[信息與通信]集成運(yùn)算放大器

1、第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 41 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn) 42 電流源電路電流源電路 43 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路44 集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路45 集成運(yùn)放電路舉例集成運(yùn)放電路舉例46 mos集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器47 集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路41 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn) 集成運(yùn)放是一種多級(jí)放大電路， 性能理想的運(yùn)放應(yīng)該具有電壓增益高、 輸入電阻大、 輸出電阻小、 工作點(diǎn)漂

2、移小等特點(diǎn)。 與此同時(shí)， 在電路的選擇及構(gòu)成形式上又要受到集成工藝條件的嚴(yán)格制約。 因此， 集成運(yùn)放在電路設(shè)計(jì)上具有許多特點(diǎn)， 主要有： (1) 級(jí)間采用直接耦合方式。 (2) 盡可能用有源器件代替無源元件。 (3) 利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 關(guān)于集成電路的制造工藝見附錄a。 集成運(yùn)放電路形式多樣，各具特色。但從電路的組成結(jié)構(gòu)看，一般是由輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)和電流源四部分組成，如圖41所示。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)電流源電路uiuo 圖41 集成運(yùn)算放大器組成框圖 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電

3、路集成運(yùn)算放大器電路42 電流源電路電流源電路 電流源對(duì)提高集成運(yùn)放的性能起著極為重要的作用。一方面它為各級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流，另一方面可作為有源負(fù)載，提高單級(jí)放大器的增益。下面我們從晶體管實(shí)現(xiàn)恒流的原理入手，介紹集成運(yùn)放中常用的電流源電路。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 一、單管電流源電路一、單管電流源電路 圖42(a)畫出了晶體管基極電流為ib的一條輸出特性曲線。由圖可見，當(dāng)ib一定時(shí)，只要晶體管不飽和也不擊穿，ic就基本恒定。因此，固定偏流的晶體管，從集電極看進(jìn)去相當(dāng)于一個(gè)恒流源。由交流等效電路知，它的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為rce，是一個(gè)很大的電阻。為了使ic更加穩(wěn)定，可

4、以采用分壓式偏置電路(即引入電流負(fù)反饋)，便得到圖42(b)所示的單管電流源電路。圖42(c)為該電路等效的電流源表示法，圖中ro為等效電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻。利用圖42(b)電路的交流等效電路可以證明，ro近似為第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路ic0ibucer1r2icr3ueeicro(a)(b)(c) 圖42單管電流源電路 (a)晶體管的恒流特性；(b)恒流源電路； (c)等效電流源表示法 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 式中，rb=r1r2。 需要指出，晶體管實(shí)現(xiàn)恒流特性是有條件的，即要保證恒流管始終工作在放大狀態(tài)，否則將失去恒流作用。這一點(diǎn)對(duì)所有晶體管電

5、流源都適用。 )1 (33bbeceorrrrrr(41) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 二、鏡像電流源二、鏡像電流源 在單管電流源中，要用三個(gè)電阻，所以不便集成。為此，用一個(gè)完全相同的晶體管v1,將集電極和基極短接在一起來代替電阻r2和r3，便得到圖43所示的鏡像電流源電路。由圖可知，參考電流ir為rccrbeccrruruui(42) 由于兩管的e結(jié)連在一起，所以ib相同，ic也相同。由圖可知 1211222crbrcciiiiii(43) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uccrriric1v1v2ic2 圖43 鏡像電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器

6、電路集成運(yùn)算放大器電路 如果11,則ic2ir。可見，只要ir一定，i2就恒定；改變ir,ic2也跟著改變。兩者的關(guān)系好比物與鏡中的物像一樣，故稱為鏡像電流源。 將上述原理推廣，可得多路鏡像電流源，如圖44所示。圖中為三路電流源，v5管是為了提高各路電流的精度而設(shè)置的。因?yàn)樵跊]有v5管時(shí)，ic1=ir-4ib1,加了v5管后， ic1 = ir - 4ib1 /(1+5)，故此可得 因此可得 1122rcii(43) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 因1(1+5)4容易滿足，所以各路電流更接近ir，并且受的溫度影響也小。 在集成電路中，多路鏡像電流源是由多集電極晶體管實(shí)現(xiàn)的，

7、圖45(a)電路就是一個(gè)例子。它利用一個(gè)三集電極橫向pnp管組成雙路電流源(橫向pnp管是采用標(biāo)準(zhǔn)工藝，在制作npn管過程中同時(shí)制作出來的一種pnp管，詳見附錄a)，其等價(jià)電路如圖45(b)所示。rccciiii4)1 ()1 (5151432(44)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uccrrirv1ic4v4v2ic2v3ic3v5 圖44 多路鏡像電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路irrric1ic2uccic3rriric2ic3v3v2v1ucc(a)(b) 圖45多集電極晶體管鏡像電流源(a)三集電極橫向pnp管電路；(b)等價(jià)電路 第第4章章

8、集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 三、比例電流源 如果希望電流源的電流與參考電流成某一比例關(guān)系，可采用圖46所示的比例電流源電路。由圖可知222111riuriuebeebe(45)因?yàn)?122121221222111lnlnlnlneeteetbebesessetbesetbeiiuiiuuuiiiiiuuiiuu所以 (46) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rriric2v2v1r2uccube1ube2r1ie2ie1ib1ib2 圖46比例電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 即室溫下，兩管的ube相差不到60mv，僅為此時(shí)兩管ube電壓(60

9、0mv)的10%。因此，可近似認(rèn)為ube1ube2。這樣，式(45)簡化為 當(dāng)兩管的射極電流相差10倍以內(nèi)時(shí)： mvuiiuuuteetbebe6010lnln2121rceeirririri2122211若1，則ie1ir, ie2ic2,由此得出(48) (47) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 可見，ic2與ir成比例關(guān)系，其比值由r1和r2確定。參考電流ir現(xiàn)在應(yīng)按下式計(jì)算： 111rrurruuirccrbeccr(49) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 四、微電流電流源四、微電流電流源 在集成電路中，有時(shí)需要微安級(jí)的小電流。如果采用鏡像電流源，r

10、r勢必過大。這時(shí)可令圖46電路中的r1=0,便得到圖47所示的微電流電流源電路。 由式(45)、(46)可知，在r1=0時(shí)： 2122122ln)(1eetbebeeiiruuuri當(dāng)1時(shí)，ie1ir,ie2ic2，由此可得222lncrctiiiur (410) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rriric2v2v1uccr2 圖47微電流電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 此式表明，當(dāng)ir和所需要的小電流一定時(shí)，可計(jì)算出所需的電阻r2。例如，已知ir=1ma,要求ic2=10a時(shí)，則r2為 kr12101000ln10101026632如果ucc=15

11、v，要使ir=1ma,則rr15k。 由此可見，要得到10a的電流，在ucc=15v時(shí)，采用微電流電流源電路，所需的總電阻不超過27k。如果采用鏡像電流源，則電阻rr要大到1.5m。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 五、負(fù)反饋型電流源五、負(fù)反饋型電流源 以上介紹的幾種電流源，雖然電路簡單，但有兩個(gè)共同的缺點(diǎn)：一是動(dòng)態(tài)內(nèi)阻不夠大，rriric2v2v1uccie3ic3ic1ib3v3圖48 威爾遜電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路2211333333213131231,2ccceecccccbcrrbeccrbebeccriiiiiiiiiiiiiruu

12、ruuui又 (411) 若三管特性相同，則1=2=3=,求解以上各式可得rcii)2221 (23(412)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 可見，威爾遜電流源不僅有較大的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻，而且輸出電流受的影響也大大減小。 圖49給出了另一種反饋型電流源電路。它由兩個(gè)鏡像電流源串接在一起組成，故稱串接電流源。關(guān)于它的穩(wěn)流原理留給讀者自行分析。 利用交流等效電路可求出威爾遜電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻ro為ceorr2(413) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rrirv3v4uccic2v2v1 圖49 串接電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 六、有源負(fù)載放

13、大器六、有源負(fù)載放大器 集成運(yùn)放要有極高的電壓增益，這是通過多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。在電壓增益一定時(shí)，為了減少級(jí)數(shù)，就必須提高單級(jí)放大器的電壓增益。因此，在集成運(yùn)放中，放大器多以電流源作有源負(fù)載。典型的有源負(fù)載共射放大電路如圖410(a)所示。圖中，v2,v3管構(gòu)成鏡像電流源作v1管的集電極負(fù)載。由于該電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為rce3，所以此時(shí)v1管的電壓增益只需將共射增益表達(dá)式中的rc用rce3取代即可。當(dāng)實(shí)際負(fù)載rl通過射隨器隔離后接入，則該級(jí)放大器可獲得極高的電壓增益。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路(a)(b)uccv3v2uov1uirruccv3v2ic1v1uiic3i

14、c2uoi 圖410有源負(fù)載放大器(a)共射電路；(b)具有倒相功能的共射電路第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 圖410(b)為另一種接法的有源負(fù)載共射電路。v3 ,v2管組成鏡像電流源作v1管的有源負(fù)載，而輸出取自恒流管v2的集電極。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路43 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 431零點(diǎn)漂移現(xiàn)象零點(diǎn)漂移現(xiàn)象 單級(jí)共射放大器如圖411所示。由前面討論可知，在靜態(tài)時(shí)，由于溫度變化、電源波動(dòng)等因素的影響，會(huì)使工作點(diǎn)電壓(即集電極電位)偏離設(shè)定值而緩慢地上下漂動(dòng)。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uccrcucrbuip 圖411

15、 放大器的零點(diǎn)漂移 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 432差動(dòng)放大器的工作原理及性能分析差動(dòng)放大器的工作原理及性能分析 基本差動(dòng)放大器如圖412所示。它由兩個(gè)性能參數(shù)完全相同的共射放大電路組成，通過兩管射極連接并經(jīng)公共電阻re將它們耦合在一起，所以也稱為射極耦合差動(dòng)放大器。第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uccrcuc2rlrcuc1ui1ui2re ueev1v2uo 圖412 基本差動(dòng)放大器 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 首先來分析圖412電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。為了使差動(dòng)放大器輸入端的直流電位為零，通常都采用正、負(fù)兩路電源供電。由于v1,v

16、2管參數(shù)相同，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以兩管工作點(diǎn)必然相同。由圖可知，當(dāng)ui1=ui2=0時(shí)：vuubee7 . 0則流過re的電流i為eeeeeeeruruui7 . 0)(414)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 可見，靜態(tài)時(shí)，差動(dòng)放大器兩輸出端之間的直流電壓為零。下面分析差動(dòng)放大器的動(dòng)態(tài)特性。分析過程中特別提醒讀者注意射極公共電阻re的作用。cqcccqcqccqcccqeqeqeqeqcqcriuuuriuuuiiiii12112121217 . 021故有 (415) (416) (417) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 一、差模放大特性一、差模放大特性

17、如果在圖412差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、相位相反的差模信號(hào)，即ui1=uid1,ui2=uid2,而uid1=-uid2。由圖可知，這時(shí)一管的射極電流增大，另一管的射極電流減小，且增大量和減小量時(shí)時(shí)相等。因此流過re的信號(hào)電流始終為零，公共射極端電位將保持不變。所以對(duì)差模輸入信號(hào)而言，公共射極端可視為差模地端，即re相當(dāng)對(duì)地短路。第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 通過上述分析，可得出圖412電路的差模等效通路如圖413所示。圖中還畫出了輸入為差模正弦信號(hào)時(shí)，輸出端波形的相位關(guān)系。利用圖413等效通路，我們來計(jì)算差動(dòng)放大器的各項(xiàng)差模性能指標(biāo)。 第第4章章 集成運(yùn)算放大

18、器電路集成運(yùn)算放大器電路圖413基本差動(dòng)放大器的差模等效通路uod1uod2rl2rl2v2v1uid1uid2uidrcrcuod第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 1. 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù) 差模電壓放大倍數(shù)定義為輸出電壓與輸入差模電壓之比。在雙端輸出時(shí)，輸出電壓為212121212222idididididodododododuuuuuuuuuu輸入差模電壓為 所以 belidodidodidodudrruuuuuua2211(418) 式中，rl=rc rl?？梢?，雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)等于單邊共射放大器的電壓放大倍數(shù)。 21第第4章章 集成運(yùn)算放大器電

19、路集成運(yùn)算放大器電路 可見，這時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出時(shí)的一半，且兩輸出端信號(hào)的相位相反。需要指出，若單端輸出時(shí)的負(fù)載rl接在一個(gè)輸出端到地之間，則計(jì)算aud時(shí)，總負(fù)載應(yīng)改為rl=rcrl。 單端輸出時(shí)，則 udidodidodududidodidodudauuuuaauuuua212212112(111(單）單）(419)(420)或 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 2. 差模輸入電阻差模輸入電阻 差模輸入電阻定義為差模輸入電壓與差模輸入電流之比。由圖413可得beidididididriuiur221 3. 差模輸出電阻差模輸出電阻 雙端輸出時(shí)為(421) codc

20、odrrrr單）(2單端輸出時(shí)為 (422a) (422b)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 二、共模抑制特性二、共模抑制特性 如果在圖412差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、相位相同的共模信號(hào)，即ui1=ui2=uic,由圖可知，此時(shí)兩管的射極將產(chǎn)生相同的變化電流ie，使得流過re的變化電流為2ie，從而引起兩管射極電位有2 re ie的變化。因此，從電壓等效的觀點(diǎn)看，相當(dāng)每管的射極各接有2 re的電阻。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 通過上述分析，圖412電路的共模等效通路如圖414所示。利用該電路，現(xiàn)在來分析它的共模指標(biāo)。 1.共模電壓放大倍數(shù)共

21、模電壓放大倍數(shù) 雙端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)定義為 icicocicocucuuuuua21 當(dāng)電路完全對(duì)稱時(shí)，uoc1=uoc2,所以雙端輸出的共模電壓放大倍數(shù)為零，即auc=0。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rcuoc2rcuoc1uicv1v2uoc2re2re圖414 基本差動(dòng)放大器的共模等效通路 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 單端輸出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)定義為ebecicocicocucicocucicocucrrruuuuauuauua2)1 (21(2(1(單）單）單）或(423)由圖414可得 通常滿足(1+)2rerbe，所以上式可簡化

22、為ecucrra2(單） (424)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 可見，由于射極電阻2re的自動(dòng)調(diào)節(jié)(負(fù)反饋)作用，使得單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)大為減小。在實(shí)際電路中，均滿足rerc，故|auc(單)|0.5，即差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)不是放大而是抑制。共模負(fù)反饋電阻re越大，則抑制作用越強(qiáng)。第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 2. 共模輸入電阻共模輸入電阻 由圖414不難看出，共模輸入電阻為2)1 (2121ebeicicicicicrriuiur(425) 3.共模輸出電阻共模輸出電阻 單端輸出時(shí)為 cocrr單）( (426) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電

23、路集成運(yùn)算放大器電路 三、共模抑制比三、共模抑制比kcmr 為了衡量差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，我們引入?yún)?shù)共模抑制比kcmr。它定義為差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比的絕對(duì)值，即ucudcmraak(427)(lg20dbaakucudcmrkcmr也常用db數(shù)表示，并定義為 (428) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 kcmr實(shí)質(zhì)上是反映實(shí)際差動(dòng)電路的對(duì)稱性。在雙端輸出理想對(duì)稱的情況下，因auc=0,所以kcmr趨于無窮大。但實(shí)際的差動(dòng)電路不可能完全對(duì)稱，因此kcmr為一有限值。在單端輸出不對(duì)稱的情況下，kcmr必然減小，由式(418)、(419)和

24、(423)可求得ucudcmraak(429)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 四、對(duì)任意輸入信號(hào)的放大特性四、對(duì)任意輸入信號(hào)的放大特性 如果在圖412差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端分別加上任意信號(hào)ui1和ui2，即ui1和ui2既不是差模信號(hào)，也不是共模信號(hào)，這時(shí)可以把ui1和ui2寫成如下形式： 222121211212112222icidiiiiiicidiiiiiuuuuuuuuuuuuuu(430) (431) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 不難看出，差動(dòng)電路相當(dāng)輸入了一對(duì)共模信號(hào)21212121212122iiidididiiiciciciiicicuu

25、uuuuuuuuuuuu和一對(duì)差模信號(hào) 根據(jù)定義，這時(shí)的差模輸入電壓為(432) (433)(434) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 433具有恒流源的差動(dòng)放大電路具有恒流源的差動(dòng)放大電路 圖412所示的基本差動(dòng)放大器，存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是共模抑制比做不高，二是不允許輸入端有較大的共模電壓變化。對(duì)于前者，是因?yàn)椴罘殴躹1,v2的rbe與re相關(guān)，即re較大而忽略rbb時(shí)，由式(415)，rbe可近似為eeteeqtbeuuriur2)1 ()1 ( 與re成正比。對(duì)于單端輸出，將上式代入式(429)可得teectleecmruururuk22(單）(438) 第第4章章 集成

26、運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 若uee=15v，則室溫下，kcmr(單)的上限約為300，而與re的取值無關(guān)。對(duì)于雙端輸出，在電路不對(duì)稱時(shí)，也有類似情況?？梢姡荒軉慰吭龃髍e來提高共模抑制比。對(duì)于后者，因?yàn)檩斎牍材ｋ妷旱淖兓瘜⒁鸩罘殴芄采錁O電位的變化，進(jìn)而將影響差放管的靜態(tài)工作電流，使rbe改變。因此，輸入共模電壓變化將直接造成差模電壓放大倍數(shù)的變化，這是我們不希望的。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 為此，用恒流源代替圖412電路中的re，可以有效地克服上述缺點(diǎn)。一種具有恒流源的差動(dòng)放大電路如圖415(a)所示。圖中，恒流源為單管電流源。這是分電流源、小電流電流源

27、等。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rcuc2rcuc1ui1v1v2uoc ueev3ub3r1r2r3ui2(a)(b)uccrcrcui1v1v2uoui2 ueeiucc 圖415具有恒流源的差動(dòng)放大器電路(a)用單管電流源代替re的差動(dòng)電路；(b)電路的簡化表示 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路圖415(a)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，可按以下方法估算：cqcbeccqceqcecqcqcbereceerriuuuuiiiruuiiurrru1213213332122122第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 434差動(dòng)放大器的傳輸特性差動(dòng)放大器的

28、傳輸特性 在圖416電路中，設(shè)恒流源電流i小于差放管的集電極臨界飽和電流，即iucc/rc，從而使差放管的工作點(diǎn)偏向截止區(qū)。在此條件下，圖中的兩個(gè)對(duì)稱差放管v1,v2的射極電流分別為 tbetbetbetbeuusuuseuusuuseeieiieieii/2/12211) 1() 1(439a) (439b) 由圖可知 21eeiii第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rcrcic1uidv1v2uo ueeiic2ucc 圖4-16 簡化的差動(dòng)放大器第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路211221111222(1)1(1)1bebetbebetuuueeceuuue

29、eceiiiieiiiiiei(4-40a)(4-40b)由于 ，因而將其代入式（4-4a)可解的12bebeiduuu/2/1/2/()122222idtidtidtidtidtuuuuidcuuuuuutiii eeiiuitheeeu(4-41a)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路用同樣推導(dǎo)方法可得2/()122idtidcuutiiuitheu(4-41b) 可見，ic1和ic2與成雙曲線正切函數(shù)關(guān)系。因?yàn)?uo=-ic1rc+ ic2rc=(ic1-ic2) rc12()2idcctuiiithu(4-42)12()()2idocccctuuiirr ithu (4-4

30、3)故有第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 由式（4-41）和（4-43），可繪出差動(dòng)放大器輸出電流ic1 、 ic2和輸出電壓uo與差模輸入電壓uid之間的傳輸特性曲線，分別如圖4-17（a)、(b)所示。分析該曲線，可以得出如下結(jié)論。第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路ic1,ic2iic1ic2ic1ic26 ut/4 ut2 ut02ut4ut6utuid(a)qi2 圖417差動(dòng)放大器的傳輸特性曲線(a)電流傳輸特性曲線；(b)電壓傳輸特性曲線 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 圖417差動(dòng)放大器的傳輸特性曲線(a)電流傳輸特性曲線；(b)電

31、壓傳輸特性曲線 uoirc6 ut/4 ut2 ut02ut4ut6utuid irc(b)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 一、兩管集電極電流之和恒等于一、兩管集電極電流之和恒等于i 當(dāng) ui d= 0 時(shí) ， 差 動(dòng) 電 路 處 于 靜 態(tài) ， 這 時(shí)ic1=ic2=icq=i/2。當(dāng)差模電壓輸入時(shí)，一管電流增大，另一管電流減小，且增大量等于減小量，兩管電流之和恒等于i。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 二、傳輸特性具有非線性特性二、傳輸特性具有非線性特性 由圖417不難看出，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近，當(dāng)|uid|ut，即室溫下， uid在26mv以內(nèi)時(shí)，傳輸特性

32、近似為一段直線。這表明ic1,ic2和uo與uid成線性關(guān)系。當(dāng)| uid |4 ut,即uid超過100mv時(shí)，傳輸特性明顯彎曲，而后趨于水平，說明| uid |繼續(xù)增大時(shí)，ic1,ic2和uo將保持不變。這表明差動(dòng)電路在大信號(hào)輸入時(shí)，具有良好的限幅特性或電流開關(guān)特性。此時(shí)，一管截止，恒流源電流全部流入另一管。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 為了擴(kuò)展傳輸特性的線性區(qū)范圍，可在每個(gè)差放管的射極串接負(fù)反饋電阻r(或在基極串接電阻rb)，如圖418(a)所示。擴(kuò)展后的電流傳輸特性曲線見圖 4-18(b)。顯然，r(rb)越大，擴(kuò)展的線性區(qū)范圍將越大，如圖(b)曲線、所示。不過，

33、隨著線性區(qū)范圍的擴(kuò)大，曲線的斜率減小，表明差動(dòng)放大器的增益將隨之降低。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路(rb)(rb)v1v2rr ueei(a) 圖418擴(kuò)展差動(dòng)電路的線性區(qū)范圍(a)串接r(rb)的線性區(qū)擴(kuò)展電路；(b)線性區(qū)擴(kuò)展后的電流傳輸特性曲線 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 圖418擴(kuò)展差動(dòng)電路的線性區(qū)范圍(a)串接r(rb)的線性區(qū)擴(kuò)展電路；(b)線性區(qū)擴(kuò)展后的電流傳輸特性曲線 ic1,ic2ii/2r( rb)0uid(b)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 三、差動(dòng)放大器的增益與三、差動(dòng)放大器的增益與i成正比成正比 由圖417

34、(a)所示曲線可知，小信號(hào)工作時(shí)，在工作點(diǎn)處，ic受uid的線性控制，其控制作用的大小可以用跨導(dǎo)gm來衡量。gm定義為工作點(diǎn)處，雙端輸出電流的變化量ic與輸入差模電壓變化量uid之比，即122mqidcmqidcmguiguig因?yàn)閕c=i-i2=2i,所以上式變?yōu)?444)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 式中，gm1=i/uid,為q點(diǎn)處單端輸出時(shí)的跨導(dǎo)，反映在傳輸特性上，是圖417(a)曲線在uid =0處的斜率。在uid =0處，對(duì)式(441a)求導(dǎo)，可得tmmuigg221tuidcmuidudigid411(445)(446) 故 iurrgargdudirdudu

35、atccmudcmqidccqidoud2(447)(448)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 435差動(dòng)放大器的失調(diào)及溫漂差動(dòng)放大器的失調(diào)及溫漂 一、差動(dòng)放大器的失調(diào)一、差動(dòng)放大器的失調(diào) 理想對(duì)稱的差動(dòng)放大器，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，雙端輸出電壓應(yīng)為零。但是在實(shí)際電路中，由于兩晶體管參數(shù)和電阻值不可能做到完全對(duì)稱，因而使得輸出不為零。我們把這種零輸入時(shí)輸出電壓不為零的現(xiàn)象，稱為差動(dòng)放大器的失調(diào)。第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路rc rcrcuiv1v2uo ueeiuccibiio2iio2uioib圖419差動(dòng)電路的失調(diào)電壓和失調(diào)電流 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電

36、路集成運(yùn)算放大器電路scsssccccccccccsscctbebebebeioiriiirrriirririiiiiuuuuuu12212112212121)()ln(449) (450) (451) (452) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路)(sscctioiirruu(453)(ccbiorrii(454) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 由于差動(dòng)放大器存在失調(diào)，因而實(shí)際電路中應(yīng)設(shè)法進(jìn)行補(bǔ)償。具體的辦法是在電路中加入調(diào)零措施。一種方法是在集成電路的制造過程中，采用電阻版圖激光處理技術(shù)，調(diào)整集電極電阻，使零輸入時(shí)零輸出。這種方法效果好，但成本高。另一種

37、方法是在外電路中加調(diào)零電位器，通過實(shí)地調(diào)整，作到零輸入時(shí)零輸出。圖420示出了兩種常用的調(diào)零電路，分別稱為射極調(diào)零和集電極調(diào)零電路。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路(b)rcv1v2uo ueeiuccrwrsrs(a)rcrcv1v2uo ueeiuccrwrsrsrc 圖420差動(dòng)放大器的調(diào)零電路 (a)射極調(diào)零; (b)集電極調(diào)零 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 二、失調(diào)的溫度漂移二、失調(diào)的溫度漂移 差動(dòng)放大器雖然可以通過調(diào)零措施，在某一時(shí)刻補(bǔ)償失調(diào)，作到零輸入時(shí)零輸出,但是失調(diào)會(huì)隨溫度的改變而發(fā)生變化。對(duì)這種隨機(jī)的變化，任何調(diào)零措施還作不到理想跟蹤調(diào)

38、整。因此，差動(dòng)放大器仍有零點(diǎn)的溫度漂移(簡稱溫漂)現(xiàn)象。那么失調(diào)的溫漂有多大呢? 失調(diào)電壓uio的溫漂，可以通過式(453)對(duì)溫度t求導(dǎo)得出，并考慮到rc/rc、is/ is在很寬的溫度范圍內(nèi)基本恒定，則第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路ioiobioiotsscctsscciociidtddtdidtdututuiirrdtduiirrdtdu11)()(457) (458) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路44 集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路 圖421示出了互補(bǔ)型射隨器的原理圖。v1,v2是兩個(gè)特性相同的異型輸出管，其中v1為npn管，

39、v2為pnp管，它們分別與負(fù)載rl構(gòu)成射極輸出器。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uccuov1v2rl uccui 圖421 互補(bǔ)對(duì)稱型射極 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 由圖421可知，當(dāng)忽略管子飽和壓降時(shí)，最大輸出電壓幅度近似為ucc，而最大輸出電流幅度近似為u/rl。由于晶體管實(shí)際存在導(dǎo)通電壓，硅管約為0.7v,因而在正負(fù)半周內(nèi)，只有當(dāng)信號(hào)的絕對(duì)值大于0.7v時(shí)，管子才導(dǎo)通。而在0.7-0.7v之間，兩管的輸出電流近似為零。因此，輸出波形在兩管輪流工作的銜接處呈現(xiàn)出失真，如圖422所示。這種失真通常稱為交越失真。圖422是利用兩管的合成轉(zhuǎn)移特性曲線

40、(即ic與ube的關(guān)系曲線)，形象地來說明交越失真產(chǎn)生的原因。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路交越失真ic10ube0io,uoic2ui0 t t 圖422 交越失真產(chǎn)生的原因及波形第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 為了克服交越失真，可以分別給兩管發(fā)射結(jié)加一正向偏壓，其值等于或稍大于導(dǎo)通電壓。因而只要有信號(hào)輸入，v1,v2即可輪流導(dǎo)通，從而消除交越失真。在集成運(yùn)放中，常用的偏置方式如圖423所示。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路(a)(b)rcvd1vd2v1v2v3uccuircv1v2v3uccuiai1i2r1r2brlrl uee

41、ueev4 圖423克服交越失真的互補(bǔ)電路(a)二極管偏置方式；(b)模擬電壓源偏置方式第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路)1 (214rruubeab(459) 可見，uab是某一倍數(shù)的ube4,所以該電路也稱為ube的倍增電路。調(diào)整r1,r2的比值，可以得到所需的偏壓值。由于r1從集電極反接到基極，具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，因而使a、b間的動(dòng)態(tài)電阻很小，近似為一個(gè)恒壓源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路45 集成運(yùn)放電路舉例集成運(yùn)放電路舉例 451集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器f007 雙極型集成運(yùn)放f007是一種通用型運(yùn)算放大器。由于它性能好，價(jià)格便宜，所以是目前使用最

42、為普遍的集成運(yùn)放之一。f007的電路原理圖如圖424所示。圖中各引出端所標(biāo)數(shù)字為組件的管腳編號(hào)。f007由三級(jí)放大電路和電流源等組成，下面分別作一介紹。第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路v8v92v1v23v3v4v7ic3ic4ic5v5v6ic61r11kr350kr21k5r43.2kv10v12v13v114.5kc30pr539kr7r67.5kv16v17v15vd1vd2v19v18r850r925v147(15 v)64(15 v)i0 圖424 f007電路原理圖 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 參照圖424，v8v13,r4和r5構(gòu)成電流源組

43、。其中，v11、v5和v12產(chǎn)生整個(gè)電路的基準(zhǔn)電流。v10和v11組成小電流電流源，作鏡像電流源v8,v9的參考電流，并為v3,v4提供基極偏流。 v8的輸出電流為輸入級(jí)提供偏置。v12,v13組成鏡像電流源，作中間放大級(jí)的有源負(fù)載。 有關(guān)f007和部分集成運(yùn)放的性能指標(biāo)見表4-1。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 452專用型集成運(yùn)算放大器簡介專用型集成運(yùn)算放大器簡介 由于種種原因，要想得到各項(xiàng)性能指標(biāo)都接近理想的集成運(yùn)放很困難。目前，隨著集成工藝的改進(jìn)和某些新工藝的出現(xiàn)，并采用新穎的電路設(shè)計(jì)，可以有針對(duì)性地改善集成運(yùn)放的某些

44、性能，制造出性能指標(biāo)有所側(cè)重的專用型集成運(yùn)放。 一、高輸入電阻型集成運(yùn)放一、高輸入電阻型集成運(yùn)放 二、高精度集成運(yùn)放二、高精度集成運(yùn)放 三、高速寬帶型集成運(yùn)放三、高速寬帶型集成運(yùn)放第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路四、高壓型集成運(yùn)放四、高壓型集成運(yùn)放五、低功耗型集成運(yùn)放五、低功耗型集成運(yùn)放第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路46 mos集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 圖425示出了cmos工藝中互補(bǔ)器件的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，p溝道管直接作在n型襯底上，并將襯底接電路的最高電位，而n溝道管制作在p阱中，p阱接電路的最低電位。 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路

45、sdgsgdpnnpppp 阱n 型襯底 圖425cmos結(jié)構(gòu)示意圖 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 461mos集成運(yùn)放中的基本單元電路集成運(yùn)放中的基本單元電路 mos運(yùn)放電路的組成與雙極型運(yùn)放相同，各部分電路的作用及構(gòu)成形式也基本相似。 一、一、mos有源負(fù)載放大器有源負(fù)載放大器 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路(a)(b)(c)v2uddv1uouiv2uddv1uouieguddv1uouiv2 圖426三種mos有源負(fù)載放大器(a)e/e型nmos電路；(b)e/d型nmos電路；(c)cmos電路 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路(

46、a)gm1uirds1rds21gm21gmb2uoui(b)gm1uirds1rds21gmb2uo(c)uigm1rds1rds2uouiui 圖427三種mos放大器的交流等效電路 (a)e/e型；(b)e/d型；(c)cmos第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路2212122112122212212221111)/()/(11)1 (11mmmbmmbdsdsmiouummmbmmumbmdsdsmiougggggrrguualwlwagggggaggrrguua(460) (461) (462) (463) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路11212112

47、)11(1)(lwcuiarrguuaoxndqudsdsmiou(464) (465) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 二、二、mos管鏡像電流源管鏡像電流源 基本mos管鏡像電流源如圖428所示。圖中v1, v為兩個(gè)性能匹配的enmos管，ir為參考電流。若兩管工作在飽和區(qū)，則有rdodsdsddilwlwiiuulwlwii12221212212/11/(466)第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uddiriv1v2 圖428 mos管鏡像電流源 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 三、三、mos管差動(dòng)放大器管差動(dòng)放大器 在mos集成運(yùn)放中，

48、作為輸入級(jí)的差動(dòng)放大器，一般是由兩個(gè)對(duì)稱的有源負(fù)載mos放大器經(jīng)電流源耦合構(gòu)成，因而有e/e,e/dmos和cmos三種基本形式。其中，cmos差動(dòng)放大器如mos差動(dòng)放大器具有前述差動(dòng)電路的性能特點(diǎn)，對(duì)差模電壓增益而言，即為單邊cmos放大器的電壓增益。由于圖429電路采用鏡像電流為負(fù)載，因而，從ud2輸出的電壓增益為)(42dsdsmidoudrrguua(467) 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路uddv4uov3v1v2uidugg ussv0 圖429cmos差動(dòng)放大器 第第4章章 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 四、四、mos管輸出級(jí)電路管輸出級(jí)電路 與雙極型運(yùn)放一樣，mos集成運(yùn)放的輸出級(jí)要有較小的輸出電阻和較大的輸出電壓幅度。下面介紹兩種常用的mos管輸出級(jí)電路。 1. 源極輸出器源極輸出器 具有恒流負(fù)載的nmos源極輸出器如圖430(a)所示，圖430(b)為其小信號(hào)交流等效電路。由圖(b)可求得電壓放大倍數(shù)