出,但是失调会随温度的改变而发生变化。对这种随机的变化，任何调零措施还作不到理想跟踪调整。因此，差动放大器仍有零点的温度漂移

32、(简称温漂)现象。那么失调的温漂有多大呢? 失调电压UIO的温漂，可以通过式对温度T求导得出，并考虑到RC/RC、IS/ IS在很宽的温度范围内基本恒定，则第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器IOIOBIOIOTSSCCTSSCCIOCIIdTddTdIdTdUTUTUIIRRdTdUIIRRdTdU11)()(第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器64 集成运放电路举例集成运放电路举例 641集成运算放大器集成运算放大器F007 双极型集成运放F007是一种通用型运算放大器。由于它性能好，价格便宜，所以是目前使用最为普遍的集成运放之一。F007的电路原理图如图618所示。图中各引出端所标数字为组件的管脚编号。F007由三级放大电路和电流源等组成，下面分别作一介绍。第第6章章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器V8V92V1V23V3V4V7IC3IC4IC5V5V6IC61R11kR350kR21k5R43.2kV10V12V13V114.5kC30pR539kR7R67.5kV16V17V15VD1VD2V19V18R850R925V147(15 V)64(15 V)I0 图618