集成運算放大器電路原理

1、 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.1 6.1 集成運放電路特點集成運放電路特點1.1.高增益直接耦合放大器高增益直接耦合放大器2.2.盡量用有源器件代替無源元件盡量用有源器件代替無源元件3.3.利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能 現(xiàn)代集成電路是將現(xiàn)代集成電路是將”設(shè)計設(shè)計”與與”代工代工”分分離離, ,“無生產(chǎn)線無生產(chǎn)線”的集成電路設(shè)計公司可獨立生存的集成電路設(shè)計公司可獨立生存. . 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.2 6.2 電流源電路電流源電路1.1.單管電流源電路單管電流源電路20312(|) /EEBERIUURRR33(1)OcebeBR

2、RrrRR晶體管實現(xiàn)恒流特性是有條件的，即晶體管必須工作在放大狀態(tài)。這對雖有的晶體管電流都適用。 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理2. 2. 鏡像電流源鏡像電流源CCBECCrrrUUUIRR22122CCCrBrIIIIII 22rCrIII小時小時, ,誤差大誤差大 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理增加射隨器增加射隨器(V5),(V5),以減小誤差的多路鏡以減小誤差的多路鏡像電流源像電流源21151112444()1(1)CBrCBCCCIIIIIIII2123424CCCCrIIIIIrI 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理多集電極晶體管鏡像電流源多集電

3、極晶體管鏡像電流源 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理3.3.比例電流源比例電流源11 1222BEEBEEUI RUI R12BEBEUU1 122EEI RI R1122122CEErRRIIIIRR11CCBErrUUIRR 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理4.4.微電流電流源微電流電流源122122221()lnTECEBEBEEUIIIUURRI222lnTrCCUIRII222lnTrCCUIIRI 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理5.5.威爾遜電流源威爾遜電流源負(fù)反饋型電流源負(fù)反饋型電流源322CCBEBECCBErrrUUUUUIRR3131C

4、rCBCIIIII33212()11CECBBIIIII21111212(2)(1 2 )11CBCCIIII所以所以21322CCII312CI232222CrrIII 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理反饋型電流源：串接電流源 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.6.有源負(fù)載共射極放大器有源負(fù)載共射極放大器有源負(fù)載有源負(fù)載倒相 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.3 6.3 差動放大器差動放大器6.3.1 6.3.1 直接耦合放大器的直接耦合放大器的”零點漂移零點漂移”積累現(xiàn)象積累現(xiàn)象 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.3.2 6.3.2 差

5、動放大器的工作原理及性能分析差動放大器的工作原理及性能分析一一. .直流工作點分析直流工作點分析結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點: : 結(jié)構(gòu)高度對稱結(jié)構(gòu)高度對稱, ,有兩個輸入端有兩個輸入端, ,兩個輸出端兩個輸出端, ,令令: :120iiUU|EEEBEREUUIIR1212C QC QIII121( 0.7)CEQCE QCCCQ CUUUI R 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理定義：定義：差模輸入信號差模輸入信號共模輸入信號共模輸入信號12idiiUU U122iiicUUU 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理二二. . 差模放大特性差模放大特性1.1.差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)1

6、0 1112(/)222LCCdLudiibebbeRIRURAUUrIr21ududAA01212udududududididUUUAAAUULbeRr注意信號的注意信號的相位關(guān)系相位關(guān)系單端輸出放大倍數(shù)單端輸出放大倍數(shù)雙端輸出放大倍數(shù)雙端輸出放大倍數(shù) 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理2.2.差模輸入電阻輸入電阻12idididbeididUURrII02dCRR3.3.差模輸出電阻差模輸出電阻odCRR雙端輸出雙端輸出-單端輸出單端輸出- 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理三三. .共模抑制特牲共模抑制特牲1.1.共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)120ocococuc

7、icicUUUAUU11(1)2ocCucicbeEURAUrR 1(1)22icbeERrR雙端輸出雙端輸出單端輸出單端輸出2.2.共模輸入電阻共模輸入電阻3.3.共模輸出電阻共模輸出電阻02dCRRodCRR雙端輸出雙端輸出-單端輸出單端輸出- 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理4.4.共模抑制比共模抑制比|udCMRucAKA()20lg|()udCMRucAKdBdBACMRK 雙端輸出雙端輸出單端輸出單端輸出 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.3.3 6.3.3 具有恒流源的差動放大電路具有恒流源的差動放大電路1.1.工作點工作點 2.2.差模放大倍數(shù)差模放大

8、倍數(shù)3.3.共模抑制比共模抑制比 4.4.差模輸入電阻差模輸入電阻5.5.輸出電阻輸出電阻 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 6.3.4 差動放大器的傳輸特性差動放大器的傳輸特性1,20CididifuuFu目的：目的：研究差動放大器的線性動態(tài)范圍和大信號的非線性特性研究差動放大器的線性動態(tài)范圍和大信號的非線性特性熟悉差模輸入信號與電流分配的關(guān)系熟悉差模輸入信號與電流分配的關(guān)系了解差動放大器傳輸特性的應(yīng)用了解差動放大器傳輸特性的應(yīng)用 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理RCRCiC1uidV1V2uo UEEIiC2UCC 簡化的差動放大器12idBEBEuuu12CCii

9、I11BETuUCsiI e22BETuUCsiI e 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理公式推導(dǎo)：公式推導(dǎo)：Iiicc 21Iiiiccc)1 (121RCRCiC1uidV1V2uo UEEIiC2UCCTidTBEBEUuUuuccceIeIiiIi 11112121TidTBEBEUuUuuccceIeIiiIi 11121212 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理11idTCuUIie21idTCuUIie可見，差動放大器線性動態(tài)范圍很小可見，差動放大器線性動態(tài)范圍很小 超過超過 ,電路進入限幅狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重電路進入限幅狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。的非線性失真。

10、2,50mvTU即左右idu4,100TUmv即左右iC1,iC2IiC2iC1iC1iC26UT4UT2UT0 2UT4UT6UTuidQI2傳輸特性傳輸特性 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理CCCoRiiu)(21 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理iC1,iC2IiC2iC1iC1iC26UT4UT2UT0 2UT4UT6UTuidQI2可見，增益可見，增益AU正比于恒流源電流正比于恒流源電流I。那。那么，改變么，改變I就可以控制增益。就可以控制增益。如果使如果使I受到另外一個信號受到另外一個信號ub的控制，的控制，那么

11、就可以實現(xiàn)信號的相乘。那么就可以實現(xiàn)信號的相乘。即，即，022CCidbidTTRRuIuKuuUU 擴大線性動態(tài)范圍的方法擴大線性動態(tài)范圍的方法加射極負(fù)反饋電阻加射極負(fù)反饋電阻 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理2. 增益的自動控制增益的自動控制uAIA檢測EEU CCUCRCRiUI應(yīng)用應(yīng)用：1. 小小信號的線性放大信號的線性放大 CmTcuRgIURA 2應(yīng)用應(yīng)用：利用差分放大器的傳輸特性可以實現(xiàn)

12、利用差分放大器的傳輸特性可以實現(xiàn) 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理022CCidbidTTRRuI uKuuUU3. 信號的相乘運算信號的相乘運算 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理5. 信號的變換信號的變換將三角波變成正弦波、方波將三角波變成正弦波、方波4. 信號的信號的整形整形將不規(guī)則的輸入波形整形為矩形波將不規(guī)則的輸入波形整形為矩形波6. 電壓比較器電壓比較器參考電壓參考電壓 rUriUU 為高電平為高電平oUriUU 為低電平為低電平oU 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理7. 高速電流開關(guān)一一高速電流開關(guān)一一ECL邏輯電路邏輯電路EEU CCUCRCR

13、iUIoUiUoU0011只要只要 I 不太大，就可保證不太大，就可保證晶體管在電流最大時不飽晶體管在電流最大時不飽和，所以開關(guān)速度很快。和，所以開關(guān)速度很快。 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.4 6.4 集成運算放大器的輸出級電路集成運算放大器的輸出級電路NPNNPN與與PNPPNP管組成互補管組成互補對稱對稱跟隨器跟隨器, ,輸出電阻小輸出電阻小, ,帶負(fù)載能力強帶負(fù)載能力強. .NPNNPNPNPPNP發(fā)射結(jié)零偏置發(fā)射結(jié)零偏置, ,存在存在交越失真交越失真. 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理為了克服交越失真為了克服交越失真, ,要加偏置電路要加偏置電路M MN

14、 NM M點與點與N N點直流電壓差點直流電壓差1.41.4伏伏, ,交流電壓可視為相等交流電壓可視為相等. .1 12 2122()ABURIRIR R I4112422()(1)BEBEURR RURR A.BA.B兩點交流電位也可枧為相同兩點交流電位也可枧為相同 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.5 6.5 集成運放芯片電路舉例集成運放芯片電路舉例-F007(LM741)-F007(LM741) 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.6 MOS6.6 MOS集成運算放大器集成運算放大器一一.MOS.MOS電流源電流源1

15、1WL22WL2211/OrIWLIWL2()()2nOXDGSGSTHCWIUUL 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理二二. . CMOSCMOS共源放大器共源放大器 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理三三.CMOS.CMOS差動放大器差動放大器 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理四四. . CMOSCMOS運放舉例運放舉例 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理三三.CMOS.CMOS差動放大器差動放大器 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理6.7 集成運算放大器的主要性能指標(biāo)集成運算放大器的主要性能

16、指標(biāo) 一、輸入失調(diào)電壓一、輸入失調(diào)電壓UIO和輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)主要反映運放輸入級差動電路的對稱性。欲使靜態(tài)時輸出端為零電位，運放兩輸入端之間必須外加的直流補償電壓，稱為輸入失調(diào)電壓，用UIO表示；必須外加的直流補償電流，稱為輸入失調(diào)電流，用IIO表示。 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理 二、失調(diào)的溫漂二、失調(diào)的溫漂 在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，UIO隨溫度的平均變化率稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，以dUIO /dT表示。 在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，IIO隨溫度的平均變化率稱為輸入失調(diào)電流溫漂，以d IIO /dT表示。 三、輸入偏置電流三、輸入偏置電流IIB 靜態(tài)時，輸

17、入級兩差放管基極電流IB1,IB2的平均值，即221BBIBIII 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理四、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)四、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud 無反饋情況下，運放輸出電壓與輸入差模電壓之比；無反饋情況下，運放輸出電壓與輸入差模電壓之比；五、共模抑制比五、共模抑制比KCMR 輸入差模電壓放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比的絕對值；輸入差模電壓放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比的絕對值；六、差模輸入電阻六、差模輸入電阻Rid 運放兩個差動輸入端之間的等效動態(tài)電阻；運放兩個差動輸入端之間的等效動態(tài)電阻；七、共模輸入電阻七、共模輸入電阻Ric 運放兩個輸入端對地之間的等效動態(tài)電阻；運放兩個輸入

18、端對地之間的等效動態(tài)電阻； 集成運算放大器電路原理集成運算放大器電路原理八、輸出電阻八、輸出電阻Ro 從運放輸出端和地之間看進去的動態(tài)電阻；從運放輸出端和地之間看進去的動態(tài)電阻；九、輸入電壓范圍九、輸入電壓范圍 Udm 當(dāng)加在運放兩個輸入端之間的電壓差超過某一數(shù)值時，輸入當(dāng)加在運放兩個輸入端之間的電壓差超過某一數(shù)值時，輸入級的某一側(cè)晶體管將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)反向擊穿而不能工作，則輸入端級的某一側(cè)晶體管將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)反向擊穿而不能工作，則輸入端之間能承受的最大電壓差，稱為最大差模輸入電壓。之間能承受的最大電壓差，稱為最大差模輸入電壓。 當(dāng)運放輸入端所加共模電壓超過某一數(shù)值時，使放大器不能當(dāng)運放輸入端所加共模電壓超過某一數(shù)值時，使放大器不能正常工作，此最大電壓值稱為最大共模輸入電壓，正常工作，此最大電壓值稱為最大共模輸入電壓，Ucm十、帶寬十、帶寬 運放開環(huán)電壓增益下降到直流增益的運放開環(huán)電壓增益下降到直流增益的0.707倍（倍（3dB）時所）時所對應(yīng)的頻帶寬度，稱為運放的對應(yīng)的頻帶寬度，稱為運放的3d