第四章 集成運放內部電路設計201404

模擬電子電路及技術基礎第四章集成運放內部電路設計運算放大器——集成作用:放大、運算。（需附加電路來實現(xiàn)）它既可用作放大器來放大電信號，還能完成比例，加法，積分，微分等數(shù)學運算，其名即由此而來。它在實際中廣泛應用于自動控制、精密測量、通信、信號處理等電子技術應用領域。、多端、有源電路元件集成電路：是在同一塊微小的硅片上經(jīng)過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等工藝，將電阻、二極管、晶體管、場效應管及小電容和它們之間的連線組成的完整電路制作在一塊半導體基片上，最后再進行封裝，形成的一個實現(xiàn)特定功能的完整電路。

什么是運算放大器？V-V+4.1集成運放電路電路概述同相輸入端的輸入信號與輸出信號相位相同；反相輸入端的輸入信號與輸出信號相位相反。集成運算放大器的符號國家標準常用通常運算放大器有5個引出端：正電源端，負電源端，同相輸入端，反相輸入端，輸出端,還有公共端通常稱為“地”,為了簡化電路圖中有時將正電源端，負電源端和地省略1、集成運放電路的組成及符號電流源電路差分放大電路共射放大電路功率級4.1集成運放電路電路概述4.1集成運放電路電路概述集成運放的組成：

1.輸入級輸入電阻高、差模電壓放大倍數(shù)大、共模信號抑制能力強、靜態(tài)電流和失調偏差小。2.中間級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)3.輸出級提高輸出功率、降低輸出電阻(即提高帶負載能力)、減小非線性失真和增大輸出電壓的動態(tài)范圍。4.偏置電路采用恒流源電路.集成運放的分類：

通用型運放：專用型運放：高阻型、高速型、高精度型、低溫漂型、低/微功耗型、高壓大功率型特定功能運放：儀表用放大器、緩沖放大器、隔離放大器等。4.1集成運放電路電路概述1.高增益直接耦合放大器2.盡量用有源器件代替無源元件3.利用對稱結構改善電路性能集成運放的性能特點：4.廣泛采用復合管5.溫度穩(wěn)定性較高6.集成度高，功耗小多級放大器高輸入電阻強抑正干擾能力差動式放大器電壓放大倍數(shù)高線形特性優(yōu)良輸出電阻小負載能力強滿足負載對功率的要求功率放大電路輸入級中間級輸出級電流源電路反向端同向端RL集成運放的結構特點：7晶體管的恒流特性IC0IBUCEQ4.2集成運放電路中的電流源電路4.2集成運放電路中的電流源電路1.單管電流源電路UCCRCR3R1R2RoRCRoIC4.2集成運放電路中的電流源電路推導中RrIREFIC2UCCT1T2IB2IB1IC12.鏡像電流源鏡像電流源的溫度補償作用T1和T2結構相同多路鏡像電流源多集電極晶體管電流源3.比例電流源4.微電流電流源5.改進型電流源-----加射隨器隔離的電流源利用的隔離和電流放大和作用，減少了基極電流和對基準電流的分流作用，

6.威爾遜電流源—負反饋型電流源因為所以負反饋的存在，IC3受β影響大大減小，且穩(wěn)定IC3IC2IC1IB3IC37、改進的多輸出鏡像電流源4.2.2場效應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MOS多輸出電流源電路例對于N溝道FET組成的電流鏡，寬長比的比值為2：4：10＝1：2：5，所以有，P溝道FET電流鏡的寬長比的比值為2：10：4＝1：2：5，所以有4.2.3電流源的主要應用----有源負載有源負載的特點(1)采用有源負載的放大器具有很高的電壓增益。(2)有源負載放大器的增益與電源電壓無關。(3)可以大大節(jié)約芯片面積。共射電路的電壓增益為：對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源4.2.3電流源的主要應用----有源負載有源負載共射放大電路4.2.3電流源的主要應用----有源負載有源負載射級跟隨器1、要放大緩慢變化的信號

2、便于集成IC如何辦?零點漂移直接耦合能不能加隔直電容?4．3差分放大電路1.定義：輸入為零時，輸出信號是一個隨時間變化，漂移不定的非零信號,即輸出電壓偏離原來起始點而上下波動。2.原因：溫度變化，電源電壓波動等內部原因。3.影響：靜態(tài)工作點，與被放大信號混淆，被后級傳播惡化。viRC1R1T1+UCCvoRC2T2R2RE2vot0有時會將信號淹沒4.3.1零點漂移現(xiàn)象例如若第一級漂了100uV，則第一級輸出漂移1V。若第二級也漂了100uV，則第二級輸出漂移10mV。假設漂了100uV漂移

10mV漂移1V+10mV漂移1V+10mV抑制第一級或前幾級的溫漂是關鍵。

如果存在一個產(chǎn)生零點漂移的信號源，從輸出信號中扣除掉，就可以克服零點漂移.＋⊿vo一⊿vovovo4.3.2一般差分放大電路的特性分析減輕射極電阻對放大倍數(shù)的影響當ui1=-ui2時，ie1=-ie2

兩管共用一個射極電阻保證兩管射極接交流地;4.3.2一般差分放大電路的特性分析4.3.2一般差分放大電路的特性分析結構特點：結構高度對稱,

Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，T1和T2特性完全相同。有兩個輸入端,兩個輸出端4.3.2一般差分放大電路的特性分析1.當ui1=ui2時，輸出uo=uo1-uo2=0;2.當ui1=-ui2時，輸出uo=uo1-uo2=2uo1;3.│ui1│≠│ui2│,uo=?。差動特性4.3.2一般差分放大電路的特性分析抑制零漂原理ui1+UCCRC1T1RB1RC2T2RB2ui2RE–UEEuo~~~~ududucuc1、共模信號：兩端輸入數(shù)值相等，極性相同的輸入信號uic。即ui1=ui2差模信號與共模信號2、差模信號：兩端輸入數(shù)值相等，極性相反的輸入信號。即ui1=-ui24.3.2一般差分放大電路的特性分析注意：ui1

=uic

+uid

/2

；ui2

=uic

-uid

/2

差模分量:共模分量:uid=ui1–ui2uic

=(ui1

+ui2

)

/2差模信號:uid1

=(ui1

-ui2

)

/2共模信號:uic1

=(ui1

+ui2

)

/2任意信號：當時，稱它們?yōu)槿我庑盘?，任意信號可以分解為差模信號和共模信號之和式中?差值共模信號差模信號差值共模信號差模信號3、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總的輸出電壓1.當vid=0時，vi1=vi2=vic，輸出vo=voc;2.當vic=0時，vi1=-vi2=0.5vid，輸出vo=vod差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓差模信號輸出共模信號輸出運用疊加定理：零點漂移有用信號4、共模抑制比差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力就越強；共模抑制比越大，抑制零漂的能力就愈強，放大電路的性能越優(yōu)良。綜合反映抑制零漂能力的指標5、典型差分放大電路及四種工作方式（a）雙端輸入、雙端輸出（b）單端輸入、雙端輸出（c）雙端輸入、單端輸出（d）單端輸入、單端輸出6、基本工作原理

(1)靜態(tài)分析(2)動態(tài)分析1)雙端輸入，雙端輸出工作方式。①雙端輸入，雙端輸出差模電壓增益。小信號等效電路等效為對地短路負載電阻中點的交流信號電位為零差模輸入交流等效電路差模輸出電阻差模輸入電阻差模電壓增益②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共模電壓增益為共模抑制比共模輸入電阻共模輸出電阻2)雙端輸入，單端輸出工作方式。①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其中差模輸入電阻差模電壓增益為差模輸出電阻②雙端輸入，單端輸出共模電壓增益

共模放大倍數(shù)一般情況下且共模輸入電阻共模輸出電阻

單端輸入的差分放大電路單端輸入可看作是任意輸入的一個特例

差模信號

共模信號4.3.3帶恒流源的差分放大電路

、、、組成恒流源電路，1、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2、RcRcRSRSRe3T1T2UCC+-+-Ui1Ui2UC-UEER1R2UEUB3UE3IC2IC1恒流源的電流計算恒流源的動態(tài)電阻RcRcRSRSRe3T1T2UCC+-+-Ui1Ui2UC-UEER1R2UEUB3UE3IC2IC14.3.4有源負載的差分放大電路

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)及共模抑制比對于差模信號來說，T1和T2集電極電流大小相等，方向相反即：所以：解：例1一、估算Q點：二、動態(tài)分析：

等效的發(fā)射極耦合電阻REE—比例式電流源的輸出電阻例2：

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；兩臂的差模信號電流大小相等、方向相反，同時流過T4

時抵消，使T4

無差模電流、也無差模電壓，T4、

R1可視作短路（或開路），這里作短路處理；對于RW：兩臂各分一半。畫差模信號通路：畫共模信號通路：把直流電源、Vid

都短路；RL

兩端共模信號電位相等，故其中無共模電流流過，故可視作開路；由于兩臂的共模信號電流同時流過T4

、R1，因此，把它等效到每管發(fā)射極時，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）：共模信號通路

2.單出-（雙入或單入）：

（1）差模特性：

差模信號通路

2.單出-（雙入或單入）：

（2）共模特性4.3.5MOS差分放大器

采用有源負載的MOS差分放大器差模電壓增益2.共模電壓增益共模輸入時的有源負載MOS差分放大器由于電路兩邊對稱，必有1、有源負載差分放大器的共模增益為0，2、趨于無窮大

4.3.6差分放大電路的傳輸特性及應用1、差分放大器的傳輸特性輸出電壓注意iE、iC是全量晶體管發(fā)射極電流與BE結電壓之間的關系1）當時，差分放大器處于平衡狀態(tài)。靜態(tài)2）差模電壓輸入與輸出可保持線性關系

時動態(tài)

3）時，輸出差模電壓基本上保持不變動態(tài)差分放大器的增益與恒流源IO成正比

可輸出方波信號

2、展寬輸入動態(tài)范圍及差分放大器的其它應用(1)展寬輸入動態(tài)范圍引入串聯(lián)電流負反饋電阻R，降低增益，展寬輸入線