模拟电子技术：第6章集成电路运算放大器

1、第6章 集成电路运算放大器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。 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， 集成运放在电路设计上具有许多特点， 主要有： (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。本章知识背景:图示：集成电路的一般组成输入级要求:噪声小零点漂移小输入电阻大有一定的电压放大能力提出研究6.1 电流源（恒流源）提出研究：6.2 差分式放大电路，第4、5章电压放大第4、5章重点研究共集、功率放大第8章重点研究了应用：6.3

2、、6.4、6.5、6.62章、7章等 6 模拟集成电路6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术6.3 差分式放大电路的传输特性6.4 集成电路运算放大器重点6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路 的影响6.2 差分式放大电路重点6.6 变跨导式模拟乘法器6.7 放大器中的噪声和干扰6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术BJT电流源电路FET电流源1. 镜像电流源2. 微电流源*3. 高输出阻抗电流源*4. 组合电流源1. *MOSFET镜像电流源2. *MOSFET多路电流源3. *JFET电流源6.1.1 BJT电流源电路1. 镜像电流源T1、T2的参数全同，结构对称 即12，ICEO1

3、ICEO2 当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略 IoIC2IREF 代表符号6.1.1 BJT电流源电路1. 镜像电流源动态电阻 一般ro在几百千欧以上（大）6.1.1 BJT电流源电路2. 微电流源（Wilson电流源）由于很小，所以IC2也很小。rorce2（1 ）大 S1和S3分别是T1和T3的相对结面积 6.1.1 BJT电流源电路*3. 高输出阻抗电流源T1和T2镜像电流源，动态输出电阻大，电路的ro远比微电流源的动态输出电阻为高6.1.1 BJT电流源电路*4. 组合电流源T1、R1 和T4支路产生基准电流IREFT1和T2、T4和T5构成镜像电流源T1和T3，T4和T6构成了

4、微电流源6.1.2 FET电流源1. *MOSFET镜像电流源当器件具有不同的宽长比时（=0）ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源1. *MOSFET镜像电流源 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为 常用的镜像电流源 6.1.2 FET电流源2. *MOSFET多路电流源6.1.2 FET电流源3. *JFET电流源end(a) 电路 (b) 输出特性 电流源对集成运放的性能改进起着极为重要的作用。它为各级电路提供稳定的直流偏置电流。动态输出电阻大，作为有源负载，提高单级放大器的增益。例如： 电流源作有源负载共射电路的电压增益为

5、： 对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，因此增益为比用电阻Rc就作负载时提高了。end放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源6.2 差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构6.2.2 射极耦合差分式放大电路6.2.3 源极耦合差分式放大电路 问题的提出？ 直接耦合放大电路优点：直流、交流信号 均可放大缺点：具有零点漂移零点漂移：主要原因：温度变化引起，也称温漂输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。例如若是第一级漂100 V，则输出漂移 1 V。若是第二级漂了100 V，则输出漂移 10 mV。 第一级是关键假设3. 减小零漂的措施 用非线性元件进行温度补偿 调制解调方式。如“斩波

6、稳零放大器” 采用差分式放大电路6.2.1 差分式放大电路的一般结构1. 用三端器件组成的差分式放大电路例例6.2.1 差分式放大电路的一般结构2. 有关概念差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益总输出电压其中差模信号产生的输出共模信号产生的输出共模抑制比反映抑制零漂能力的指标6.2.1 差分式放大电路的一般结构2. 有关概念根据有 共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分；差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分。共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。例如：若i1=0.01V ,i2= - 0.01V 若i1=0.5V ,i2= 1.5V思考?两种情况下的Vid=?,Vi

7、c=?答案:若i1=0.01V ,i2= - 0.01V Vid=0.02V ,Vic=0V若i1=0.5V ,i2= 1.5VVid=-1V,Vic=1V差分式放大电路四种工作方式双端输入，双端输出双端输入，单端输出单端输入，双端输出单端输入，单端输出6.2.2 射极耦合差分式放大电路1. 电路组成及工作原理6.2.2 射极耦合差分式放大电路1. 电路组成及工作原理静态注意：vi1=vi2=0思考VO=？对差摸信号具有放大作用仅输入差模信号，大小相等，相位相反。大小相等，信号被放大。相位相反。1. 电路组成及工作原理2. 抑制零点漂移 温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化

8、趋势是相同的，对称结构，Vo=0。 对共模信号具有一定的抑制作用。 零点漂移可以看作是共模信号3. 动态分析（1）差模情况接入负载时以双倍元器件换取抑制零漂的能力 双入、双出Rid=2rbe Rod=2Rc 双入、单出接入负载时 Rid=2rbe Rod=Rc 单端输入单端等效于双端输入单端输入双端输出、单端输入单端输出指标计算与双端输入相同。（2）共模情况 双端输出(双入双出、单入双出） 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。共模增益单端输出（双入单出、单入单出）抑制零漂能力增强（2）共模情况思考有负载？（3）共模抑制比双端输出，理想情况单端输出抑制零漂能力越强（4）总输出电压4. 几

9、种方式指标比较输出方式双出单出双出单出输出方式双出单出双出单出（思考题）思考1：分析（a）图,双端输出（1）Q点（2）Avd、Rid、Rod进一步思考2： （1）加入Rp1（中间抽头）（2）再加入Rp2（中间抽头），RLRL求Avd、Rid、Rod求Avd、Rid、RodRp1Rp2Vcc再进一步思考3： 单端输出，接Re情况（1）静态时Ic1=Ic2=？ Vo=？（2）动态时Vi1=1.5V,Vi2=4.5V Vo=?Re例(4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益。解：求:(1)静态(2)电压增益略VRb2(3)共模增益共模输入电压 Vo(4)6.4 集成电路运算放大器 CMOS MC1

10、4573集成电路运算放大器 BJTLM741集成运算放大器集成电路运算放大器内部框图6.4.1 BJTLM741集成运算放大器原理电路 集成运放的特点：电压增益高输入电阻大输出电阻小BJTLM741特点：单片高性能内补偿，较宽的共模和差模电压范围，具有短路保护及失调电压调到零的能力。1 82 73 64 5OA1IN-1N+V-NCV+OUTOA2-23374156.4.2 CMOS MC14573 集成电路运算放大器电路结构6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响6.5.1 实际集成运放的主要参数6.5.2 集成运放应用中的实际问题6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差

11、特性（输入失调特性）1. 输入失调电压VIO 在室温（25）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为（110）mV。超低失调运放为（120）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。2. 输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT为10 nA1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。6.5.1 实际集成运放的主要参数输入直流误差特性（输入失调特性）3. 输入失调电流IIO 输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态

12、基极电流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 一般约为1 nA0.1A。 4. 温度漂移（1）输入失调电压温漂VIO / T（2）输入失调电流温漂IIO / T6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益Avo开环带宽BW (fH)单位增益带宽 BWG (fT)741型运放AvO的频率响应 6.5.1 实际集成运放的主要参数差模特性2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧MOSFET为输入级的运放rid1012超高输入电阻运放rid1013、IIB0.040pA一般运放的ro200，而超高速AD

13、9610的ro0.05。3. 最大差模输入电压Vidmax6.5.1 实际集成运放的主要参数共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（80120）dB，高精度运放可达140dB，ric100M。 2. 最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达 13V。6.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性1. 转换速率SR放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为viVimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR2fmaxVom6

14、.5.1 实际集成运放的主要参数大信号动态特性2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s，而高速运放要求SR30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR3500V/s。电源特性1. 电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗PV 6.5.1 实际集成运放的主要参数补充第二章内容运算放大器2.1 集成电路运算放大器2 运算放大器2.2 理想运算放大器*2.3 基本线性运放电路*2.4 同相输入和反相输入放大电 路的其他应用*内

15、容要求1组概念：理想运放的“虚短”和“虚断”8个基本运算：硬件电路完成运算功能一、理想运算放大器的概念1. 运算放大器的电路模型 运算放大器的电路模型通常： 开环电压增益 Avo105 （很高） 输入电阻 ri 106 （很大） 输出电阻 ro 100 （很小） vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)2. 运算放大器的电路特性电压传输特性线性范围内Avo斜率end若VPVN0则 Vo= +Vom=V若VPVN 0则Vo= -Vom=V由于理想运放：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)vNvP 0vN=vP虚断: ri虚短:IN=

16、IP3、“虚短”和“虚断”的概念二、基本运放电路1、 同相比例运算电路 （可作为公式用）推导 Vo=？根据虚短和虚断的概念有 vpvn， ip-in0iR1iR2Vi=vpvn当R2=0，称“电压跟随器”vovn vp vi电压跟随器的作用无电压跟随器时 负载上得到的电压电压跟随器时ip0，vpvs根据虚短和虚断有vovn vp vs2、 反相比例运算放大电路 推导 Vo=？根据虚短和虚断的概念有 vn vp =0， ip-in0iR1iR2理想情况o0所以Ro0当R2=R1，称“反向器”Vo= - Vi当R2 R3时，（1）试证明VS( R3R1/R2 ) IM 解:（1）根据虚断有 II

17、=0所以 I2 = IS = VS / R1 例2.3.3直流毫伏表电路（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压VS100mV时，通过毫伏表的最大电流IM(max)？ 又根据虚短有 VP = VN =0R2和R3相当于并联，所以 I2R2 = R3 (I2 - IM )所以当R2 R3时，VS( R3R1/R2 ) IM （2）end3、 求和电路 根据虚短、虚断得：若R1则有（该电路也称为加法电路）（相加且倒相）4、 求差电路(形式1) 结构上，是反相输入和同相输入相结合的放大电路。当则当则 根据虚短、虚断得： i1=i4 i2=i3从放大器角度看：双入单出时，增益为求差电路(形式2)

18、一种高输入电阻的差分电路仪器用求差放大器（形式3）5、 积分电路式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得设电容器C的初始电压为零，则（积分运算）当vI为阶跃电压时，时间上线性运算vO与 t 成线性关系应用：方波发生器、波形变换器6、微分电路end例题：电路如图所示，已知：UCC=|-UEE|=15V，初始电压uC(0)=0当t=0-t1(1s)时，开关S接a点；当t=t1(1s)t2(3s)时，开关S接b点；而当tt2(3s)后，开关S接c点。试画出输出电压uo（t）的波形图。(1)因为初始电压为零(uC(0)=0)，在t=0 1s间，开关S接地，所以uo=0

19、。(2)在t=1 3s间，开关S接b点，电容C充电,充电电流 输出电压从零开始线性下降。当t=3s时:uo(3)(3)在t3s后，S接c点，电容C放电后被反充电，uo从-4V开始线性上升，一直升至电源电压UCC就不再上升了。那么升到电源电压(+15V)所对应的时间tx是多少?注意：实际应用中微分器的高频增益大。如果输入含有高频噪声，则输出噪声也将很大，而且电路可能不稳定，所以微分器很少有直接应用。在需要微分运算之处，也尽量设法用积分器代替。例如，解如下微分方程：7、乘法器当Vx=Vy=Vi，Vo=KVi2 乘方运算 N-1次乘方运算8、除法运算 只有当vX2为正极性时，才能保证运算放大器是处于

20、负反馈工作状态，而vX1则可正可负，故属二象限除法器。 利用虚短和虚断概念有得由乘法器的功能有开平方电路实例利用虚短和虚断概念有得由乘法器的功能有vi必须为负值时，电路才能正常工作。 自学： 6.7 放大电路中的噪声与干扰6.7.1 放大电路中的噪声6.7.2 放大电路中的干扰6.7.1 放大电路中的噪声1. 噪声的种类及性质（1）电阻的热噪声 由电子无规则热运动而产生随时间而变化的电压称为热噪声电压。（2）三极管的噪声 热噪声 由于载流子不规则的热运动通过BJT内三个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb所产生的噪声是主要的。FET主要是沟道电阻的热噪声。 散粒噪声 由于通过发射结注

21、入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或集电极电流有一个无规则的波动，产生散粒噪声。 闪砾噪声 这种噪声与频率成反比，故又称为1/f 噪声或低频噪声。 JFET的噪声主要来源于沟道电阻热噪声，MOSFET的1/f 噪声较严重，因而低频时MOSFET比JFET的噪声大。一般而言，FET的噪声比BJT小。此外。电阻元件中碳膜电阻的1/f 噪声最大，绕线电阻的1/f 噪声最小。集成运放的噪声，是由组成运放内部电路的元器件产生的噪声源以及内部电路连接的噪声源累计的结果。一般是通过实验方法进行测量。6.7.1 放大电路中的噪声2. 放大电路的噪声指标噪声系数定义其中 AP 为功率增

22、益 放大电路不仅把输入端的噪声进行放大，而且放大电路本身也存在噪声。所以，其输出端的信噪比必然小于输入端信噪比。 当NF用分贝（dB）表示时6.7.1 放大电路中的噪声2. 放大电路的噪声指标噪声系数因为当满足 Ri=Ro 时，NF可表示为另一种形式： 一个无噪声放大电路的噪声系数是0dB，一个低噪声放大电路的噪声系数应小于3dB。6.7.1 放大电路中的噪声3. 减小噪声的措施选低噪声集成运放，如OP-27，AD745等；采用滤波处理或引入负反馈以抑制噪声；转换为数字信号后，借助软件方法，对数据进行处理以减小噪声的影响。6.7.2 放大电路中的干扰1. 杂散电磁场干扰和抑制措施 电路工作环境一般有许多电磁干扰源，常见的有工频干扰、无线电台及雷电现象等，它们所产生电