第四章集成運(yùn)放內(nèi)部電路設(shè)計

1、第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)朱 旭 花第四章第四章 集成運(yùn)算放大器內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器內(nèi)部電路設(shè)計第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)是課程的特點(diǎn)是 “概念性、工程性、實(shí)踐性概念性、工程性、實(shí)踐性“強(qiáng)強(qiáng)！ “注重物理概念，采用工程觀點(diǎn)；注重物理概念，采用工程觀點(diǎn)； 重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)，善于總結(jié)對比；重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)，善于總結(jié)對比； 理論聯(lián)系實(shí)際，注意應(yīng)用背景；理論聯(lián)系實(shí)際，注意應(yīng)用背景； 尋求內(nèi)在規(guī)律，增強(qiáng)抽象能力。尋求內(nèi)在規(guī)律，增強(qiáng)抽象

2、能力。”第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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集成電路(IC(IC：Integrated Circuit)Integrated Circuit)是在同一塊微是在同一塊微小的硅片上經(jīng)過氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等小的硅片上經(jīng)過氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等工藝，將電阻、二極管、晶體管、場效應(yīng)管及小電工藝，將電阻、二極管、晶體管、場效應(yīng)管及小電容和它們之間的連線組成的完整電路制作在一起，容和它們之間的連線組成的完整電路制作在一起，最后再進(jìn)行封裝，形成的一個實(shí)現(xiàn)特定功能的完整最后再進(jìn)行封裝，形成的一個實(shí)

3、現(xiàn)特定功能的完整電路電路。 集成電路分類：集成電路分類： 通用型運(yùn)放：通用型運(yùn)放： 專用型運(yùn)放專用型運(yùn)放：高阻型、高速型、高精度型、高阻型、高速型、高精度型、低溫漂型、低低溫漂型、低/ /微功耗型、高壓大功率型微功耗型、高壓大功率型 特定功能運(yùn)放：儀表用放大器、緩沖放大器、特定功能運(yùn)放：儀表用放大器、緩沖放大器、隔離放大器等。隔離放大器等。第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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

4、電路性能利用對稱結(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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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.輸入級輸入級輸入電阻高、差模電壓放大倍數(shù)大、共模信號抑制能輸入電阻高、差模電壓放大倍數(shù)大、共模信號抑制能力強(qiáng)、靜態(tài)電流和失調(diào)偏差小。力強(qiáng)、靜態(tài)電流和失調(diào)偏差小。2.2.中間級中間級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

5、共發(fā)射極( (或共源極或共源極) )3.3.輸出級輸出級提高輸出功率、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、減小非線性失真和增大輸出電壓的動態(tài)范圍。非線性失真和增大輸出電壓的動態(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. .第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)改善電路性能集成運(yùn)放的特點(diǎn)：

6、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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4.2 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1.1.單管電流源電路單管電流源電路33121|OcebeORURrrRRRIBBECE3UUIIR2BCC12RUURR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計2. 2. 鏡像電流源鏡像電流源RUUIBECCREF121222CCCREFBREFIIIIII)21 (12REFCII12CCBE

7、CCCREFUUUIIRR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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4.4.微電流電流源

8、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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)?E3C31II所以 2C3REF2222II1()2222REFREFII32REFICCBEBEUUUR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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

9、3T1BI2BIREFI利用 的隔離和電流放大和作用，減少了基極電流 和對基準(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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計 改進(jìn)的多輸出鏡像電流源改進(jìn)的多輸出鏡像電流源 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4. 2. 2 4. 2. 2 場效應(yīng)晶體管組成的電流源場效應(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( )()2n OXDGSGS thC

10、 WIUUL111222/DDIWLIWL第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計例例22OREFII35OREFII 對于N溝道FET組成的電流鏡，寬長比的比值為2：4：101：2：5，所以有，435OOREFIII53525OOREFIII63210OOREFIII P溝道FET電流鏡的寬長比的比值為2：10：41：2：5，所以有第四章第四章 集成運(yùn)算放大器

11、的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)有源負(fù)載的特點(diǎn) (1)(1)采用有源負(fù)載的放大器具有很高的電壓增益。采用有源負(fù)載的放大器具有很高的電壓增益。(2)(2) 有源負(fù)載放大器的增益與電源電壓無關(guān)。有源負(fù)載放大器的增益與電源電壓無關(guān)。(3)(3) 可以大大節(jié)約芯片面積?？梢源蟠蠊?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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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)載共射放大電路有源負(fù)載共射放大電路 112u1/Ac

12、eceLBberrRRr第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計有源負(fù)載射級跟隨器有源負(fù)載射級跟隨器 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4.3.1 4.3.1 零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移現(xiàn)象現(xiàn)象4 43 3 差分放大電路差分放大電路 所謂的零點(diǎn)漂移所謂的零點(diǎn)漂移，就是當(dāng)，就是當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號是輸入信號為零時，輸出信號是一個隨時間變化，漂移不定的一個隨時間變化，漂移不定的非零信號非零信號 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :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

13、端, ,兩個輸出端兩個輸出端, ,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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計1 1、抑制零漂原理、抑制零漂原理2 2、差模信號和共模信號、差模信號和共模信號兩端輸入信號大小相同、極性相反的信號稱兩端輸入信號大小相同、極性相反的信號稱差模信號差模信號idu兩端輸入完全相同的信號稱為共模信號 icu1212idiiiuuuu122iiicuuu第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計任意信號：當(dāng)任意信號：當(dāng) 時，稱它們?yōu)槿我庑盘枺瑫r，稱它們?yōu)槿我庑盘枺?任意信號可以分解

14、為差模信號和共模信號之和任意信號可以分解為差模信號和共模信號之和21iiuu121211212212221222iiiiiicidiiiiiiciduuuuuuuuuuuuuu12122idiiiiicuuuuuu式中3 3、差模增益和共模增益、差模增益和共模增益差模電壓增益定義差模電壓增益定義 共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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4 4、共模抑制比、共模抑制比dCM RcAKA20lgdCMRcAKdBA差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，差模

15、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。第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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、）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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計6 6、基本工作原理、基本工作原理

16、(1) (1) 靜態(tài)分析靜態(tài)分析12()0.71222REEEEEEEQE QEeIUUUIIRR 1212C QCQE QE QIIIIC1QC2QCC1UUUC QCIRCE1QCE2QCC1UUU0.7CQ CI R第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計 (2)動態(tài)分析1) 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。差摸輸入交流等效電路 小信號等效電路ER等效為對地短路 負(fù)載電阻LR中點(diǎn)的交流信號電位為零 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計odo1o2o1idi1i2i1uu -u2uuuu2uLdB

17、beRARr / /2LLCRRRbeBbidbididrRiuiuR221CodRR2差模輸出電阻 差模輸入電阻 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計雙端輸入，雙端輸出共模電壓增益。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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計共模電壓增益為OCOC1OC2Cicicuu-uA0uu共模抑制比 dCMRCAKA 共模輸入電阻112(1)22iciciCBbeEcbuuRRrRii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)計集成運(yùn)算放大器

18、的內(nèi)部電路設(shè)計2) 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。 雙入單出差模交流通路 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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計o1o1o1d1idi1i2i1uuu1Auuu2u2()2LdBbeRARr / /LCLRRR)(2beBidrRRCodRR其中差模輸入電阻差模電壓增益為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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計雙端輸入，單端輸出共模電壓增益 EbeBLCiCOCCRrRRRuuA)1 (2/11112(1)2()dBbeECMRCBbeARrRKARr2(1)BbeeR

19、rR1C1/ /A2CLERRR 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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計3） 單端輸入的差分放大電路單端輸入單端輸出 可看作是任意輸入的一個特例 1222idiididuuuu ： 差模信號1222iiiicuuuu 共模信號第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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中的ER2

20、、第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計恒流源的電流3()OCII計算 EEBBBBURRRU211113333EEBBEOCEEUUUIIIR1231122EECOIIII 恒流源的動態(tài)電阻 333333121(/ /)ABOcebeRRRrrRRR第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計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 用鏡像電流源作差分放大電路的有源集電極負(fù)載電阻，可以使單端輸出具有與雙端輸出相同的差模放大倍數(shù)及共模抑制比 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4

21、.3.5 MOS4.3.5 MOS差分放大器差分放大器 采用有源負(fù)載的MOS差分放大器242112odddddiiiiii1112dmidmidig ug u12odmidiig uoLudmLidi RAg Ru24/ / /LdsdsLRrrR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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計2.共模電壓增益由于電路兩邊對稱 420oddiii=共模增益為0，CMR K趨于無窮大。 共模輸入時的有源負(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)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計2.共模電壓增益共模輸入時的有源負(fù)載MOS差分放大器12ddii=34

22、ddii=24ddii=420oddiii=由于電路兩邊對稱，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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計4.3.64.3.6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

23、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)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計1）當(dāng)0uid時，差分放大器處于平衡狀態(tài) 12m0g20(/)2idCCOOidTud IIIImA VduU 12()()()2ccCudCmCOidTd iiRARg RIduU 2）差模電壓TTUUidu輸入與輸出可保持線性關(guān)系 時3）idu4TUOu時，輸出差模電壓基本上保持不變第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計2 2、展寬輸入動態(tài)范圍及差分放大器的其它應(yīng)用、展寬輸入動態(tài)范圍及差分放大器的

24、其它應(yīng)用(1) 展寬輸入動態(tài)范圍 引入串聯(lián)電流負(fù)反饋電阻R，展寬輸入線性動態(tài)范圍 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計(2) 倒相器 ()OCIf U （3）自動增益控制電路第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計（4）波形變換電路 第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計3 3 雙平衡模擬乘法器雙平衡模擬乘法器125()2xcccTuiii thU346()2xcccTuiii thU12123456() ()2oooccccxccTiiiiiiiuiithU第四章第四章 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路設(shè)計252xTuUmV22xxTTuuthUU1()2oxyETiuuR Uou12