第1章集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí)

1、第第1章章 集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí)集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí)1.1 集成運(yùn)放的基本組成電路集成運(yùn)放的基本組成電路1.2 集成運(yùn)放的基本構(gòu)成和表示符號(hào)集成運(yùn)放的基本構(gòu)成和表示符號(hào)1.3 集成運(yùn)放的主要參數(shù)和分類(lèi)集成運(yùn)放的主要參數(shù)和分類(lèi)1.4 集成運(yùn)放的等效模型集成運(yùn)放的等效模型1.5 實(shí)際運(yùn)放與理想運(yùn)放的誤差實(shí)際運(yùn)放與理想運(yùn)放的誤差1.6 運(yùn)放電路的穩(wěn)定性及其判斷運(yùn)放電路的穩(wěn)定性及其判斷1.7 集成運(yùn)放的相位補(bǔ)償技術(shù)集成運(yùn)放的相位補(bǔ)償技術(shù)運(yùn)放電路是各種電子電路中最基本的組成部分。運(yùn)放電路是各種電子電路中最基本的組成部分。 引言引言 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器IC Operational Amplifer（

2、縮寫(xiě)（縮寫(xiě)為為OP-Amp）簡(jiǎn)稱(chēng)為）簡(jiǎn)稱(chēng)為集成運(yùn)放集成運(yùn)放，它是二十世紀(jì)六，它是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來(lái)的一種十年代發(fā)展起來(lái)的一種高增益直接耦合放大器。高增益直接耦合放大器。 集成運(yùn)放與其它集成電路一樣，經(jīng)歷了小、中、集成運(yùn)放與其它集成電路一樣，經(jīng)歷了小、中、大和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展階段。大和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展階段。 集成運(yùn)放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種集成運(yùn)放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種最多、最多、應(yīng)用最廣泛一種模擬集成電子器件。應(yīng)用最廣泛一種模擬集成電子器件。 集成運(yùn)放配上不同的外圍器件，可構(gòu)成功能和特性集成運(yùn)放配上不同的外圍器件，可構(gòu)成功能和特性完全不同各種的集成運(yùn)放電

3、路，簡(jiǎn)稱(chēng)完全不同各種的集成運(yùn)放電路，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放電路。運(yùn)放電路。1.1 集成運(yùn)放的基本組成電路集成運(yùn)放的基本組成電路1.1.1 差動(dòng)輸入電路差動(dòng)輸入電路1.1.2 恒流源電路恒流源電路1.1.3 有源負(fù)載電路有源負(fù)載電路1.1.4 雙端變單端電路雙端變單端電路1.1.5 直流電平位移電路直流電平位移電路1.1.6 互補(bǔ)推挽輸出電路互補(bǔ)推挽輸出電路1.1.1 差動(dòng)輸入電路差動(dòng)輸入電路1. 差動(dòng)放大電路的基本特性差動(dòng)放大電路的基本特性圖圖1-1-1 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 的基本形式的基本形式圖圖1-1-2 差模輸入交差模輸入交 流等效電路流等效電路(1)輸入差模信號(hào)時(shí)（即輸入差模信號(hào)時(shí)（即ui1

4、= - = - ui2）電壓增益為電壓增益為 u1s1o2s1s2oo1udAuuuuuuA= = =- - -= =若是單端輸出時(shí)，該電路的電壓增益將減半：若是單端輸出時(shí)，該電路的電壓增益將減半：電壓增益為電壓增益為 1i1ouuuA = =RL是放大器的負(fù)載電阻。是放大器的負(fù)載電阻。 beLc)/(rRR- -= =單管共射放大器的單管共射放大器的源電壓增益為源電壓增益為差模輸入時(shí)，放大器差模輸入時(shí)，放大器兩輸入端之間的差模兩輸入端之間的差模入電阻入電阻Rd是單管放大是單管放大器的兩倍，即器的兩倍，即圖圖1-1-3 單管共射放大器的單管共射放大器的低頻小信號(hào)等效電路低頻小信號(hào)等效電路uis

5、1ius1ArRrA = =bebi/rRr = =us1Rs1 - - - -ui1Rbrbeibb bibRcRL - -uo1bcebebbebrRrR = =Rd = =2(Rd/rbe) 2rbe當(dāng)當(dāng)b b很大時(shí)很大時(shí)BdmV52IR 當(dāng)工作電流很小時(shí)當(dāng)工作電流很小時(shí) BdmV80IR 由三極管射極電流與由三極管射極電流與eb結(jié)電壓的關(guān)系式結(jié)電壓的關(guān)系式 )1(eBES- -= =kTqUI晶體管的晶體管的跨導(dǎo)為跨導(dǎo)為T(mén)c)(SBEcmBEeddUIkTqIUIgkTqU= = = =同理可得雙極型差動(dòng)放大器的等效跨導(dǎo)表示式為同理可得雙極型差動(dòng)放大器的等效跨導(dǎo)表示式為 Tc0)(BE

6、2BE1c2c1mBE21BE)d()d(UIUUIIgUU= =- - -= = =- -式中式中Ic為每單邊三極管的集電極電流為每單邊三極管的集電極電流 oc21II kTqUIBEeS ECII 差動(dòng)放大器在差動(dòng)放大器在差動(dòng)輸入時(shí)差動(dòng)輸入時(shí)，其，其跨導(dǎo)跨導(dǎo)與單管時(shí)相同與單管時(shí)相同 kTqIgcm= =由此，可得到由此，可得到差動(dòng)放大器電壓增益差動(dòng)放大器電壓增益的近似式為的近似式為)/(20coeo1udRrIA- - )/(coemudRrgA- - 在室溫情況下，可進(jìn)一步近似為在室溫情況下，可進(jìn)一步近似為 上式中，上式中，Io1為差動(dòng)放大器的恒流源電流。為差動(dòng)放大器的恒流源電流。 顯然

7、，顯然，放大器電壓增益是與其工作電流成正比。放大器電壓增益是與其工作電流成正比。 )/(40coecRrI- - (2)共模輸入信號(hào)時(shí)共模輸入信號(hào)時(shí)圖圖1-1-4 共模輸入的差動(dòng)放大器共模輸入的差動(dòng)放大器CMRR1當(dāng)差動(dòng)輸出時(shí)，當(dāng)差動(dòng)輸出時(shí)，共模共模抑制比抑制比（即差動(dòng)放大（即差動(dòng)放大器差模增益與共模增器差模增益與共模增益之比）表示式為益之比）表示式為eeRrRrRggooc2mm22 = = eeRgRRrrmcoo22 mcc21gRRRe 2.差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)及其漂移差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)及其漂移 多數(shù)集成運(yùn)放的輸入級(jí)都采用差動(dòng)放大器形式。多數(shù)集成運(yùn)放的輸入級(jí)都采用差動(dòng)放大器形式。輸入

8、級(jí)的失調(diào)是整個(gè)運(yùn)放輸入失調(diào)的主要來(lái)源，輸入級(jí)的失調(diào)是整個(gè)運(yùn)放輸入失調(diào)的主要來(lái)源，因因此，減小差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)是很重要的。此，減小差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)是很重要的。(1)差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電壓及其漂移差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電壓及其漂移 在實(shí)際的差動(dòng)放大器中，當(dāng)差動(dòng)輸出電壓為零時(shí)，在實(shí)際的差動(dòng)放大器中，當(dāng)差動(dòng)輸出電壓為零時(shí)，輸入端所加的直流補(bǔ)償電壓的大小稱(chēng)為差動(dòng)放大輸入端所加的直流補(bǔ)償電壓的大小稱(chēng)為差動(dòng)放大器的器的輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓。圖圖1-1-5 分析差動(dòng)放大器分析差動(dòng)放大器 失調(diào)電壓的示意圖失調(diào)電壓的示意圖 o2o1oUUU- -= =引起差動(dòng)放大器輸出電壓引起差動(dòng)放大器輸出電壓不平衡

9、的因素有三個(gè)不平衡的因素有三個(gè) : 對(duì)差動(dòng)放大器，當(dāng)差動(dòng)輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)有對(duì)差動(dòng)放大器，當(dāng)差動(dòng)輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)有VT1、VT2的的UBE相同時(shí)，它相同時(shí)，它們的射極電流不相等。是由們的射極電流不相等。是由于于VT1、VT2的反向飽和電流的反向飽和電流Is1、Is2不匹配的結(jié)果。不匹配的結(jié)果。VT1、VT2的集電極電阻的集電極電阻Rc1、Rc2的不匹配。的不匹配。VT1、VT2的電流增益的電流增益1、 2的的 不匹配。不匹配。0c2c2c1c1= =- -= =RIRI計(jì)算可得，差動(dòng)放大器的計(jì)算可得，差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Uos為：為：BE2BE1osUUU- -= =上式的三

10、項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于上述上式的三項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于上述三項(xiàng)因素三項(xiàng)因素，一般情況下，一般情況下，2b bb b 時(shí)時(shí) VT1、VT2的的UBE之差之差 很小，可忽略。很小，可忽略。0BEU 稱(chēng)為差分對(duì)管本身的輸入失調(diào)電壓稱(chēng)為差分對(duì)管本身的輸入失調(diào)電壓表示：表示： 0BEU ccT0BEosRRUUU 忽略電阻溫度系數(shù)差值時(shí)，忽略電阻溫度系數(shù)差值時(shí)，Uos的溫漂主要決定于的溫漂主要決定于 0BEU 的溫漂。的溫漂。 式中第一項(xiàng)可用相等射極電流式中第一項(xiàng)可用相等射極電流)(2ccssTb bb b = =RRIIUccmo10BE2RRgIU 差動(dòng)放大器的差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)

11、為為 TUTUUTUTUosBE2BE10BEosd)d(dd= =- -= = 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)1mV的的Uos，室溫時(shí)它的溫度系數(shù)約，室溫時(shí)它的溫度系數(shù)約3.3mV/。(2)差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電流及其漂移差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電流及其漂移差動(dòng)放大器的輸出直流電壓等于零時(shí)，兩輸入差動(dòng)放大器的輸出直流電壓等于零時(shí)，兩輸入端所加偏置電流的差值即為其端所加偏置電流的差值即為其輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流Ios。 引起引起Ios的原因是：的原因是：為使這些偏差等于零，差分對(duì)管為使這些偏差等于零，差分對(duì)管的基極注入電流將發(fā)生偏差。的基極注入電流將發(fā)生偏差。晶體管的晶體管的b b不對(duì)稱(chēng)，使基極注入電流產(chǎn)生偏差；不對(duì)

12、稱(chēng)，使基極注入電流產(chǎn)生偏差；集電極負(fù)載電阻不對(duì)稱(chēng)，引起輸出電壓偏差。集電極負(fù)載電阻不對(duì)稱(chēng)，引起輸出電壓偏差。Ios的表示式為的表示式為 )(ccBosRRII = =當(dāng)不考慮電阻溫度的偏差時(shí)，當(dāng)不考慮電阻溫度的偏差時(shí)，Ios的溫度系數(shù)表示為：的溫度系數(shù)表示為：Bosos)dd1(ddITTITI = =b bb b 當(dāng)工作溫度大于當(dāng)工作溫度大于25時(shí)，其值約時(shí)，其值約- -0.005/。當(dāng)工作溫度小于當(dāng)工作溫度小于25時(shí)，其值約時(shí)，其值約- -0.015/。注意：注意：上述討論中均假設(shè)差分對(duì)管處于同樣溫度上述討論中均假設(shè)差分對(duì)管處于同樣溫度環(huán)境中。環(huán)境中。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因電路中有些元

13、件功耗較因電路中有些元件功耗較大，芯片存在溫度梯度，故輸入差分對(duì)管溫度環(huán)大，芯片存在溫度梯度，故輸入差分對(duì)管溫度環(huán)境可能有差別，它境可能有差別，它將使差動(dòng)放大級(jí)輸入失調(diào)增加。將使差動(dòng)放大級(jí)輸入失調(diào)增加。3.集成運(yùn)放的輸入級(jí)集成運(yùn)放的輸入級(jí)集成運(yùn)放的許多性能指標(biāo)主要取決于差動(dòng)輸入級(jí)。集成運(yùn)放的許多性能指標(biāo)主要取決于差動(dòng)輸入級(jí)。(1)普通差動(dòng)放大電路普通差動(dòng)放大電路普通差放電路作為集成運(yùn)放的輸入級(jí)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是普通差放電路作為集成運(yùn)放的輸入級(jí)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易匹配，因此輸入失調(diào)電壓小。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易匹配，因此輸入失調(diào)電壓小。例如：輸入失調(diào)及其漂移、輸入阻抗、共模抑制比、例如：輸入失調(diào)

14、及其漂移、輸入阻抗、共模抑制比、最大差模輸入電壓和共模輸入電壓范圍等。最大差模輸入電壓和共模輸入電壓范圍等。輸入級(jí)的改進(jìn)便成為各代集成運(yùn)放的重要標(biāo)志。輸入級(jí)的改進(jìn)便成為各代集成運(yùn)放的重要標(biāo)志。它廣泛用于早期產(chǎn)品和第一代集成運(yùn)放中。它廣泛用于早期產(chǎn)品和第一代集成運(yùn)放中。 第一代集成運(yùn)放第一代集成運(yùn)放如國(guó)產(chǎn)的如國(guó)產(chǎn)的F001（5G922）、）、F004（5G23）以及國(guó)外的以及國(guó)外的 A709等。等。 輸入阻抗低，約為輸入阻抗低，約為50k 到到300k ； 失調(diào)電流，約為失調(diào)電流，約為100nA； 最大差模輸入電壓低，不超過(guò)最大差模輸入電壓低，不超過(guò)7V； 差模輸入電壓范圍也較小，常為差模輸入電

15、壓范圍也較小，常為 10V； 電壓增益不高，約為電壓增益不高，約為30到到100倍。倍。缺點(diǎn)是：缺點(diǎn)是：(2) 共集共基差動(dòng)放大器共集共基差動(dòng)放大器圖圖1-1-6 共集共基共集共基 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器由兩級(jí)差動(dòng)放大電路組成由兩級(jí)差動(dòng)放大電路組成第第1級(jí)級(jí)由高由高b b的的NPN管管VT1、VT2接成共集組態(tài)差動(dòng)放大接成共集組態(tài)差動(dòng)放大電路，電路，VT3、VT4為其發(fā)射為其發(fā)射極負(fù)載。極負(fù)載。第第2級(jí)級(jí)由高反壓的橫向由高反壓的橫向PNP管管VT5、VT6接成共基組態(tài)接成共基組態(tài)差動(dòng)放大電路。差動(dòng)放大電路。 用于第二代集成運(yùn)放中。用于第二代集成運(yùn)放中。如：國(guó)產(chǎn)的如：國(guó)產(chǎn)的F007、5G24、F7

16、41，國(guó)外的，國(guó)外的 A741、AD741等。等。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 因輸入為共集電路，所以因輸入為共集電路，所以提高了輸入阻抗；提高了輸入阻抗； VT3、VT4為共基電路，由于輸出阻抗高，因此為共基電路，由于輸出阻抗高，因此可用大負(fù)載以可用大負(fù)載以提高電壓增益。提高電壓增益。 由于由于VT3和和VT4的的IB以及以及VT1和和VT2的的IC合用一個(gè)合用一個(gè)恒流源，即恒流源，即IB + IC = 常數(shù)，常數(shù)，提高了共模抑制比。提高了共模抑制比。最最突出的特點(diǎn)是突出的特點(diǎn)是采用了高反壓的橫向管，使得采用了高反壓的橫向管，使得最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓UdM 可達(dá)可達(dá) 30V。(3) 超超b b管

17、差動(dòng)放大電路管差動(dòng)放大電路圖圖1-1-7 超超管差管差動(dòng)放大電路動(dòng)放大電路用用b b =200010000超超b b管作管作差動(dòng)放大電路，使差動(dòng)輸入差動(dòng)放大電路，使差動(dòng)輸入級(jí)的基極偏置電流減小一個(gè)級(jí)的基極偏置電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)量級(jí)，這是集成運(yùn)放在低這是集成運(yùn)放在低漂移性能上重大突破。漂移性能上重大突破。第三代集成運(yùn)放主要特第三代集成運(yùn)放主要特點(diǎn)是采用了超點(diǎn)是采用了超 b b 管的差管的差動(dòng)輸入級(jí)。動(dòng)輸入級(jí)。如：國(guó)產(chǎn)的如：國(guó)產(chǎn)的4E325； 國(guó)外的國(guó)外的AD508L。(4) 場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大電路場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大電路圖圖1-1-8 場(chǎng)效應(yīng)管差場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大電路動(dòng)放大電路 因場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電流

18、比因場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電流比三極管的基極電流小三、四三極管的基極電流小三、四個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在需要高輸個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在需要高輸入阻抗和低偏置電流等的情入阻抗和低偏置電流等的情況下，常采用場(chǎng)效應(yīng)管作差況下，常采用場(chǎng)效應(yīng)管作差動(dòng)輸入級(jí)。動(dòng)輸入級(jí)。 輸入阻抗高達(dá)輸入阻抗高達(dá)1012 。 例如：國(guó)外的例如：國(guó)外的 A740等。等。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸入失調(diào)電壓較大。輸入失調(diào)電壓較大。 1.1.2 恒流源電路恒流源電路 在集成運(yùn)放中，廣泛采用恒流源電路，作為各在集成運(yùn)放中，廣泛采用恒流源電路，作為各級(jí)電路的恒流偏置和有源負(fù)載。級(jí)電路的恒流偏置和有源負(fù)載。1. 鏡像恒流源基本電路鏡像恒流源基本電路圖圖1-1-9 鏡

19、像恒流源鏡像恒流源 的基本電路的基本電路VT1、VT2是匹配對(duì)管是匹配對(duì)管 B2B1c2rIIII = =)21(2cBc2rb b = = = =IIIIb b211ro = = II即即 b b足夠大時(shí)有足夠大時(shí)有Io Ir，所以稱(chēng)為電流鏡電路。，所以稱(chēng)為電流鏡電路。圖圖1-1-10 減小減小對(duì)對(duì)Io影影響的恒流源響的恒流源輸出電流為：輸出電流為： )1(21131rob bb b = = IIb b1b b2 2. 改進(jìn)型鏡像恒流源電路改進(jìn)型鏡像恒流源電路(1) 減小減小b b對(duì)對(duì)Io影響的恒流源影響的恒流源 與基本電路相比，此處與基本電路相比，此處b b 的的變化對(duì)變化對(duì)Io的影響要小

20、得多。的影響要小得多。圖圖1-1-11 Io與與Ir不同不同 比例的恒流源比例的恒流源2r2c21oRIRIRI即即12roRRII （2）Io與與Ir不同比例的恒流源不同比例的恒流源當(dāng)當(dāng)VT1、VT2中電流是同中電流是同數(shù)量級(jí)時(shí)，其數(shù)量級(jí)時(shí)，其UBE可認(rèn)為可認(rèn)為近似相等，故有（假設(shè)三近似相等，故有（假設(shè)三極管的極管的b b足夠大）：足夠大）：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R1、R2的比值，可的比值，可獲得不同的獲得不同的Io輸出。輸出。 3. 多路輸出的恒流源多路輸出的恒流源圖圖1-1-12 多路輸出的恒流源多路輸出的恒流源 當(dāng)當(dāng)VT1、VT2、VTn等各三極管完全等各三極管完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，輸出電流對(duì)稱(chēng)時(shí)，輸出電流I

21、1、In等各電流等各電流近似相等。近似相等。1.1.3 有源負(fù)載電路有源負(fù)載電路1. 有源集電極負(fù)載電路有源集電極負(fù)載電路圖圖1-1-13 有源集電極有源集電極負(fù)載放大器負(fù)載放大器單管共發(fā)射極放大器單管共發(fā)射極放大器電壓增益表達(dá)式為電壓增益表達(dá)式為 beLcu)/(RrRAb-=利用三極管恒流源來(lái)利用三極管恒流源來(lái)代替集電極負(fù)載電阻。代替集電極負(fù)載電阻。 2. 有源負(fù)載差動(dòng)放大電路有源負(fù)載差動(dòng)放大電路圖圖1-1-14 有源負(fù)載有源負(fù)載 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器VT3、VT4組成鏡像恒流源。組成鏡像恒流源。它們的集電極電位均可以浮它們的集電極電位均可以浮動(dòng)，所以動(dòng)，所以Ic3、Ic4均可變化，均可變化，但始終保持相等。但始終保持相等。常由常由VT4集電極輸出，集電極輸出，rCE4作為差動(dòng)放大器的負(fù)載，作為差動(dòng)放大器的負(fù)載，由于由于rCE4很高，所以差動(dòng)放很高，所以差動(dòng)放大器增益也很高。大器增益也很高。圖圖1-1-15 雙端變單端電路雙端變單端電路1.1.4 雙端變單端電路雙端變單端電路 集成運(yùn)放是一個(gè)雙端輸入、集成運(yùn)放是一個(gè)雙端輸入、單端輸出的器件，所以它單端輸出的器件，所以它的內(nèi)部電路必需有一個(gè)由的內(nèi)部電路必需有一個(gè)由差動(dòng)放大雙端輸入轉(zhuǎn)換為差動(dòng)放大雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出的過(guò)程。單端輸出的過(guò)程。 圖示電