集成运放的基础知识

1、2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院1第第1章章 集成运放的基础知识集成运放的基础知识1.1 集成运放的基本组成电路集成运放的基本组成电路1.2 集成运放的基本构成和表示符号集成运放的基本构成和表示符号1.3 集成运放的主要参数和分类集成运放的主要参数和分类1.4 集成运放的等效模型集成运放的等效模型1.5 实际运放与理想运放的误差实际运放与理想运放的误差1.6 运放电路的稳定性及其判断运放电路的稳定性及其判断1.7 集成运放的相位补偿技术集成运放的相位补偿技术2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院2运放电路是各种电子电路中最基本的组成部分。运放电路是各种电子电路

2、中最基本的组成部分。 引言引言 集成运算放大器集成运算放大器IC Operational Amplifer（缩写（缩写为为OP-Amp）简称为）简称为集成运放集成运放，它是二十世纪六，它是二十世纪六十年代发展起来的一种十年代发展起来的一种高增益直接耦合放大器。高增益直接耦合放大器。 集成运放与其它集成电路一样，经历了小、中、集成运放与其它集成电路一样，经历了小、中、大和超大规模集成电路的发展阶段。大和超大规模集成电路的发展阶段。 集成运放是目前模拟集成电路中发展最快、品种集成运放是目前模拟集成电路中发展最快、品种最多、最多、应用最广泛一种模拟集成电子器件。应用最广泛一种模拟集成电子器件。 集成

3、运放配上不同的外围器件，可构成功能和特性集成运放配上不同的外围器件，可构成功能和特性完全不同各种的集成运放电路，简称完全不同各种的集成运放电路，简称运放电路。运放电路。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院31.1 集成运放的基本组成电路集成运放的基本组成电路1.1.1 差动输入电路差动输入电路1.1.2 恒流源电路恒流源电路1.1.3 有源负载电路有源负载电路1.1.4 双端变单端电路双端变单端电路1.1.5 直流电平位移电路直流电平位移电路1.1.6 互补推挽输出电路互补推挽输出电路2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院41.1.1 差动输入电路差动输入电路1.

4、 差动放大电路的基本特性差动放大电路的基本特性图图1-1-1 差动放大电路差动放大电路 的基本形式的基本形式图图1-1-2 差模输入交差模输入交 流等效电路流等效电路2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院5(1)输入差模信号时（即输入差模信号时（即ui1 = - = - ui2）电压增益为电压增益为 u1s1o2s1s2oo1udAuuuuuuA= = =- - -= =若是单端输出时，该电路的电压增益将减半：若是单端输出时，该电路的电压增益将减半：电压增益为电压增益为 1i1ouuuA = =RL是放大器的负载电阻。是放大器的负载电阻。 beLc)/(rRR- -= =2021

5、-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院6单管共射放大器的单管共射放大器的源电压增益为源电压增益为差模输入时，放大器差模输入时，放大器两输入端之间的差模两输入端之间的差模入电阻入电阻Rd是单管放大是单管放大器的两倍，即器的两倍，即图图1-1-3 单管共射放大器的单管共射放大器的低频小信号等效电路低频小信号等效电路uis1ius1ArRrA = =bebi/rRr = =us1Rs1 - - - -ui1Rbrbeibb bibRcRL - -uo1bcebebbebrRrR = =Rd = =2(Rd/rbe) 2rbe当当b b很大时很大时BdmV52IR 当工作电流很小时当工作电流很小

6、时 BdmV80IR 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院7由三极管射极电流与由三极管射极电流与eb结电压的关系式结电压的关系式 )1(eBES- -= =kTqUI晶体管的晶体管的跨导为跨导为Tc)(SBEcmBEeddUIkTqIUIgkTqU= = = =同理可得双极型差动放大器的等效跨导表示式为同理可得双极型差动放大器的等效跨导表示式为 Tc0)(BE2BE1c2c1mBE21BE)d()d(UIUUIIgUU= =- - -= = =- -式中式中Ic为每单边三极管的集电极电流为每单边三极管的集电极电流 oc21II kTqUIBEeS ECII 2021-11-24

7、集成电路原理及应用 能源工程学院8差动放大器在差动放大器在差动输入时差动输入时，其，其跨导跨导与单管时相同与单管时相同 kTqIgcm= =由此，可得到由此，可得到差动放大器电压增益差动放大器电压增益的近似式为的近似式为)/(20coeo1udRrIA- - )/(coemudRrgA- - 在室温情况下，可进一步近似为在室温情况下，可进一步近似为 上式中，上式中，Io1为差动放大器的恒流源电流。为差动放大器的恒流源电流。 显然，显然，放大器电压增益是与其工作电流成正比。放大器电压增益是与其工作电流成正比。 )/(40coecRrI- - 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院9

8、(2)共模输入信号时共模输入信号时图图1-1-4 共模输入的差动放大器共模输入的差动放大器CMRR1当差动输出时，当差动输出时，共模共模抑制比抑制比（即差动放大（即差动放大器差模增益与共模增器差模增益与共模增益之比）表示式为益之比）表示式为eeRrRrRggooc2mm22 = = eeRgRRrrmcoo22 mcc21gRRRe 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院102.差动放大器的输入失调及其漂移差动放大器的输入失调及其漂移 多数集成运放的输入级都采用差动放大器形式。多数集成运放的输入级都采用差动放大器形式。输入级的失调是整个运放输入失调的主要来源，输入级的失调是整个运

9、放输入失调的主要来源，因因此，减小差动放大器的输入失调是很重要的。此，减小差动放大器的输入失调是很重要的。(1)差动放大器的输入失调电压及其漂移差动放大器的输入失调电压及其漂移 在实际的差动放大器中，当差动输出电压为零时，在实际的差动放大器中，当差动输出电压为零时，输入端所加的直流补偿电压的大小称为差动放大输入端所加的直流补偿电压的大小称为差动放大器的器的输入失调电压输入失调电压。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院11图图1-1-5 分析差动放大器分析差动放大器 失调电压的示意图失调电压的示意图 o2o1oUUU- -= =引起差动放大器输出电压引起差动放大器输出电压不平衡的

10、因素有三个不平衡的因素有三个 : 对差动放大器，当差动输出电压为零时，应有对差动放大器，当差动输出电压为零时，应有VT1、VT2的的UBE相同时，它相同时，它们的射极电流不相等。是由们的射极电流不相等。是由于于VT1、VT2的反向饱和电流的反向饱和电流Is1、Is2不匹配的结果。不匹配的结果。VT1、VT2的集电极电阻的集电极电阻Rc1、Rc2的不匹配。的不匹配。VT1、VT2的电流增益的电流增益1、 2的的 不匹配。不匹配。0c2c2c1c1= =- -= =RIRI2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院12计算可得，差动放大器的计算可得，差动放大器的输入失调电压输入失调电压U

11、os为：为：BE2BE1osUUU- -= =上式的三项分别对应于上述上式的三项分别对应于上述三项因素三项因素，一般情况下，一般情况下，2b bb b 时时 VT1、VT2的的UBE之差之差 很小，可忽略。很小，可忽略。0BEU 称为差分对管本身的输入失调电压称为差分对管本身的输入失调电压表示：表示： 0BEU ccT0BEosRRUUU 忽略电阻温度系数差值时，忽略电阻温度系数差值时，Uos的温漂主要决定于的温漂主要决定于 0BEU 的温漂。的温漂。 式中第一项可用相等射极电流式中第一项可用相等射极电流)(2ccssTb bb b = =RRIIUccmo10BE2RRgIU 2021-11

12、-24集成电路原理及应用 能源工程学院13差动放大器的差动放大器的输入失调电压的温度系数输入失调电压的温度系数为为 TUTUUTUTUosBE2BE10BEosd)d(dd= =- -= = 对应对应1mV的的Uos，室温时它的温度系数约，室温时它的温度系数约3.3mV/。(2)差动放大器的输入失调电流及其漂移差动放大器的输入失调电流及其漂移差动放大器的输出直流电压等于零时，两输入差动放大器的输出直流电压等于零时，两输入端所加偏置电流的差值即为其端所加偏置电流的差值即为其输入失调电流输入失调电流Ios。 引起引起Ios的原因是：的原因是：为使这些偏差等于零，差分对管为使这些偏差等于零，差分对管

13、的基极注入电流将发生偏差。的基极注入电流将发生偏差。晶体管的晶体管的b b不对称，使基极注入电流产生偏差；不对称，使基极注入电流产生偏差；集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院14Ios的表示式为的表示式为 )(ccBosRRII = =当不考虑电阻温度的偏差时，当不考虑电阻温度的偏差时，Ios的温度系数表示为：的温度系数表示为：Bosos)dd1(ddITTITI = =b bb b 当工作温度大于当工作温度大于25时，其值约时，其值约- -0.005/。当工作温度小于当工作温度小于25时，其值约时

14、，其值约- -0.015/。注意：注意：上述讨论中均假设差分对管处于同样温度上述讨论中均假设差分对管处于同样温度环境中。环境中。实际应用时，实际应用时，因电路中有些元件功耗较因电路中有些元件功耗较大，芯片存在温度梯度，故输入差分对管温度环大，芯片存在温度梯度，故输入差分对管温度环境可能有差别，它境可能有差别，它将使差动放大级输入失调增加。将使差动放大级输入失调增加。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院153.集成运放的输入级集成运放的输入级集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。(1)普通差动放大电路普通差动放大电路普通差放电路作

15、为集成运放的输入级时，其优点是普通差放电路作为集成运放的输入级时，其优点是电路结构简单，容易匹配，因此输入失调电压小。电路结构简单，容易匹配，因此输入失调电压小。例如：输入失调及其漂移、输入阻抗、共模抑制比、例如：输入失调及其漂移、输入阻抗、共模抑制比、最大差模输入电压和共模输入电压范围等。最大差模输入电压和共模输入电压范围等。输入级的改进便成为各代集成运放的重要标志。输入级的改进便成为各代集成运放的重要标志。它广泛用于早期产品和第一代集成运放中。它广泛用于早期产品和第一代集成运放中。 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院16第一代集成运放第一代集成运放如国产的如国产的F001

16、（5G922）、）、F004（5G23）以及国外的以及国外的 A709等。等。 输入阻抗低，约为输入阻抗低，约为50k 到到300k ； 失调电流，约为失调电流，约为100nA； 最大差模输入电压低，不超过最大差模输入电压低，不超过7V； 差模输入电压范围也较小，常为差模输入电压范围也较小，常为 10V； 电压增益不高，约为电压增益不高，约为30到到100倍。倍。缺点是：缺点是：2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院17(2) 共集共基差动放大器共集共基差动放大器图图1-1-6 共集共基共集共基 差动放大器差动放大器由两级差动放大电路组成由两级差动放大电路组成第第1级级由高由高b

17、 b的的NPN管管VT1、VT2接成共集组态差动放大接成共集组态差动放大电路，电路，VT3、VT4为其发射为其发射极负载。极负载。第第2级级由高反压的横向由高反压的横向PNP管管VT5、VT6接成共基组态接成共基组态差动放大电路。差动放大电路。 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院18用于第二代集成运放中。用于第二代集成运放中。如：国产的如：国产的F007、5G24、F741，国外的，国外的 A741、AD741等。等。特点：特点： 因输入为共集电路，所以因输入为共集电路，所以提高了输入阻抗；提高了输入阻抗； VT3、VT4为共基电路，由于输出阻抗高，因此为共基电路，由于输出阻

18、抗高，因此可用大负载以可用大负载以提高电压增益。提高电压增益。 由于由于VT3和和VT4的的IB以及以及VT1和和VT2的的IC合用一个合用一个恒流源，即恒流源，即IB + IC = 常数，常数，提高了共模抑制比。提高了共模抑制比。最最突出的特点是突出的特点是采用了高反压的横向管，使得采用了高反压的横向管，使得最大差模输入电压最大差模输入电压UdM 可达可达 30V。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院19(3) 超超b b管差动放大电路管差动放大电路图图1-1-7 超超管差管差动放大电路动放大电路用用b b =200010000超超b b管作管作差动放大电路，使差动输入差动放

19、大电路，使差动输入级的基极偏置电流减小一个级的基极偏置电流减小一个数量级，数量级，这是集成运放在低这是集成运放在低漂移性能上重大突破。漂移性能上重大突破。第三代集成运放主要特第三代集成运放主要特点是采用了超点是采用了超 b b 管的差管的差动输入级。动输入级。如：国产的如：国产的4E325； 国外的国外的AD508L。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院20(4) 场效应管差动放大电路场效应管差动放大电路图图1-1-8 场效应管差场效应管差动放大电路动放大电路 因场效应管的栅极电流比因场效应管的栅极电流比三极管的基极电流小三、四三极管的基极电流小三、四个数量级，因此在需要高输个

20、数量级，因此在需要高输入阻抗和低偏置电流等的情入阻抗和低偏置电流等的情况下，常采用场效应管作差况下，常采用场效应管作差动输入级。动输入级。 输入阻抗高达输入阻抗高达1012 。 例如：国外的例如：国外的 A740等。等。 缺点：缺点：输入失调电压较大。输入失调电压较大。 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院211.1.2 恒流源电路恒流源电路 在集成运放中，广泛采用恒流源电路，作为各在集成运放中，广泛采用恒流源电路，作为各级电路的恒流偏置和有源负载。级电路的恒流偏置和有源负载。1. 镜像恒流源基本电路镜像恒流源基本电路图图1-1-9 镜像恒流源镜像恒流源 的基本电路的基本电路V

21、T1、VT2是匹配对管是匹配对管 B2B1c2rIIII = =)21(2cBc2rb b = = = =IIIIb b211ro = = II即即 b b足够大时有足够大时有Io Ir，所以称为电流镜电路。，所以称为电流镜电路。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院22图图1-1-10 减小减小对对Io影影响的恒流源响的恒流源输出电流为：输出电流为： )1(21131rob bb b = = IIb b1b b2 2. 改进型镜像恒流源电路改进型镜像恒流源电路(1) 减小减小b b对对Io影响的恒流源影响的恒流源 与基本电路相比，此处与基本电路相比，此处b b 的的变化对变化对

22、Io的影响要小得多。的影响要小得多。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院23图图1-1-11 Io与与Ir不同不同 比例的恒流源比例的恒流源2r2c21oRIRIRI即即12roRRII （2）Io与与Ir不同比例的恒流源不同比例的恒流源当当VT1、VT2中电流是同中电流是同数量级时，其数量级时，其UBE可认为可认为近似相等，故有（假设三近似相等，故有（假设三极管的极管的b b足够大）：足够大）：调节调节R1、R2的比值，可的比值，可获得不同的获得不同的Io输出。输出。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院24 3. 多路输出的恒流源多路输出的恒流源图图1-1-1

23、2 多路输出的恒流源多路输出的恒流源 当当VT1、VT2、VTn等各三极管完全等各三极管完全对称时，输出电流对称时，输出电流I1、In等各电流等各电流近似相等。近似相等。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院251.1.3 有源负载电路有源负载电路1. 有源集电极负载电路有源集电极负载电路图图1-1-13 有源集电极有源集电极负载放大器负载放大器单管共发射极放大器单管共发射极放大器电压增益表达式为电压增益表达式为 beLcu)/(RrRAb-=利用三极管恒流源来利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻。代替集电极负载电阻。 2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院262.

24、 有源负载差动放大电路有源负载差动放大电路图图1-1-14 有源负载有源负载 差动放大器差动放大器VT3、VT4组成镜像恒流源。组成镜像恒流源。它们的集电极电位均可以浮它们的集电极电位均可以浮动，所以动，所以Ic3、Ic4均可变化，均可变化，但始终保持相等。但始终保持相等。常由常由VT4集电极输出，集电极输出，rCE4作为差动放大器的负载，作为差动放大器的负载，由于由于rCE4很高，所以差动放很高，所以差动放大器增益也很高。大器增益也很高。2021-11-24集成电路原理及应用 能源工程学院27图图1-1-15 双端变单端电路双端变单端电路1.1.4 双端变单端电路双端变单端电路 集成运放是一个双端输入、集成运放是一个双端输入、单端输出的器件，所以它单端输出的器件，所以它的内部电路必需有一个由的内部电路必需有一个由差动放大双端输入转换为差动放大双端输入转换为单端输出的过程。单端输出的过程。 图示电路的功