OPAMP_090324

1、CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20090/28回路学习回路学习第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20091/28一一、OPAMPOPAMP电路的电路的概念及历史简介概念及历史简介二、二、OPAMPOPAMP的电路符号的电路符号三、三、OPAMPOPAMP理想运放的操作原理理想运放的操作原理四四、OPAMPOPAMP回路的动作说明回路的动作说明五五、常见常见OPAMPOPAMP回路举例回路举例六六、介绍几个介绍几个OPAMPOPAMP需要评价的性能指标需要评价的性能指标第

2、二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20092/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识一一 OPAMPOPAMP电路的概念及历史简介电路的概念及历史简介1.OPAMP1.OPAMP电路的概念电路的概念运算放大器（运算放大器（Operational Amplifier, Operational Amplifier, 简称简称OPOP、OPAOPA、OPAMPOPAMP）是一种）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differen

3、tial-Differential-in, single-ended outputin, single-ended output）的高增益（）的高增益（gaingain）电压放大器，因为刚开）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。运算放大器简称运算放大器简称“运放运放”，其作用是调节和放大模拟信号。，其作用是调节和放大模拟信号。封装完成的芯片实物例：封装完成的芯片实物例：CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20093/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识2.OPAMP2.

4、OPAMP电路的历史简介电路的历史简介第一个使用真空管设计的放大器大约在第一个使用真空管设计的放大器大约在19301930年前后完成，这个放大器年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。可以执行加与减的工作。运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analog computeranalog computer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器在电路系统设计上的用途却的基本建构方块。然而，理想运算放大器在电路系统设计上的用

5、途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管晶体管（T Transistorransistor）或真空管（）或真空管（V Vacuum Tubeacuum Tube）、分立式（）、分立式（D Discreteiscrete）元件）元件或或集成电路集成电路（IC-Integrated CircuitsIC-Integrated Circuits）元件，运算放大器的效能都）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半

6、是集成电路式的元件，但是如果系统对于放大器管设计，现在则多半是集成电路式的元件，但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。这些特殊规格的运算放大器。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20094/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识二二 OPAMPOPAMP的电路符号的电路符号右图是一个标准运算放大器的电路符号右图是一个标准运算放大器的电路符号运算放大器的电路符号及各端点说明如下：运算放大器的电路符号及各端点说明如下

7、：V+V+：非反相输入端（：非反相输入端（non-inverting inputnon-inverting input）V V：反相输入端（：反相输入端（inverting inputinverting input）Vout: Vout: 输出端（输出端（outputoutput）VS+: VS+: 正电源端（亦可能以正电源端（亦可能以VDDVDD、VCCVCC或或VCC + VCC + 表示）表示）VSVS: : 负电负电源端（亦可能以源端（亦可能以VSSVSS、VEEVEE或或VCC VCC 表示）表示）CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20095/28第

8、二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识一个理想的运算放大器（一个理想的运算放大器（ideal OPAMPideal OPAMP）必须具备下列特性：）必须具备下列特性：a.a.无限大的输入阻抗无限大的输入阻抗（Zin=Zin=）：）：理想运放的输入端不容许任何电流流理想运放的输入端不容许任何电流流入，即入，即V+V+与与V-V-两端点的电流讯号恒为两端点的电流讯号恒为0 0，亦即输入阻抗无限大。，亦即输入阻抗无限大。b.b.趋近于趋近于0 0的输出阻抗的输出阻抗（Zout=0Zout=0）：）：理想运放的输出端是一个完美的电理想运放的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电

9、流如何变化，放大器的输出电压恒为一压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，亦即输出阻抗为定值，亦即输出阻抗为0 0。c c. .无限大的开回路增益（无限大的开回路增益（Ad=Ad=）：理想运算放大器的一个重要性质就）：理想运算放大器的一个重要性质就是开回路的状态下，输入端的差动讯号有无限大的电压增益，这个特性是开回路的状态下，输入端的差动讯号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。d d. .无限大的共模排斥比（无限大的共模排斥比（CMRR=CMRR=）：理想运算放大器只能对）：

10、理想运算放大器只能对V+V+与与V-V-两两端点电压的差值有反应，亦即只放大端点电压的差值有反应，亦即只放大 ( (V+V+) )( (V V)的部份。对于两输入的部份。对于两输入讯号的相同的部分（即共模讯号）将完全忽略不计。讯号的相同的部分（即共模讯号）将完全忽略不计。e e. .无限大的频宽：理想的运算放大器对于任何频率的输入讯号都将以一无限大的频宽：理想的运算放大器对于任何频率的输入讯号都将以一样的差动增益放大之，不因为讯号频率的改变而改变。样的差动增益放大之，不因为讯号频率的改变而改变。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20096/28第二讲第二讲 O

11、PAMP OPAMP 基础知识基础知识注：注：电源端点电源端点VS+VS+和和VSVS的表示方法有很多种，但不管如何表示，电源端点的表示方法有很多种，但不管如何表示，电源端点的功能都是一样的。的功能都是一样的。( (为了电路图的简洁起见，电源端点有时会被省为了电路图的简洁起见，电源端点有时会被省略，采用文字直接说明略，采用文字直接说明) )而在不会造成电路错接的前提下，正负输入而在不会造成电路错接的前提下，正负输入端在电路图里可以依照设计者的需要而对调，但是电源端通常不会这端在电路图里可以依照设计者的需要而对调，但是电源端通常不会这么做。么做。输入端输入端电源端电源端输出端输出端CONFIDE

12、NTIAL Mask DivisionFeb 12, 20097/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识两种常见的理想运放如右图所示：两种常见的理想运放如右图所示：三三 OPAMPOPAMP理想运放的操作原理理想运放的操作原理 通过电阻元件通过电阻元件( (更普遍地是通过阻抗更普遍地是通过阻抗元件元件) )施加的负反馈可以产生两种经施加的负反馈可以产生两种经典的闭环运放：典的闭环运放：反相放大器反相放大器(a)(a)和非反相放大器和非反相放大器(b)(b)由这些配置中的闭环增益的经典等式由这些配置中的闭环增益的经典等式显示，放大器的增益基本上只取决于显示，放大器的增益基本上

13、只取决于反馈元件。另外，负反馈还可以提供反馈元件。另外，负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。稳定、无失真的输出电压。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20098/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识四四 OPAMPOPAMP回路的动作说明回路的动作说明 回路的起作用的过程可以从两个方面来考虑：回路的起作用的过程可以从两个方面来考虑：（a a）电压）电压电流变换电流变换（b b）电流）电流电流变换电流变换Current mirrorCurrent mirrorImportant Important wirewire动作电流动作电流I1I

14、1与与I2I2为容为容积相同的定电流。积相同的定电流。当电压当电压Vin(+)=Vin(-)Vin(+)=Vin(-)时，流经时，流经M1M1与与M2M2的电的电流也流也相同相同。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20099/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识当对当对VinVin端子加压的情况端子加压的情况Current mirrorCurrent mirrorLoad PairOperation PairImportant Important wirewire考虑步骤考虑步骤1 1：Vin(+) Vin(-)Vin(+) Vin(-)

15、, ,流经流经M2M2的电流将增加，相反的电流将增加，相反流经流经M1M1的电流则会的电流则会减少减少。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200910/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识Current mirrorCurrent mirrorLoad PairOperation PairImportant Important wirewire考虑步骤考虑步骤2 2：因为流经因为流经M3M3的电流与流的电流与流经经M1M1的电流等同，的电流等同，M3M3的的电流下降将会导致电流下降将会导致M4M4的的电流下降。电流下降。M4M4的电流最的

16、电流最终会下降到与终会下降到与M1M1的电流的电流一致。一致。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200911/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识考虑步骤考虑步骤3 3：因为流经因为流经M2M2与与M4M4的电流的电流是是相互制约相互制约拉扯的关系，拉扯的关系，流经流经M2M2的电流需要比的电流需要比M4M4的多。的多。M2M2所需电流的不所需电流的不足部分就要从足部分就要从M6M6的的GATEGATE处拉进来。处拉进来。Current mirrorCurrent mirrorLoad PairOperation PairImportan

17、t Important wirewireCONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200912/28Current mirrorCurrent mirrorLoad PairOperation PairImportant Important wirewireCurrent mirrorCurrent mirrorLoad PairOperation PairImportant Important wirewire第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识结果：结果： 因此，因此，M6M6的的GATEGATE电压电压就会下降，这也将直就会下降，这也将直接导致

18、接导致出力出力OUTOUT的电流的电流增加增加。同样的分析方法可以同样的分析方法可以得到，当得到，当Vin(+) Vin(+) Vin(-)Vin(-)时，会得到相时，会得到相反的结果。反的结果。CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200913/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识引申：从引申：从OPAMPOPAMP回路的动作来看，在回路的动作来看，在LayoutLayout设计时保证设计时保证电压的平衡电压的平衡是是非常重要的。特别是差动对要将抵抗成分一起作为对象来做成，且非常重要的。特别是差动对要将抵抗成分一起作为对象来做成，且Pair

19、Pair配置（匹配）、靠近配置、配置（匹配）、靠近配置、LayoutLayout做成时尽可能地达到一致。做成时尽可能地达到一致。Symmetry(对称)Pair性(匹配)CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200914/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识五五 常见常见OPAMPOPAMP回路举例回路举例出力段出力段BIASBIAS回路回路入力段入力段逻辑开关逻辑开关CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200915/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识出力段出力段( (包含驱动、限流、保

20、包含驱动、限流、保护等功能）护等功能）入力段入力段( (主体是入力差动对主体是入力差动对) )BIASBIAS回路回路( (提供偏置电流提供偏置电流) )PchPchNchNchNchNchPchPchPch逻辑开关逻辑开关CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200916/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识需要考虑需要考虑Tr匹配匹配(Pair性性)的地方：的地方：此处此处Tr除除Pair性外，还需要使用性外，还需要使用(common centroid)配置配置CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 20091

21、7/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识差动入力差动入力 Vin（+）与）与Vin（-）信号：）信号：与与标注的是相反的信号，标注的是相反的信号，Layout时，应首要考时，应首要考虑如何避免这对信号线的并行或虑如何避免这对信号线的并行或Cross。实在不能实在不能避免的地方全部要加上避免的地方全部要加上 Shield Shield 进行保护进行保护CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200918/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识需要加Shield保护不要全部加Shield(会附带产生寄生容量)。但是当与其他信号有Cross的地方要加上局部的Shield。尽可能地避免与其他信号产生Cross。实在不能避免有Cross的地方要加上局部的Shield。基准基准Reference线需要分别注意相互间的线需要分别注意相互间的Cross与并行问题：与并行问题：CONFIDENTIAL Mask DivisionFeb 12, 200919/28第二讲第二讲 OPAMP OPAMP 基础知识基础知识六六 介绍几个介绍几个OPAMPOPAMP需要评价的性能指标需要评价的性能指标测试测试OPAMPOPAMP的的负反馈负反馈增益增益根据下列公式可以通