第六章 運(yùn)算放大器

模擬集成電路簡介一、集成電路（IC）概述在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。它體積小、性能很好，能完成一定的功能。二、集成電路的分類（三種分類方法）

1、按結(jié)構(gòu)工藝分：半導(dǎo)體集成電路、混合集成電路、電子管集成電路。

2、按集成度分：小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路。

3、按功能分：模擬集成電路、數(shù)字集成電路。

三、集成電路的特點(diǎn)

1、同在一塊硅片上制造，元件參數(shù)的一致性很好。

2、電路中電阻元件一般由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值范圍為幾十歐~20千歐左右，電阻值的精度不易控制，誤差在20%~30%左右。

3、不容易實(shí)現(xiàn)大電容，一般只實(shí)現(xiàn)幾十PF。

4、是直接耦合式電路，模擬IC容易產(chǎn)生溫漂。

運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器，它是模擬集成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路之中。集成電路中第一級(jí)常采用差動(dòng)電路，以減小溫漂。電流源概述(1)電流源電路是一個(gè)電流負(fù)反饋電路，并利用PN結(jié)的溫度特性，對(duì)電流源電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小溫度對(duì)電流的影響。(2)電流源電路用于模擬集成放大器中以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，這對(duì)直接耦合放大器是十分重要的。

(3)用電流源做有源負(fù)載，可獲得增益高、動(dòng)態(tài)范圍大的特性。(4)用電流源給電容充電，以獲得線性電壓輸出。(5)電流源還可單獨(dú)制成穩(wěn)流電源使用。(6)在模擬集成電路中，常用的電流源電路有：鏡象電流源、精密電流源、微電流源、多路電流源等。三極管基本電流源

分壓偏置電路對(duì)工作點(diǎn)具有穩(wěn)定作用，也就是對(duì)IO有穩(wěn)定作用，具有穩(wěn)流特性。電壓源的內(nèi)阻小，電流源的內(nèi)阻大，內(nèi)阻越大穩(wěn)流特性越好。三極管電流源的內(nèi)阻rce有較大提高。(a)(b)三極管電流源

用普通的三極管接成電流負(fù)反饋電路，即可構(gòu)成一個(gè)基本的電流源電路。分壓偏置基本放大電路就具有這一功能，其電路如下圖示。集成電路電流源

一、鏡象電流源三極管T1、T2匹配，則,BE2BE1BE21VVV====bbb

鏡象電流源電路如圖所示，它的特點(diǎn)是工作三極管的集電極電流是電流源電路的鏡象(電流相等）。鏡象電流源

精密鏡象電流源和普通鏡象電流源相比，其精度提高了倍。電路如下圖所示。

由于有T3存在，IB3將比鏡象電流源的2IB小β3倍。因此IC2和IREF更加接近。精密電流源二、精密鏡象電流源（帶緩沖）

請(qǐng)同學(xué)們自行推導(dǎo)IC2和IREF的關(guān)系。三、微電流源

微電流源電路如下圖所示，通過接入Re電阻得到一個(gè)比基準(zhǔn)電流小許多倍的微電流源，適用微功耗的集成電路中。由圖可得：微電流源e2BEE2C2oBEBE2BE1e2E2e2E2BE2BE1/=RVIIIVVVRIRIVVD=?=D=-=+

Io與IR的關(guān)系如下)ln(lneeS2oS1RTBE2BE1BE/S2E2C2o/S1E1RT2BET1BEIIIIVVVVIIIIIIIVVVV-=-=D??=??

一般有IS1=IS2，所以

Te2ooRoRe2Te2BEolnlnVRIIIIIRVRVI==D=

因DVBE小，Io<<IR。同時(shí)Io的穩(wěn)定性也比IR好。四、比例電流源

在鏡象電流源電路的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)射極電阻，使兩個(gè)發(fā)射極電阻中的電流成一定的比例關(guān)系，即可構(gòu)成比例電流源。其電路如下圖所示。比例電流源

因兩三極管基極對(duì)地電位相等，于是有

e2e1Roe2E2e1E1BE2BE1e2E2BE2e1E1BE1=RRIIRIRIVVRIVRIV???++因五、多電流源

通過一個(gè)基準(zhǔn)電流源穩(wěn)定多個(gè)三極管的工作點(diǎn)電流，即可構(gòu)成多路電流源，電路見下圖。圖中一個(gè)基準(zhǔn)電流IREF可獲得多個(gè)恒定電流IC2、IC3。多電流源差分放大電路

差分放大電路是由對(duì)稱的兩個(gè)基本放大電路，通過射極公共電阻耦合構(gòu)成的。如下圖所示。對(duì)稱的含義是兩個(gè)三極管的特性一致，電路參數(shù)對(duì)應(yīng)相等。即：1=2=

VBE1=VBE2=VBE

rbe1=rbe2=rbe

ICBO1=ICBO2=ICBO

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb差分放大電路的輸入和輸出方式

差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端，一個(gè)是集電極C1，另一個(gè)是集電極C2。從C1

和C2輸出稱為雙端輸出，僅從集電極C1或C2

對(duì)地輸出稱為單端輸出。信號(hào)的輸入方式：若信號(hào)同時(shí)加到同相輸入端和反相輸入端，稱為雙端輸入；若信號(hào)僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加入，稱為單端輸入。同相輸入端：根據(jù)規(guī)定的正方向，在一個(gè)輸入端加上一定極性的信號(hào)，如果所得到的輸出信號(hào)極性與其相同，則該輸入端稱為同相輸入端。

反相輸入端：反之，如果所得到的輸出信號(hào)的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入端。差模信號(hào)和共模信號(hào)理論上：差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。雙電源差分放大電路

差分放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算方法與基本放大電路基本相同。為了使差分放大電路在靜態(tài)時(shí)，其輸入端基本上是零電位，將Re從接地改為接負(fù)電源－VEE。

由IB的計(jì)算式可知，Re對(duì)一半差分電路而言，只有2Re

才能獲得相同的電壓降。一、靜態(tài)計(jì)算二、差模動(dòng)態(tài)分析

輸入差模信號(hào)時(shí)，Vi1增大的同時(shí)Vi2在反向增大，所以三極管的發(fā)射極電位不會(huì)發(fā)生變化，也即為交流的“地”。--（1）雙端輸入雙端輸出--（2）雙端輸入單端輸出--vi1=－vi2=vi/2（3）單端輸入雙端輸出

三極管的發(fā)射極電位始終是Vi/2，也即是“浮地”。將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙端差分信號(hào)。單端輸入時(shí)交流信號(hào)的實(shí)際作用效果Vi=0v時(shí)，假定：Vi=10mV時(shí)：

通過從T1

或T2

的集電極輸出，可以得到輸出與輸入之間或電位反相或電位同相的關(guān)系。從T1的基極輸入信號(hào)，從C1

輸出，為反相；從C2

輸出為同相。

（3）單端輸入單端輸出三、共模狀態(tài)動(dòng)態(tài)計(jì)算

[問題引出]

前面已經(jīng)介紹差放電路抑制溫漂的原理，在理想情況下溫漂應(yīng)為零，但實(shí)際電路的器件和參數(shù)很難完全對(duì)稱，因此達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。怎樣來衡量實(shí)際效果呢？

因此提出了共模信號(hào)的概念，由于溫漂的變化作用于電路的兩部分，且T1、T2的變化相同，可看作在兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入一對(duì)極性相同、幅值相同的信號(hào)的結(jié)果。于是引入共模電壓放大倍數(shù)來衡量放大電路抑制溫漂的能力。

計(jì)算共模放大倍數(shù)Avc的微變等效電路，如下圖所示。其中Re用2Re等效，這與差模時(shí)不同。Avc的大小，取決于差分電路的對(duì)稱性，雙端輸出時(shí)可以認(rèn)為等于零。單端輸出時(shí)為：共模微變等效電路(1)共模放大倍數(shù)Avc(2)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)。，或雙端輸出時(shí)KCMR可認(rèn)為等于無窮大，單端輸出時(shí)共模抑制比：四、恒流源差分放大電路

為了提高共模抑制比應(yīng)加大Re

。但Re加大后，為保證工作點(diǎn)不變，必須提高負(fù)電源，這是不經(jīng)濟(jì)的。為此可用恒流源T3來代替Re

。恒流源動(dòng)態(tài)電阻大，可提高共模抑制比。同時(shí)恒流源的管壓降只有幾伏，可不必提高負(fù)電源之值。這種電路稱為恒流源差分放大電路，電路如右圖所示。恒流源電流數(shù)值為IE=(VZ

-VBE3)/Re

運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)集成運(yùn)算放大器是一個(gè)高增益直接耦合放大電路。輸入級(jí)

要使用高性能的差分放大電路。中間放大級(jí)

為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。互補(bǔ)輸出級(jí)由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，提高運(yùn)放的電流輸出能力。運(yùn)算放大器的符號(hào)和型號(hào)(a)

國家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)(b)常用符號(hào)一、圖形符號(hào)同相輸入端反相輸入端二、型號(hào)命名序號(hào)其它:集成功率放大器CD－－－－集成穩(wěn)壓器CW－－－－運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)1.

輸入失調(diào)電壓Vio：(inputoffsetvoltage)輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路整體對(duì)稱性的指標(biāo)。

2.

輸入失調(diào)電流

Iio：(inputoffsetcurrent)在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

3.

輸入偏置電流IB

：(inputbiascurrent)運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。4.

輸入失調(diào)電壓溫漂dVio/dT：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

5.輸入失調(diào)電流溫漂dIio/dT：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。6.最大差模輸入電壓Vidmax：(maximumdifferentialmodeinputvoltage)運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓Vicmax：(maximumcommonmodeinputvoltage)在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Avd：(openloopvoltagegain)運(yùn)放在無外加反饋條件下，輸出電壓的變化量與輸入電壓的變化量之比。2.差模輸入電阻rid

：(inputresistance)輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。3.共模抑制比

KCMR

：(commonmoderejectionratio)與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益Avd

與共模電壓增益Avc

之比，常用分貝數(shù)來表示。

KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)運(yùn)算放大器實(shí)物圖理想運(yùn)算放大器

滿足下列參數(shù)指標(biāo)的運(yùn)算放大器可以視為理想運(yùn)算放大器：

1.差模電壓放大倍數(shù)Avd=，實(shí)際上Avd≥80dB即可。3.輸出電阻Ro=0，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小1～2個(gè)量級(jí)即可。

4.帶寬足夠?qū)挕?.共模抑制比足夠大。

實(shí)際上在做一般原理性分析時(shí)，產(chǎn)品運(yùn)算放大器都可以視為理想的。只要實(shí)際的運(yùn)用條件不使運(yùn)算放大器的某個(gè)技術(shù)