集成运放的基础知识

1、集成运放的基础知识14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院1第1页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院2运放电路是各种电子电路中最基本的组成部分。 引言集成运算放大器IC Operational Amplifer（缩写为OP-Amp）简称为集成运放，它是二十世纪六十年代发展起来的一种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、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、品种最多、应用最广泛一种模拟集成电子器件。 集成运放配上不

2、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，简称运放电路。第2页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院31.1 集成运放的基本组成电路1.1.1 差动输入电路1.1.2 恒流源电路1.1.3 有源负载电路1.1.4 双端变单端电路1.1.5 直流电平位移电路1.1.6 互补推挽输出电路第3页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院41.1.1 差动输入电路1. 差动放大电路的基本特性图1-1-1 差动放大电路

3、 的基本形式图1-1-2 差模输入交 流等效电路第4页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院5(1)输入差模信号时（即ui1 = - ui2）电压增益为 若是单端输出时，该电路的电压增益将减半：电压增益为 RL是放大器的负载电阻。 第5页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院6单管共射放大器的源电压增益为差模输入时，放大器两输入端之间的差模入电阻Rd是单管放大器的两倍，即图1-1-3 单管共射放大器的低频小信号等效电路u

4、s1Rs1+-+-ui1RbrbeibbibRcRL+-uo1bceRd =2(Rd/rbe) 2rbe当很大时当工作电流很小时 第6页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院7由三极管射极电流与eb结电压的关系式 晶体管的跨导为同理可得双极型差动放大器的等效跨导表示式为 式中Ic为每单边三极管的集电极电流 第7页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院8差动放大器在差动输入时，其跨导与单管时相同 由此，可得到差动放大器电压

5、增益的近似式为在室温情况下，可进一步近似为 上式中，Io1为差动放大器的恒流源电流。 显然，放大器电压增益是与其工作电流成正比。 第8页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院9(2)共模输入信号时图1-1-4 共模输入的差动放大器当差动输出时，共模抑制比（即差动放大器差模增益与共模增益之比）表示式为第9页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院102.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。

6、输入级的失调是整个运放输入失调的主要来源，因此，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 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器的输入失调电压。第10页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院11图1-1-5 分析差动放大器 失调电压的示意图 引起差动放大器输出电压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VT1、VT2的UBE相同时，它们的射极电流不相等。是由于VT1、VT2的反向饱和电流Is1、Is2

7、不匹配的结果。VT1、VT2的集电极电阻Rc1、Rc2的不匹配。VT1、VT2的电流增益1、 2的 不匹配。第11页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院12计算可得，差动放大器的输入失调电压Uos为：上式的三项分别对应于上述三项因素，一般情况下，时 VT1、VT2的UBE之差 很小，可忽略。称为差分对管本身的输入失调电压表示： 忽略电阻温度系数差值时，Uos的温漂主要决定于 的温漂。 式中第一项可用相等射极电流第12页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理

8、及应用 山东理工大学电气与电子工程学院13差动放大器的输入失调电压的温度系数为 对应1mV的Uos，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输入失调电流Ios。 引起Ios的原因是：为使这些偏差等于零，差分对管的基极注入电流将发生偏差。晶体管的不对称，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。第13页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院14Ios的表示式为 当不考虑电阻温度的偏差时，Io

9、s的温度系数表示为：当工作温度大于25时，其值约-0.005/。当工作温度小于25时，其值约-0.015/。注意：上述讨论中均假设差分对管处于同样温度环境中。实际应用时，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境可能有差别，它将使差动放大级输入失调增加。第14页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院153.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。(1)普通差动放大电路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。例如：输入

10、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。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。 第15页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院16第一代集成运放如国产的F001（5G922）、F004（5G23）以及国外的A709等。输入阻抗低，约为50k到300k；失调电流，约为100nA；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10V；电压增益不高，约为30到100倍。缺点是：第16页，共112页，2022年，5月20日，1

11、点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院17(2) 共集共基差动放大器图1-1-6 共集共基 差动放大器由两级差动放大电路组成第1级由高的NPN管VT1、VT2接成共集组态差动放大电路，VT3、VT4为其发射极负载。第2级由高反压的横向PNP管VT5、VT6接成共基组态差动放大电路。 第17页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院18用于第二代集成运放中。如：国产的F007、5G24、F741，国外的A741、AD741等。特点：因输入为共集电路，所以提高了输入

12、阻抗； VT3、VT4为共基电路，由于输出阻抗高，因此可用大负载以提高电压增益。由于VT3和VT4的IB以及VT1和VT2的IC合用一个恒流源，即IB + IC = 常数，提高了共模抑制比。最突出的特点是采用了高反压的横向管，使得最大差模输入电压UdM 可达30V。第18页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院19(3) 超管差动放大电路图1-1-7 超管差动放大电路用 =200010000超管作差动放大电路，使差动输入级的基极偏置电流减小一个数量级，这是集成运放在低漂移性能上重大突破。第三代集成运放主要特

13、点是采用了超 管的差动输入级。如：国产的4E325； 国外的AD508L。第19页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院20(4) 场效应管差动放大电路图1-1-8 场效应管差动放大电路 因场效应管的栅极电流比三极管的基极电流小三、四个数量级，因此在需要高输入阻抗和低偏置电流等的情况下，常采用场效应管作差动输入级。 输入阻抗高达1012。 例如：国外的A740等。 缺点：输入失调电压较大。 第20页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电

14、气与电子工程学院211.1.2 恒流源电路 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。1. 镜像恒流源基本电路图1-1-9 镜像恒流源 的基本电路VT1、VT2是匹配对管 即 足够大时有Io Ir，所以称为电流镜电路。第21页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院22图1-1-10 减小对Io影响的恒流源输出电流为： 12 2. 改进型镜像恒流源电路(1) 减小对Io影响的恒流源与基本电路相比，此处 的变化对Io的影响要小得多。第22页，共112页，2022年，5月20日，1点40

15、分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院23图1-1-11 Io与Ir不同 比例的恒流源即（2）Io与Ir不同比例的恒流源当VT1、VT2中电流是同数量级时，其UBE可认为近似相等，故有（假设三极管的足够大）：调节R1、R2的比值，可获得不同的Io输出。第23页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院24 3. 多路输出的恒流源图1-1-12 多路输出的恒流源 当VT1、VT2、VTn等各三极管完全对称时，输出电流I1、In等各电流近似相等。第24页，共112页，202

16、2年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院251.1.3 有源负载电路1. 有源集电极负载电路图1-1-13 有源集电极负载放大器单管共发射极放大器电压增益表达式为 利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻。 第25页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院262. 有源负载差动放大电路图1-1-14 有源负载 差动放大器VT3、VT4组成镜像恒流源。它们的集电极电位均可以浮动，所以Ic3、Ic4均可变化，但始终保持相等。常由VT4集电极输出，rCE

17、4作为差动放大器的负载，由于rCE4很高，所以差动放大器增益也很高。第26页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院27图1-1-15 双端变单端电路1.1.4 双端变单端电路集成运放是一个双端输入、单端输出的器件，所以它的内部电路必需有一个由差动放大双端输入转换为单端输出的过程。图示电路的功能是将差动放大级的双端输入信号ui1、ui2转换为单端输出uo ，采用恒流源负载提高电路的增益。第27页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 2022集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院28图1-1-16 恒流源电平位移电路 1. 采用恒流源完成电平位移1.1.5 直流电平位移电路由于恒流源的直流内阻Ro很小，交流内阻ro很大，当R1 Ro和R1 ro时，输出端的直流电平U2比输入端的直流电平U1降低很多，即U2 C和RRf 时，电路的传输函数为这时该电路具有一个零点和一个极点。其零点所对应的频率(1/RjCc)远大于极点所对应的频率1/(R+Rj)Cc，而极点频率比未补偿时的电路更低，因此补偿的结果使电路低频时附加相移的滞后增加。 第110页，共112页，2022年，5月20日，1点40分，星期四14 九月 202