03第六章集成運(yùn)算放大器電路原理

1、第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.1 6.1 集成運(yùn)放電路特點(diǎn)集成運(yùn)放電路特點(diǎn)特點(diǎn)：特點(diǎn)： （多級放大器：電壓增益高、輸入電阻高、輸出電阻?。ǘ嗉壏糯笃鳎弘妷涸鲆娓?、輸入電阻高、輸出電阻?。?1) 級間采用直接耦合方式。(2) 盡可能用有源器件代替無源元件。(3) 利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：（與分立器件電路相比） 優(yōu)：性能好，可靠性高、體積小，耗電小，成本低； 缺：高頻、高壓、大功率分類：分類： 應(yīng)用：專用/通用 ； 頻率：高/低 ； 工藝：薄膜、厚膜、混合等 速度：高/低 ； bjt/mos第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原

2、理6.1 6.1 集成運(yùn)放電路特點(diǎn)集成運(yùn)放電路特點(diǎn) 現(xiàn)代集成電路是將現(xiàn)代集成電路是將”設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)”與與”代工代工”分分離離, ,“無生產(chǎn)線無生產(chǎn)線”的集成電路設(shè)計(jì)公司可獨(dú)立生存的集成電路設(shè)計(jì)公司可獨(dú)立生存. .out電流源:直流偏置電流直流偏置電流 +有源負(fù)載有源負(fù)載第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理l 半導(dǎo)體晶體管與集成電路半導(dǎo)體晶體管與集成電路：上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)：上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命電子工業(yè)革命；1947年，美國年，美國bell lab的巴丁、布拉頓和肖

3、克萊發(fā)明晶體管，現(xiàn)代半導(dǎo)體時(shí)代開始，的巴丁、布拉頓和肖克萊發(fā)明晶體管，現(xiàn)代半導(dǎo)體時(shí)代開始，1956-nobel；1958年，美國得克薩斯儀器公司基爾比發(fā)明了集成電路年，美國得克薩斯儀器公司基爾比發(fā)明了集成電路(1959.2專利專利)，2000-nobel1959年，美國年，美國fairchild電子公司的諾伊斯發(fā)明了平面集成電路電子公司的諾伊斯發(fā)明了平面集成電路(1959.7專利專利) 1960年代初：摩爾定律年代初：摩爾定律基爾比：德州基爾比：德州儀器公司，諾伊斯：英特爾公司儀器公司，諾伊斯：英特爾公司得州儀器公司似乎已經(jīng)走到了英特爾公司的前面。得州儀器公司似乎已經(jīng)走到了英特爾公司的前面。

4、如果說如果說1990年代主要是微機(jī)（年代主要是微機(jī)（pc）發(fā)展的時(shí)代，那么）發(fā)展的時(shí)代，那么2000年代是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。在年代是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。在pc時(shí)時(shí)代，微處理器是微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力；而在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)字信號處理（代，微處理器是微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力；而在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)字信號處理（dsp）和模擬）和模擬技術(shù)則成了主角。技術(shù)則成了主角。dsp是信息設(shè)備（如手機(jī)）的心臟，它和奔騰芯片的最大差別是速度。是信息設(shè)備（如手機(jī)）的心臟，它和奔騰芯片的最大差別是速度。得州儀器公司已成為世界上最大的得州儀器公司已成為世界上最大的dsp和模擬技術(shù)的供應(yīng)商，他們生產(chǎn)的最快的和模擬技術(shù)的供應(yīng)商，他們生產(chǎn)的最快的dsp

5、比奔騰比奔騰芯片快芯片快10倍。目前該公司的股票市值已升至倍。目前該公司的股票市值已升至1200億美元，市場前景看好。億美元，市場前景看好。 第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.2 6.2 電流源電路電流源電路1.1.單管電流源電路單管電流源電路20312(|) /eeberiuurrr33(1)ocebebrrrrrr晶體管實(shí)現(xiàn)恒流特性是有條件的，即晶體管必須工作在放大狀態(tài)。這對所有的晶體管電流源都適用。第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理rbrberce-re+uo0)()(ecbbe

6、bbriirriebebcebrrriri()()ocbcebceuii rii rlioooruiur,02(1)eeoceebbeebbeerrrrrrrrrrr()(1)eeceeceecebbeebbeerrrrrrrrrrrrr單管電流源電路等效內(nèi)阻的推導(dǎo)第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理2. 2. 鏡像電流源鏡像電流源ccbeccrrruuuirr22122cccrbriiiiii 22rcriii小時(shí)小時(shí), ,誤差大誤差大第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理增加射隨器增加射隨器(v5),(v5),以減小誤差的多路鏡像以減小誤差的多路鏡

7、像電流源電流源21151112444()1(1)cbrcbccciiiiiiii2123424ccccriiiiiri第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理多集電極晶體管鏡像電流源多集電極晶體管鏡像電流源第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理3.3.比例電流源比例電流源11 1222beebeeui rui r12bebeuu1 122eei ri r1122122ceerrriiiirr11ccberruuirr第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理4.4.微電流電流源微電流電流源122122221()lntecebebeeuiii

8、uurri222lntrccuirii222lntrccuiiri第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理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322ccbebeccberrruuuuuirr3131crcbciiiii33212()11cecbbiiiii21111212(2)(1 2 )11cbcciiii所以所以21322ccii312ci232222crriii第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理5.5.威爾遜電流源威爾遜電流源負(fù)反饋型電流源負(fù)反饋型電流源第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理反饋型電流源

9、：串接電流源第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.6.有源負(fù)載共射極放大器有源負(fù)載共射極放大器有源負(fù)載倒相第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.3 6.3 差動放大器差動放大器6.3.1 6.3.1 直接耦合放大器的直接耦合放大器的”零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移”積累現(xiàn)象積累現(xiàn)象第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.3.2 6.3.2 差動放大器的工作原理及性能分析差動放大器的工作原理及性能分析一一. .直流工作點(diǎn)分析直流工作點(diǎn)分析結(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(gè)輸入端有兩個(gè)輸入端, ,兩個(gè)輸出端兩個(gè)輸出端

10、, ,令令: :120iiuu|eeebereuuiir1212c qc qiii121( 0.7)ceqce qcccq cuuui r第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理定義：定義：差模輸入信號差模輸入信號共模輸入信號共模輸入信號12idiiuu u122iiicuuu第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理二二. . 差模放大特性差模放大特性1.1.差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)10 1112(/)222lccdludiibebberirurauurir21ududaa01212udududududididuuuaaauulberr注意信號的注意信號的相

11、位關(guān)系相位關(guān)系單端輸出放大倍數(shù)單端輸出放大倍數(shù)雙端輸出放大倍數(shù)雙端輸出放大倍數(shù)第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理2.2.差模輸入電阻輸入電阻12idididbeididuurrii02dcrr3.3.差模輸出電阻差模輸出電阻odcrr雙端輸出雙端輸出-單端輸出單端輸出-第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理三三. .共模抑制特牲共模抑制特牲1.1.共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)120ocococucicicuuuauu11(1)2occucicbeeuraurr 1(1)22icbeerrr雙端輸出雙端輸出單端輸出單端輸出2.2.共模輸入電阻共模輸

12、入電阻3.3.共模輸出電阻共模輸出電阻02dcrrodcrr雙端輸出雙端輸出-單端輸出單端輸出-第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理4.4.共模抑制比共模抑制比|udcmrucaka()20lg|()udcmrucakdbdbacmrk 雙端輸出雙端輸出單端輸出單端輸出第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.3.3 6.3.3 具有恒流源的差動放大電路具有恒流源的差動放大電路1.1.工作點(diǎn)工作點(diǎn) 2.2.差模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)3.3.共模抑制比共模抑制比 4.4.差模輸入電阻差模輸入電阻5.5.輸出電阻輸出電阻第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集

13、成運(yùn)算放大器電路原理 6.3.4 差動放大器的傳輸特性差動放大器的傳輸特性1,20cididifuufu目的：目的：研究差動放大器的線性動態(tài)范圍和大信號的非線性特性研究差動放大器的線性動態(tài)范圍和大信號的非線性特性熟悉差模輸入信號與電流分配的關(guān)系熟悉差模輸入信號與電流分配的關(guān)系了解差動放大器傳輸特性的應(yīng)用了解差動放大器傳輸特性的應(yīng)用第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理rcrcic1uidv1v2uo ueeiic2ucc 簡化的差動放大器12idbebeuuu12cciii11betuucsii e22betuucsii e第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器

14、電路原理公式推導(dǎo)：公式推導(dǎo)：iiicc 21iiiiccc)1 (121rcrcic1uidv1v2uo ueeiic2ucctidtbebeuuuuuccceieiiiii 11112121tidtbebeuuuuuccceieiiiii 11121212第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理11idtcuuiie21idtcuuiie可見，差動放大器線性動態(tài)范圍很小可見，差動放大器線性動態(tài)范圍很小 超過超過 ,電路進(jìn)入限幅狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重電路進(jìn)入限幅狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。的非線性失真。 2,50mvtu即左右idu4,100tumv即左右ic1,ic2iic2ic1

15、ic1ic26ut4ut2ut0 2ut4ut6utuidqi2傳輸特性傳輸特性第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理cccoriiu)(21第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理ic1,ic2iic2ic1ic1ic26ut4ut2ut0 2ut4ut6utuidqi2可見，增益可見，增益au正比于恒流源電流正比于恒流源電流i。那。那么，改變么，改變i就可以控制增益。就可以控制增益。如果使如果使i受到另外一個(gè)信號受到另外一個(gè)信號ub的控制，的控制，那么就可以實(shí)現(xiàn)信號的相乘。那么就可以實(shí)現(xiàn)信號的相

16、乘。即，即，022ccidbidttrruiukuuuu 擴(kuò)大線性動態(tài)范圍的方法擴(kuò)大線性動態(tài)范圍的方法加射極負(fù)反饋電阻加射極負(fù)反饋電阻第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理2. 增益的自動控制增益的自動控制uaia檢測eeu ccucrcriui應(yīng)用應(yīng)用：1. 小小信號的線性放大信號的線性放大 cmtcurgiura 2應(yīng)用應(yīng)用：利用差分放大器的

17、傳輸特性可以實(shí)現(xiàn)利用差分放大器的傳輸特性可以實(shí)現(xiàn)第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理022ccidbidttrrui ukuuuu3. 信號的相乘運(yùn)算信號的相乘運(yùn)算第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理5. 信號的變換信號的變換將三角波變成正弦波、方波將三角波變成正弦波、方波4. 信號的信號的整形整形將不規(guī)則的輸入波形整形為矩形波將不規(guī)則的輸入波形整形為矩形波6. 電壓比較器電壓比較器參考電壓參考電壓 ruriuu 為高電平為高電平ouriuu 為低電平為低電平ou第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理7. 高速電流開關(guān)一一高速電流

18、開關(guān)一一ecl邏輯電路邏輯電路eeu ccucrcriuiouiuou0011只要只要 i 不太大，就可保證不太大，就可保證晶體管在電流最大時(shí)不飽晶體管在電流最大時(shí)不飽和，所以開關(guān)速度很快。和，所以開關(guān)速度很快。第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.4 6.4 集成運(yùn)算放大器的輸出級電路集成運(yùn)算放大器的輸出級電路npnnpn與與pnppnp管組成互補(bǔ)管組成互補(bǔ)對稱對稱跟隨器跟隨器, ,輸出電阻小輸出電阻小, ,帶負(fù)載能力強(qiáng)帶負(fù)載能力強(qiáng). .npnnpnpnppnp發(fā)射結(jié)零偏置發(fā)射結(jié)零偏置, ,存在存在交越失真交越失真.第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電

19、路原理為了克服交越失真為了克服交越失真, ,要加偏置電路要加偏置電路m mn nm m點(diǎn)與點(diǎn)與n n點(diǎn)直流電壓差點(diǎn)直流電壓差1.41.4伏伏, ,交流電壓可視為相等交流電壓可視為相等. .1 12 2122()aburir irr i4112422()(1)bebeurrrurra.ba.b兩點(diǎn)交流電位也可視為相同兩點(diǎn)交流電位也可視為相同第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理6.5 6.5 集成運(yùn)放芯片電路舉例集成運(yùn)放芯片電路舉例-f007(lm741)-f007(lm741)第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成

20、運(yùn)算放大器電路原理6.7 集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo) 一、輸入失調(diào)電壓一、輸入失調(diào)電壓uio和輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流iio 輸入失調(diào)主要反映運(yùn)放輸入級差動電路的對稱性。欲使靜態(tài)時(shí)輸出端為零電位，運(yùn)放兩輸入端之間必須外加的直流補(bǔ)償電壓，稱為輸入失調(diào)電壓，用uio表示；必須外加的直流補(bǔ)償電流，稱為輸入失調(diào)電流，用iio表示。第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理 二、失調(diào)的溫漂二、失調(diào)的溫漂 在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，uio隨溫度的平均變化率稱為輸入失調(diào)電壓溫漂，以duio /dt表示。 在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，iio隨溫度的平均變化率稱為輸入失

21、調(diào)電流溫漂，以d iio /dt表示。 三、輸入偏置電流三、輸入偏置電流iib 靜態(tài)時(shí)，輸入級兩差放管基極電流ib1,ib2的平均值，即221bbibiii第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理四、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)四、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)aud 無反饋情況下，運(yùn)放輸出電壓與輸入差模電壓之比；無反饋情況下，運(yùn)放輸出電壓與輸入差模電壓之比；五、共模抑制比五、共模抑制比kcmr 輸入差模電壓放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比的絕對值；輸入差模電壓放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)之比的絕對值；六、差模輸入電阻六、差模輸入電阻rid 運(yùn)放兩個(gè)差動輸入端之間的等效動態(tài)電阻；運(yùn)放兩個(gè)差動輸入端之間的等效動態(tài)電阻；七、共模輸入電阻七、共模輸入電阻ric 運(yùn)放兩個(gè)輸入端對地之間的等效動態(tài)電阻；運(yùn)放兩個(gè)輸入端對地之間的等效動態(tài)電阻；第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理八、輸出電阻八、輸出電阻ro 從運(yùn)放輸出端和地之間看進(jìn)去的動態(tài)電阻；從運(yùn)放輸出端和地之間看進(jìn)去的動態(tài)電阻；九、輸入電壓范圍九、輸入電壓范圍 udm 當(dāng)加在運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓差超過某一數(shù)值時(shí)，輸入當(dāng)加在運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓差超過某一數(shù)值時(shí)，輸入級的某一側(cè)晶體管將出現(xiàn)發(fā)射