第四章 集成运放内部电路设计201404

模拟电子电路及技术基础第四章集成运放内部电路设计运算放大器——集成作用:放大、运算。（需附加电路来实现）它既可用作放大器来放大电信号，还能完成比例，加法，积分，微分等数学运算，其名即由此而来。它在实际中广泛应用于自动控制、精密测量、通信、信号处理等电子技术应用领域。、多端、有源电路元件集成电路：是在同一块微小的硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺，将电阻、二极管、晶体管、场效应管及小电容和它们之间的连线组成的完整电路制作在一块半导体基片上，最后再进行封装，形成的一个实现特定功能的完整电路。

什么是运算放大器？V-V+4.1集成运放电路电路概述同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。集成运算放大器的符号国家标准常用通常运算放大器有5个引出端：正电源端，负电源端，同相输入端，反相输入端，输出端,还有公共端通常称为“地”,为了简化电路图中有时将正电源端，负电源端和地省略1、集成运放电路的组成及符号电流源电路差分放大电路共射放大电路功率级4.1集成运放电路电路概述4.1集成运放电路电路概述集成运放的组成：

1.输入级输入电阻高、差模电压放大倍数大、共模信号抑制能力强、静态电流和失调偏差小。2.中间级提供足够大的电压放大倍数，多采用共发射极(或共源极)3.输出级提高输出功率、降低输出电阻(即提高带负载能力)、减小非线性失真和增大输出电压的动态范围。4.偏置电路采用恒流源电路.集成运放的分类：

通用型运放：专用型运放：高阻型、高速型、高精度型、低温漂型、低/微功耗型、高压大功率型特定功能运放：仪表用放大器、缓冲放大器、隔离放大器等。4.1集成运放电路电路概述1.高增益直接耦合放大器2.尽量用有源器件代替无源元件3.利用对称结构改善电路性能集成运放的性能特点：4.广泛采用复合管5.温度稳定性较高6.集成度高，功耗小多级放大器高输入电阻强抑正干扰能力差动式放大器电压放大倍数高线形特性优良输出电阻小负载能力强满足负载对功率的要求功率放大电路输入级中间级输出级电流源电路反向端同向端RL集成运放的结构特点：7晶体管的恒流特性IC0IBUCEQ4.2集成运放电路中的电流源电路4.2集成运放电路中的电流源电路1.单管电流源电路UCCRCR3R1R2RoRCRoIC4.2集成运放电路中的电流源电路推导中RrIREFIC2UCCT1T2IB2IB1IC12.镜像电流源镜像电流源的温度补偿作用T1和T2结构相同多路镜像电流源多集电极晶体管电流源3.比例电流源4.微电流电流源5.改进型电流源-----加射随器隔离的电流源利用的隔离和电流放大和作用，减少了基极电流和对基准电流的分流作用，

6.威尔逊电流源—负反馈型电流源因为所以负反馈的存在，IC3受β影响大大减小，且稳定IC3IC2IC1IB3IC37、改进的多输出镜像电流源4.2.2场效应晶体管组成的电流源T1一定工作于恒流区

T1、T2的电性能完全相同MOS多输出电流源电路例对于N沟道FET组成的电流镜，宽长比的比值为2：4：10＝1：2：5，所以有，P沟道FET电流镜的宽长比的比值为2：10：4＝1：2：5，所以有4.2.3电流源的主要应用----有源负载有源负载的特点(1)采用有源负载的放大器具有很高的电压增益。(2)有源负载放大器的增益与电源电压无关。(3)可以大大节约芯片面积。共射电路的电压增益为：对于此电路Rc就是镜像电流源的交流电阻，放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源4.2.3电流源的主要应用----有源负载有源负载共射放大电路4.2.3电流源的主要应用----有源负载有源负载射级跟随器1、要放大缓慢变化的信号

2、便于集成IC如何办?零点漂移直接耦合能不能加隔直电容?4．3差分放大电路1.定义：输入为零时，输出信号是一个随时间变化，漂移不定的非零信号,即输出电压偏离原来起始点而上下波动。2.原因：温度变化，电源电压波动等内部原因。3.影响：静态工作点，与被放大信号混淆，被后级传播恶化。viRC1R1T1+UCCvoRC2T2R2RE2vot0有时会将信号淹没4.3.1零点漂移现象例如若第一级漂了100uV，则第一级输出漂移1V。若第二级也漂了100uV，则第二级输出漂移10mV。假设漂了100uV漂移

10mV漂移1V+10mV漂移1V+10mV抑制第一级或前几级的温漂是关键。

如果存在一个产生零点漂移的信号源，从输出信号中扣除掉，就可以克服零点漂移.＋⊿vo一⊿vovovo4.3.2一般差分放大电路的特性分析减轻射极电阻对放大倍数的影响当ui1=-ui2时，ie1=-ie2

两管共用一个射极电阻保证两管射极接交流地;4.3.2一般差分放大电路的特性分析4.3.2一般差分放大电路的特性分析结构特点：结构高度对称,

Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，T1和T2特性完全相同。有两个输入端,两个输出端4.3.2一般差分放大电路的特性分析1.当ui1=ui2时，输出uo=uo1-uo2=0;2.当ui1=-ui2时，输出uo=uo1-uo2=2uo1;3.│ui1│≠│ui2│,uo=?。差动特性4.3.2一般差分放大电路的特性分析抑制零漂原理ui1+UCCRC1T1RB1RC2T2RB2ui2RE–UEEuo~~~~ududucuc1、共模信号：两端输入数值相等，极性相同的输入信号uic。即ui1=ui2差模信号与共模信号2、差模信号：两端输入数值相等，极性相反的输入信号。即ui1=-ui24.3.2一般差分放大电路的特性分析注意：ui1

=uic

+uid

/2

；ui2

=uic

-uid

/2

差模分量:共模分量:uid=ui1–ui2uic

=(ui1

+ui2

)

/2差模信号:uid1

=(ui1

-ui2

)

/2共模信号:uic1

=(ui1

+ui2

)

/2任意信号：当时，称它们为任意信号，任意信号可以分解为差模信号和共模信号之和式中例:差值共模信号差模信号差值共模信号差模信号3、差模增益和共模增益差模电压增益定义共模电压增益定义总的输出电压1.当vid=0时，vi1=vi2=vic，输出vo=voc;2.当vic=0时，vi1=-vi2=0.5vid，输出vo=vod差模电压增益共模电压增益总输出电压差模信号输出共模信号输出运用叠加定理：零点漂移有用信号4、共模抑制比差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制能力就越强；共模抑制比越大，抑制零漂的能力就愈强，放大电路的性能越优良。综合反映抑制零漂能力的指标5、典型差分放大电路及四种工作方式（a）双端输入、双端输出（b）单端输入、双端输出（c）双端输入、单端输出（d）单端输入、单端输出6、基本工作原理

(1)静态分析(2)动态分析1)双端输入，双端输出工作方式。①双端输入，双端输出差模电压增益。小信号等效电路等效为对地短路负载电阻中点的交流信号电位为零差模输入交流等效电路差模输出电阻差模输入电阻差模电压增益②双端输入，双端输出共模电压增益。共模输入差分放大电路共模输入信号的交流通路共模电压增益为共模抑制比共模输入电阻共模输出电阻2)双端输入，单端输出工作方式。①双端输入，单端输出差模电压增益。双入单出差模交流通路

双入单出共模交流通路其中差模输入电阻差模电压增益为差模输出电阻②双端输入，单端输出共模电压增益

共模放大倍数一般情况下且共模输入电阻共模输出电阻

单端输入的差分放大电路单端输入可看作是任意输入的一个特例

差模信号

共模信号4.3.3带恒流源的差分放大电路

、、、组成恒流源电路，1、管C--E极之间的交流等效电阻用取代典型差分放大电路中的2、RcRcRSRSRe3T1T2UCC+-+-Ui1Ui2UC-UEER1R2UEUB3UE3IC2IC1恒流源的电流计算恒流源的动态电阻RcRcRSRSRe3T1T2UCC+-+-Ui1Ui2UC-UEER1R2UEUB3UE3IC2IC14.3.4有源负载的差分放大电路

用镜像电流源作差分放大电路的有源集电极负载电阻，可以使单端输出具有与双端输出相同的差模放大倍数及共模抑制比对于差模信号来说，T1和T2集电极电流大小相等，方向相反即：所以：解：例1一、估算Q点：二、动态分析：

等效的发射极耦合电阻REE—比例式电流源的输出电阻例2：

1.双出（双入或单入）：差模特性：

rbe=1.3k,

把直流电源、Vic

都短路；RL

两臂各分一半；两臂的差模信号电流大小相等、方向相反，同时流过T4

时抵消，使T4

无差模电流、也无差模电压，T4、

R1可视作短路（或开路），这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。画差模信号通路：画共模信号通路：把直流电源、Vid

都短路；RL

两端共模信号电位相等，故其中无共模电流流过，故可视作开路；由于两臂的共模信号电流同时流过T4

、R1，因此，把它等效到每管发射极时，需用2REE表示。RW的影响可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,电流源的输出电阻（等效的REE）为4050k。1.双出（双入或单入）：共模信号通路

2.单出-（双入或单入）：

（1）差模特性：

差模信号通路

2.单出-（双入或单入）：

（2）共模特性4.3.5MOS差分放大器

采用有源负载的MOS差分放大器差模电压增益2.共模电压增益共模输入时的有源负载MOS差分放大器由于电路两边对称，必有1、有源负载差分放大器的共模增益为0，2、趋于无穷大

4.3.6差分放大电路的传输特性及应用1、差分放大器的传输特性输出电压注意iE、iC是全量晶体管发射极电流与BE结电压之间的关系1）当时，差分放大器处于平衡状态。静态2）差模电压输入与输出可保持线性关系

时动态

3）时，输出差模电压基本上保持不变动态差分放大器的增益与恒流源IO成正比

可输出方波信号

2、展宽输入动态范围及差分放大器的其它应用(1)展宽输入动态范围引入串联电流负反馈电阻R，降低增益，展宽输入线