第四章集成運(yùn)放內(nèi)部電路設(shè)計(jì)201304

1、第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)第四章集成運(yùn)放內(nèi)部電路設(shè)第四章集成運(yùn)放內(nèi)部電路設(shè)計(jì)計(jì)第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 集成集成作用作用: : 放大、運(yùn)算。放大、運(yùn)算。 （需附加電路來(lái)實(shí)現(xiàn)）（需附加電路來(lái)實(shí)現(xiàn)） 它既可用作放大器來(lái)放大電信號(hào)，還能完成比例，加法，它既可用作放大器來(lái)放大電信號(hào)，還能完成比例，加法，積分，微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，其名即由此而來(lái)。積分，微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，其名即由此而來(lái)。它在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、精密測(cè)量、通信、信號(hào)它在實(shí)際中廣泛應(yīng)用于自動(dòng)

2、控制、精密測(cè)量、通信、信號(hào)處理等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域處理等電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 。、多端、多端、有源電路元件、有源電路元件是在同一塊微小的硅片上經(jīng)過(guò)氧化、光刻、是在同一塊微小的硅片上經(jīng)過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等工藝，將電阻、二極管、晶體管、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等工藝，將電阻、二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及小電容和它們之間的連線組成的完整電路制場(chǎng)效應(yīng)管及小電容和它們之間的連線組成的完整電路制作作在一塊半導(dǎo)體基片上，在一塊半導(dǎo)體基片上，最后再進(jìn)行封裝，形成的一個(gè)最后再進(jìn)行封裝，形成的一個(gè)實(shí)現(xiàn)特定功能的完整電路。實(shí)現(xiàn)特定功能的完整電路。 什么是運(yùn)算放大器？什么是運(yùn)算放大器？V-V+4.1 4.1 集成運(yùn)放電路

3、電路概述集成運(yùn)放電路電路概述第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)同相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；同相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；反相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。反相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。集成運(yùn)算放大器的符號(hào)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)常用常用通常運(yùn)算放大器有通常運(yùn)算放大器有5 5個(gè)引出端：正電源端，負(fù)電源端，同相輸個(gè)引出端：正電源端，負(fù)電源端，同相輸入端，反相輸入端，輸出端入端，反相輸入端，輸出端, ,還有公共端通常稱(chēng)為還有公共端通常稱(chēng)為“地地”, ,為為了了簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化電路圖中有時(shí)將電路圖中有時(shí)將正電源端正電源端，負(fù)

4、電源端負(fù)電源端 和和地地省略省略第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1 1、集成運(yùn)放電路的組成及符號(hào)、集成運(yùn)放電路的組成及符號(hào)電流源電路電流源電路差分放大電路差分放大電路共射放大電路共射放大電路功率級(jí)功率級(jí)4.1 4.1 集成運(yùn)放電路電路概述集成運(yùn)放電路電路概述第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.1 4.1 集成運(yùn)放電路電路概述集成運(yùn)放電路電路概述集成電路分類(lèi)：集成電路分類(lèi)： 通用型運(yùn)放：通用型運(yùn)放： 專(zhuān)用型運(yùn)放專(zhuān)用型運(yùn)放：高阻型、高速型、高精度型、低溫高阻型、高速型、高精度型、低溫漂型、低漂型、低/ /微功耗型、高壓大功

5、率型微功耗型、高壓大功率型 特定功能運(yùn)放：儀表用放大器、緩沖放大器、隔特定功能運(yùn)放：儀表用放大器、緩沖放大器、隔離放大器等。離放大器等。第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.1 4.1 集成運(yùn)放電路電路概述集成運(yùn)放電路電路概述集成運(yùn)放的組成：集成運(yùn)放的組成： 1.1.輸入級(jí)輸入級(jí)輸入電阻高、差模電壓放大倍數(shù)大、共模信號(hào)抑制能力強(qiáng)、靜態(tài)電流輸入電阻高、差模電壓放大倍數(shù)大、共模信號(hào)抑制能力強(qiáng)、靜態(tài)電流和失調(diào)偏差小。和失調(diào)偏差小。2.2.中間級(jí)中間級(jí)提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，多采用共發(fā)射極提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，多采用共發(fā)射極( (或共源極或共源極) )3.3.

6、輸出級(jí)輸出級(jí)提高輸出功率、降低輸出電阻提高輸出功率、降低輸出電阻( (即提高帶負(fù)載能力即提高帶負(fù)載能力) )、減小非線性失真、減小非線性失真和增大輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍。和增大輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍。4.4.偏置電路偏置電路采用恒流源電路采用恒流源電路. .集成運(yùn)放的分類(lèi)：集成運(yùn)放的分類(lèi)： 通用型運(yùn)放：通用型運(yùn)放： 專(zhuān)用型運(yùn)放：高阻型、高速型、高精度型、低溫漂型、低專(zhuān)用型運(yùn)放：高阻型、高速型、高精度型、低溫漂型、低/ /微功耗型、微功耗型、高壓大功率型高壓大功率型 特定功能運(yùn)放：儀表用放大器、緩沖放大器、隔離放大器等。特定功能運(yùn)放：儀表用放大器、緩沖放大器、隔離放大器等。第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的

7、內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.1 4.1 集成運(yùn)放電路電路概述集成運(yùn)放電路電路概述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(wú)源元件盡量用有源器件代替無(wú)源元件3.3.利用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改善電路性能利用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改善電路性能集成運(yùn)放的特點(diǎn)：集成運(yùn)放的特點(diǎn)： 4.4.廣泛采用復(fù)合管廣泛采用復(fù)合管5.5.溫度穩(wěn)定性較高溫度穩(wěn)定性較高 6.6.集成度高，功耗小集成度高，功耗小 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)8多級(jí)放大器多級(jí)放大器高輸入電阻高輸入電阻強(qiáng)抑正干擾能力強(qiáng)抑正干擾能力差動(dòng)式放大器差動(dòng)式放大器電壓放大倍數(shù)高電壓放大倍數(shù)

8、高線形特性?xún)?yōu)良線形特性?xún)?yōu)良輸出電阻小輸出電阻小負(fù)載能力強(qiáng)負(fù)載能力強(qiáng)滿足負(fù)載對(duì)功率滿足負(fù)載對(duì)功率的要求的要求功率放大電路功率放大電路輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)電流源電路電流源電路反向端反向端同向端同向端RL集成運(yùn)放的特點(diǎn)：集成運(yùn)放的特點(diǎn)： 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)晶體管的恒流特性晶體管的恒流特性IC0IBUCEQceCQCEQOrIUR4.2 4.2 集成運(yùn)放電路中的電流源電路集成運(yùn)放電路中的電流源電路bCCBCRUII第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.2 4.2 集成運(yùn)放電路中的電流源電路集成運(yùn)放電

9、路中的電流源電路1.1.單管電流源電路單管電流源電路BBECE3UUIIR2BCC12RUURR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)UCCRCR3R1R2Ro)1 (33RRrRrRBbeceORCRoIC21/ RRRB4.2 4.2 集成運(yùn)放電路中的電流源電路集成運(yùn)放電路中的電流源電路第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 21CEO2CEO1CEOIIIBE2BE1BEUUU22122CREFBREFCCIIIIIIRrIREFIC2UCCT1T2IB2IB1IC12C1CII2B1BIIrCCrBECCREFRURUUI

10、REFREFCIII2 22. 2. 鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源的溫度補(bǔ)償作用鏡像電流源的溫度補(bǔ)償作用 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)多路鏡像電流源多路鏡像電流源2311cccnREFIIIIN多集電極晶體管電流源多集電極晶體管電流源 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)3.3.比例電流源比例電流源11 1222BEEBEEUI RUI R12BEBEUU1 122EEI RI R1122122EECEEREFEERRIIIIRR11CCBEREFUUIRR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)

11、部電路設(shè)計(jì)4.4.微電流電流源微電流電流源122122221()lnTECEBEBEEEEUIIIUURRI222lnTREFECCUIRII222lnTREFCECUIIRI第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)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C1REFB3REFC3IIIII/E3C2B1B2C2IIIII1因?yàn)橐驗(yàn)?E3C31II所以所以 2C3REF2222II1()2222REFREFII32REFICCBEBEUUUR負(fù)反饋的存在，負(fù)反饋的存在，I IC3C3受受影響大大減小，且穩(wěn)定影響大大減小，且穩(wěn)定IC3IC2IC1I

12、B3IC3第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)6.6.改進(jìn)型電流源改進(jìn)型電流源-加射隨器隔離的電流源加射隨器隔離的電流源3T1BI2BIREFI利用 的隔離和電流放大和作用，減少了基極電流 和對(duì)基準(zhǔn)電流的分流作用， 321322122 11ECCREFBREFCBREFREFIIIIIIIIII REFREFCIII1212第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 改進(jìn)的多輸出鏡像電流源改進(jìn)的多輸出鏡像電流源 )(51Cr51Br55er1C1I4I1I4I1IIIrr554C3C2CII411III)()( 第四章第四章 集成運(yùn)

13、算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4. 2. 24. 2. 2場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的電流源場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的電流源 T1一定工作于恒流區(qū) T1、T2的電性能完全相同 12DDGSREFDDUUIIIR2( )()2nOXDGSGS thCWIUUL111222/DDIWLIWL第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)111111111222333444/,/DDDDDDIWLIWLIWLIWLIWLIWLMOSMOS多輸出電流源電路多輸出電流源電路 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)例例22OREFII35OREFI

14、I 對(duì)于N溝道FET組成的電流鏡，寬長(zhǎng)比的比值為2：4：101：2：5，所以有，435OOREFIII53525OOREFIII63210OOREFIII P溝道FET電流鏡的寬長(zhǎng)比的比值為2：10：41：2：5，所以有第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4. 2. 3 4. 2. 3 電流源的主要應(yīng)用電流源的主要應(yīng)用-有源負(fù)載有源負(fù)載有源負(fù)載的特點(diǎn) (1)采用有源負(fù)載的放大器具有很高的電壓增益。(2) 有源負(fù)載放大器的增益與電源電壓無(wú)關(guān)。(3) 可以大大節(jié)約芯片面積。第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) ioV=VVA共射電

15、路的電壓增益為：共射電路的電壓增益為：beLc)/(rRR 對(duì)于此電路對(duì)于此電路R Rc c就是鏡像電流就是鏡像電流源的交流電阻，源的交流電阻，放大管放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源4. 2. 3 4. 2. 3 電流電流源的主要應(yīng)用源的主要應(yīng)用-有源負(fù)載有源負(fù)載第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)有源負(fù)載共射放大電路有源負(fù)載共射放大電路 112u1/ / /AceceLBberrRRr 4. 2. 3 4. 2. 3 電流電流源的主要應(yīng)用源的主要應(yīng)用-有源負(fù)載有源負(fù)載第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的

16、內(nèi)部電路設(shè)計(jì)有源負(fù)載射級(jí)跟隨器有源負(fù)載射級(jí)跟隨器 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1、要放大緩慢變化的信號(hào)、要放大緩慢變化的信號(hào) 2、便于集成、便于集成IC如何辦?溫漂零點(diǎn)零點(diǎn)漂移漂移直直接接耦耦合合能不能加隔直電容能不能加隔直電容?4 43 3差分放大電路差分放大電路第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1.1.定義定義：輸入為零時(shí)，輸出信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間變化，漂移不定輸入為零時(shí)，輸出信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間變化，漂移不定的非零信號(hào)的非零信號(hào), ,即輸出電壓偏離原來(lái)起始點(diǎn)而上下波動(dòng)。即輸出電壓偏離原來(lái)起始點(diǎn)而上下波動(dòng)。2.2.原因原

17、因：溫度變化，電源電壓波動(dòng)等內(nèi)部原因。溫度變化，電源電壓波動(dòng)等內(nèi)部原因。3.3.影響影響：靜態(tài)工作點(diǎn)，與被放大信號(hào)混淆，被后級(jí)傳播惡化。靜態(tài)工作點(diǎn)，與被放大信號(hào)混淆，被后級(jí)傳播惡化。viRC1R1T1+UCCvoRC2T2R2RE2vot0有時(shí)會(huì)有時(shí)會(huì)將信號(hào)將信號(hào)淹沒(méi)淹沒(méi)4.3.1 4.3.1 零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移現(xiàn)象現(xiàn)象第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)例如例如 100,=V1A若第一級(jí)漂了若第一級(jí)漂了100 100 uVuV，則第一級(jí)輸出漂移則第一級(jí)輸出漂移 1 V1 V。若第二級(jí)也漂了若第二級(jí)也漂了100 100 uVuV，則第二級(jí)輸出漂移則第二級(jí)輸出漂移

18、 10 mV10 mV。假設(shè)假設(shè)。 1= 100,=V3V2AA漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV抑制第一級(jí)或前幾級(jí)的溫漂是關(guān)鍵。抑制第一級(jí)或前幾級(jí)的溫漂是關(guān)鍵。第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 如果存在一個(gè)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的信號(hào)源，如果存在一個(gè)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的信號(hào)源，從輸出信號(hào)中扣除掉，就可以克服零點(diǎn)漂移從輸出信號(hào)中扣除掉，就可以克服零點(diǎn)漂移. . vo一一vovovo4.3.24.3.2一般差分放大電路的特性分析一般差分放大電路的特性分析第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大

19、器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)減輕射極電阻對(duì)放大倍數(shù)的影響減輕射極電阻對(duì)放大倍數(shù)的影響當(dāng)當(dāng)u ui i 1 1=-=-u ui i 2 2時(shí)，時(shí)，i ie e1 1=-=-i ie e2 2 兩管共用一個(gè)射極電阻兩管共用一個(gè)射極電阻保證兩管射極接交流地保證兩管射極接交流地; ;4.3.24.3.2一般差分放大電路的特性分析一般差分放大電路的特性分析第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.3.24.3.2一般差分放大電路的特性分析一般差分放大電路的特性分析第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1)1) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)高度對(duì)

20、稱(chēng), , R Rb1b1= = R Rb2b2= = R Rb b，R Rc1c1= = R Rc2c2= =R Rc c，T T1 1和和T T2 2特性完全相同。特性完全相同。2)2) 有兩個(gè)輸入端有兩個(gè)輸入端, ,兩個(gè)輸出端兩個(gè)輸出端4.3.24.3.2一般差分放大電路的特性分析一般差分放大電路的特性分析第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1.當(dāng)當(dāng)ui 1=ui 2時(shí)，輸出時(shí)，輸出uo=uo1-uo2=0;2.當(dāng)當(dāng)ui 1=-ui 2時(shí)，輸出時(shí)，輸出uo=uo1-uo2=2uo1;3. ui 1ui 2, uo=?。差動(dòng)特性差動(dòng)特性4.3.24.3.2一

21、般差分放大電路的特性分析一般差分放大電路的特性分析抑制零漂原理抑制零漂原理第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)ui1+UCCRC1T1RB1RC2T2RB2ui2REUEEuoududucuc第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1 1、共模信號(hào)、共模信號(hào)：兩端輸入數(shù)值相等，極性相同的輸入：兩端輸入數(shù)值相等，極性相同的輸入信號(hào)信號(hào)uic。即。即 ui1= ui2差模信號(hào)與共模信號(hào)差模信號(hào)與共模信號(hào)2 2、差模信號(hào)、差模信號(hào)：兩端輸入數(shù)值相等，極性相反的輸入：兩端輸入數(shù)值相等，極性相反的輸入信號(hào)。即信號(hào)。即ui1= -ui24.3

22、.24.3.2一般差分放大電路的特性分析一般差分放大電路的特性分析第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)注意：注意：ui1 =uic + uid /2 ； ui2 =uic - uid /2 差模分量差模分量: :共模分量共模分量: :uid = ui1 ui2uic = (ui1 + ui2 ) /2差模信號(hào)差模信號(hào): :uid1 = (ui1 - ui2 ) /2共模信號(hào)共模信號(hào): :uic1 = (ui1 + ui2 ) /2任意信號(hào)：當(dāng)任意信號(hào)：當(dāng) 時(shí)，稱(chēng)它們?yōu)槿我庑盘?hào)，時(shí)，稱(chēng)它們?yōu)槿我庑盘?hào)， 任意信號(hào)可以分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)之和任意信號(hào)可以分解為差

23、模信號(hào)和共模信號(hào)之和21iiuu121211212212221222iiiiiicidiiiiiiciduuuuuuuuuuuuuu12122idiiiiicuuuuuu式中式中第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)例例:v50U1i v50U2i 差值差值v100 v100210U1i v100210U2i 共模信號(hào)共模信號(hào)差模信號(hào)差模信號(hào)v1050U1i v950U2i v100211000U1i v100211000U2i 差值差值v100 共模信號(hào)共模信號(hào)差模信號(hào)差模信號(hào)第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)3 3、差模增

24、益和共模增益、差模增益和共模增益差模電壓增益定義 共模電壓增益定義 oddiduAuoccicuAuicidocodouuuuucdAA總的輸出電壓 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1.當(dāng)當(dāng)vi d=0時(shí)，時(shí)， vi 1=vi 2=vic ，輸出，輸出vo=voc;2.當(dāng)當(dāng)vic=0時(shí)，時(shí)，vi 1=-vi 2=0.5vid ，輸出，輸出vo=vodidoVD=Avvd差模電壓增益差模電壓增益icoVC=Avvc共模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓總輸出電壓icVCidVDocodo=vAvAvvv差模信號(hào)輸出差模信號(hào)輸出共模信號(hào)輸出共模信號(hào)輸出運(yùn)用疊加定理

25、：運(yùn)用疊加定理：零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移有用信號(hào)有用信號(hào)第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4 4、共模抑制比、共模抑制比dCMRcAKA20 lgdCMRcAKdBA差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，抑制零漂的能力愈強(qiáng)，則共模抑制能力越強(qiáng)，抑制零漂的能力愈強(qiáng)，放大電路的性能越優(yōu)良。放大電路的性能越優(yōu)良。綜合反映抑制零漂能力的指標(biāo)綜合反映抑制零漂能力的指標(biāo)第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)5 5、典型差分放大電路及四種工作方式、典型差分放大電路及四種工作方式（a a）雙端輸入

26、、）雙端輸入、雙端輸出雙端輸出 （b b）單端輸入、）單端輸入、雙端輸出雙端輸出 （c c）雙端輸入、）雙端輸入、單端輸出單端輸出 （d d）單端輸入、）單端輸入、單端輸出單端輸出第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)6 6、基本工作原理、基本工作原理 (1) 靜態(tài)分析12()0.71222REEEEEEE QE QEeIUUUIIRR 1212C QCQE QEQIIIIC1QC2QCC1UUUC QCIRCE1QCE2QCC1UUU0.7C QCIR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)(2)(2)動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析1) 1)

27、雙端輸入，雙端輸出工作方式。雙端輸入，雙端輸出工作方式。 雙端輸入，雙端輸出差模電壓增益。雙端輸入，雙端輸出差模電壓增益。小信號(hào)等效電路ER等效為對(duì)地短路 負(fù)載電阻LR中點(diǎn)的交流信號(hào)電位為零 差模輸入交流等效電路第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)odo1o2o1idi1i2i1uu -u2uuuu2uLdBbeRARr / /2LLCRRRCodRR2差模輸出電阻差模輸出電阻 差模輸入電阻差模輸入電阻 beBbidbididrRiuiuR221差模電壓增益差模電壓增益 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)雙端輸入，雙端輸出共

28、模電壓增益。雙端輸入，雙端輸出共模電壓增益。共模輸入差分放大電路 共模輸入信號(hào)的交流通路 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)共模電壓增益為共模電壓增益為OCOC1OC2Cicicuu-uA0uu共模抑制比共模抑制比dCMRCAKA 共模輸入電阻共模輸入電阻112(1)22iciciCBbeEcbuuRRrRii共模輸出電阻共模輸出電阻2occRR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)2) 2) 雙端輸入，單端輸出工作方式。雙端輸入，單端輸出工作方式。雙端輸入，單端輸出差模電壓增益。雙端輸入，單端輸出差模電壓增益。 雙入單出差模

29、交流通路 雙入單出共模交流通路 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)o1o1o1d1idi1i2i1uuu1Auuu2u2()2LdBbeRARr / /LCLRRR)(2beBidrRRCodRR其中差模輸入電阻差模輸入電阻差模電壓增益為差模電壓增益為差模輸出電阻差模輸出電阻第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)雙端輸入，單端輸出共模電壓增益雙端輸入，單端輸出共模電壓增益 EbeBLCiCOCCRrRRRuuA)1 (2/11112(1)2()dBbeECMRCBbeARrRKARr2(1)BbeeRrR1C1/ /A2CLE

30、RRR 共模放大倍數(shù)一般情況下且共模輸入電阻12(1)2icbeErrR共模輸出電阻COCRr 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)單端輸入的差分放大電路單端輸入的差分放大電路單端輸入單端輸入可看作是任意輸入的一個(gè)特例可看作是任意輸入的一個(gè)特例 1222idiididuuuu 差模信號(hào)1222iiiicuuuu 共模信號(hào)第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.3.3 4.3.3 帶恒流源的差分放大電路帶恒流源的差分放大電路ER 3T1R2R3R、組成恒流源電路，1、3Tce3r管C-E極之間的交流等效電阻用取代典型差分放大電路

31、中的ER2、第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)RcRcRSRSRe3ECCCCCECEUIRUUU 121T1T2UCC+-+-Ui1Ui2UC3E2C1CI21IIEE2113BURRRUBEBEUUU 33-UEER1R2UEUB3UE33EI3eEE3E3ERUUI)(IC2IC1第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)恒流源的電流恒流源的電流3()OCII計(jì)算計(jì)算 EEBBBBURRRU211113333EEBBEOCEEUUUIIIR1231122EECOIIII恒流源的動(dòng)態(tài)電阻恒流源的動(dòng)態(tài)電阻3e3333e3121(

32、/)ABOcebeRRRrrRRREE2113BURRRUBEBEUUU 33RcRcRSRSRe3T1T2UCC+-+-Ui1Ui2UC-UEER1R2UEUB3UE33EIIC2IC1第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.3.44.3.4有源負(fù)載的差分放大電路有源負(fù)載的差分放大電路 用鏡像電流源作差用鏡像電流源作差分放大電路的有源集電分放大電路的有源集電極負(fù)載電阻，可以使單極負(fù)載電阻，可以使單端輸出具有與雙端輸出端輸出具有與雙端輸出相同的差模放大倍數(shù)及相同的差模放大倍數(shù)及共模抑制比共模抑制比 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部

33、電路設(shè)計(jì)差動(dòng)電路中，晶體管參數(shù)：1=2=60，rbb=300，VUI11，VUI01. 12。 求： （1）靜態(tài)工作時(shí)的兩管集電極電流 IC； （2）雙端輸出時(shí)的oU和從 T1單端輸出時(shí)的1oU。 01. 1121OIIOidoVDUUUUvvA解：17234721000060beCVDrRA01. 0OUmAIC5 . 02/1CbeImVr26)1 (30017201. 0OUVUO72. 1VUUOO86. 0211例例1 1第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)80V.VBE20mA.RRVVIIEECCRCQ247524234mA.IIICQCQCQ1

34、22421VRIVVVVCCQECCCEQCEQ53 . 31 . 22 . 0121121krce50一、估算Q點(diǎn)：二、動(dòng)態(tài)分析：kbeIrEQ3 . 11 . 2268030026130012, 1 等效的發(fā)射極耦合電阻REE比例式電流源的輸出電阻krRRceoEE405050811444例例2 2：第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)480250813155338021./.RrRAWbeLvd 1.雙出（雙入或單入）：差模特性： rbe=1.3k, 把直流電源、Vic 都短路；RL 兩臂各分一半；兩臂的差模信號(hào)電流大小相等、方向相反，同時(shí)流過(guò)T4 時(shí)抵

35、消，使T4 無(wú)差模電流、也無(wú)差模電壓，T4、 R1 可視作短路（或開(kāi)路），這里作短路處理；對(duì)于RW：兩臂各分一半。k.RrRWbeid656025081312212k.RRco662畫(huà)差模信號(hào)通路：第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 畫(huà)共模信號(hào)通路：把直流電源、Vid 都短路；RL 兩端共模信號(hào)電位相等，故其中無(wú)共模電流流過(guò)，故可視作開(kāi)路；由于兩臂的共模信號(hào)電流同時(shí)流過(guò)T4 、R1，因此，把它等效到每管發(fā)射極時(shí)，需用2REE表示。RW的影響可略。共模特性：已算得rbe=1.3k,電流源的輸出電阻（等效的REE）為4050k。1.雙出（雙入或單入）：共模信號(hào)通

36、路AAKVVAvcvdCMRicocvc, 0MRrREEbeic656405028121第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 2. 單出-（雙入或單入）： （1）差模特性： 差模信號(hào)通路53002508131113380212121./.RrRAWbeLvdkRrRWbeid3 . 3025. 0813 . 121k.RRco33第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 2. 單出-（雙入或單入）： （2）共模特性0.0003ocvcicvAv 105100030530.AAKvcvdCMRdBog10020105第四章第四章

37、集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.3.5 MOS4.3.5 MOS差分放大器差分放大器 采用有源負(fù)載的采用有源負(fù)載的MOSMOS差分放大器差分放大器242112odddddiiiiii1112dmidmidig ug u12odmidiig uoLudmLidi RAg Ru24/ / /LdsdsLRrrR1.1.差模電壓增益差模電壓增益第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)2.共模電壓增益由于電路兩邊對(duì)稱(chēng) 420oddiii=共模增益為0，CMR K趨于無(wú)窮大。 共模輸入時(shí)的有源負(fù)載MOS差分放大器 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)

38、部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)2.共模電壓增益共模輸入時(shí)的有源負(fù)載MOS差分放大器12ddii=34ddii=24ddii=420oddiii=由于電路兩邊對(duì)稱(chēng)，必有 1、有源負(fù)載差分放大 器的共模增益為0，CMR K2、 趨于無(wú)窮大 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)4.3.6 4.3.6 差分放大電路的傳輸特性及應(yīng)用差分放大電路的傳輸特性及應(yīng)用1 1、差分放大器的傳輸特性、差分放大器的傳輸特性2121BEBEiiiduuuuu()BEEESTuiIEXPU021IiiEE0110221()1()CEidESTCEidESTIiiuIEXPUIiiuIEXPU)2()(11)(110021TidTidESTidESCCUuthIUuEXPIUuEXPIIii晶體管發(fā)射極電流與BE結(jié)電壓之間的關(guān)系)2(021TidCCCCOUuthRIiiRu輸出電壓第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)1）當(dāng)0uid時(shí)，差分放大器處于平衡狀態(tài) 12m0g20(/)2idCCOOidTud IIIImA VduU