第4章集成運(yùn)算放大電路

1、2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 1 頁頁第四章 集成運(yùn)算放大電路4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 集成運(yùn)放中的電流源集成運(yùn)放中的電流源4.3 4.3 電路電路分析及其性能指標(biāo)分析及其性能指標(biāo)2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 2 頁頁4.14.1 概述一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)二、集成運(yùn)放電路的組成二、集成運(yùn)放電路的組成三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性 2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 3 頁頁一、集成運(yùn)放的特

2、點(diǎn)一、集成運(yùn)放的特點(diǎn)（1 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性。一致性。（2 2）采用）采用差分放大電路和電流源電路。差分放大電路和電流源電路。（3 3）用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐返膹?fù)雜用復(fù)雜電路實(shí)現(xiàn)高性能的放大電路，因?yàn)殡娐返膹?fù)雜化并不帶來工藝的復(fù)雜性?；⒉粠砉に嚨膹?fù)雜性。（4 4）用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作用有源元件替代無源元件，如用晶體管取代難于制作的大電阻。的大電阻。（5 5）采用復(fù)合管。采用復(fù)合管。 集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是一個(gè)集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的直接高性能的直接

3、耦合多級(jí)放大電路耦合多級(jí)放大電路。因首先用于信號(hào)的。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算（比例、求和、運(yùn)算（比例、求和、求差、積分、微分等），求差、積分、微分等），故而得名。故而得名。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 4 頁頁二、集成運(yùn)放電路的組成二、集成運(yùn)放電路的組成兩個(gè)兩個(gè)輸入端輸入端一個(gè)一個(gè)輸出端輸出端 若將集成運(yùn)放看成為一個(gè)若將集成運(yùn)放看成為一個(gè)“黑盒子黑盒子”，則可等效為一個(gè)，則可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 5 頁頁集

4、成運(yùn)放電路四個(gè)組成部分的作用輸入級(jí)輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求前置級(jí)，多采用差分放大電路。要求Ri大，大，Ad大，大， Ac小，輸入端耐壓高。小，輸入端耐壓高。中間級(jí)中間級(jí)：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有：主放大級(jí)，多采用共射放大電路。要求有足夠足夠的放大能力。的放大能力。輸出級(jí)輸出級(jí)：功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求功率級(jí)，多采用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。要求Ro小，最小，最大不失真輸出電壓盡可能大。大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路偏置電路：為各：為各級(jí)放大電路設(shè)置級(jí)放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用電流源點(diǎn)。采用電流源電路。電路。幾代產(chǎn)品中輸入級(jí)的變化最大！幾代產(chǎn)品中

5、輸入級(jí)的變化最大！2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 6 頁頁三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性 由于由于Aod高達(dá)高達(dá)幾十萬幾十萬倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。的數(shù)值僅為幾十一百多微伏。在線性區(qū)：在線性區(qū)：uOAod(uPuN) Aod是差是差模開環(huán)放大倍數(shù)。模開環(huán)放大倍數(shù)。非線非線性區(qū)性區(qū) (uPuN)的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是UOM , 就是就是UOM，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。

6、，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。uO=f(uP-uN)2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 7 頁頁4.24.2 集成運(yùn)放中的電流源一、鏡像電流源一、鏡像電流源三、三、微電流源微電流源四、四、多路電流源多路電流源五、五、有源負(fù)載有源負(fù)載二、比例電流源二、比例電流源2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 8 頁頁一、鏡像電流源一、鏡像電流源T0 和和 T1 特性完全相同。特性完全相同。BE1BE0B1B0UUII，CRC0B0B1C2IIIIIICR2 II若，則在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致

7、性。在電流源電路中充分利用集成運(yùn)放中晶體管性能的一致性。電路中有負(fù)反電路中有負(fù)反饋嗎？饋嗎？基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流RCCBE()IVURCR2IIC1C0CIII特點(diǎn)特點(diǎn): 電路電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。但要求簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。但要求IC1較大時(shí)，較大時(shí)，R將消將消耗較大功率；要求耗較大功率；要求IC1很小時(shí)，很小時(shí)，R需很大，在集成電路中需很大，在集成電路中都不允許。都不允許。二、二、比例比例電流源電流源BE0E0e0BE1E1e1UI RUI REBETSlnIUUIE0BE0BE1TE1lnIUUUIE0E1e1E0e0TE1lnII RI RUIe0TRC1e1e112 lnRCRUIIIRRI若時(shí)

8、，則忽略對(duì)數(shù)項(xiàng)，則有：0C11eReRIIR0e0RCCBERVUIR而基準(zhǔn)電流：特點(diǎn)特點(diǎn)：IC1具有更高的穩(wěn)定性。具有更高的穩(wěn)定性。根據(jù)電路，有由于2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 9 頁頁2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 10 頁頁三、微電流源三、微電流源E1BE0BE1e()IUURBEBE0BE1TT()E0ESE1e eUUUUUIIII，E0BE0BE1TE1eE1lnIUUUI RIE1 C1CCBE0E0 C0 RIIVUIIIR設(shè)計(jì)過程很簡(jiǎn)單，首先確定設(shè)計(jì)過程很簡(jiǎn)單，首先確定I

9、E0和和IE1，然后選定，然后選定R和和Re。超越超越方程方程Re要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。要求提供很小的靜態(tài)電流，又不能用大電阻。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 11 頁頁四、多路電流源四、多路電流源 根據(jù)所需靜態(tài)電流，來根據(jù)所需靜態(tài)電流，來選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。選取發(fā)射極電阻的數(shù)值。 根據(jù)所需靜態(tài)電流，來根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定集電結(jié)面積。確定集電結(jié)面積。 根據(jù)所需靜態(tài)電流，根據(jù)所需靜態(tài)電流，來確定溝道尺寸。來確定溝道尺寸。00e011e122e233e3BEEBEEBEEBEEUIRUI RUIRUIR在比例電流源基礎(chǔ)上得

10、到的多路電流源，有0e01e12e23e3EEEEIRI RIRIR由于各管UBE大致相等，所以可得近似關(guān)系當(dāng)IE0確定后，各級(jí)只要選擇合適的電阻，就可得到所需的電流。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 12 頁頁五、有源負(fù)載五、有源負(fù)載 1ce1ce2Lbbe1 ()urrRARr 用于用于共射放大電路共射放大電路RUVIEBCCR3RCCQIII221基準(zhǔn)電流空載時(shí)T1管的靜態(tài)集電極電流 若RL很大，則T1, T2管在h 參數(shù)等效電路中的1/h22就不能忽略，根據(jù)交流等效圖，電壓放大倍數(shù)為12(/ /),LceceRrr若 則be1bL1 r

11、RRAu2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 13 頁頁2.2.用于差分放大電路用于差分放大電路電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何設(shè)置靜態(tài)電流？如何設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時(shí)靜態(tài)時(shí)iO約為多少？約為多少？動(dòng)態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)時(shí)iO約為約為多少？多少？C1C2C4C3C1 iiiii ，OC4C2C1 2iiii 單端單端輸出電路的差模放輸出電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出大倍數(shù)近似等于雙端輸出時(shí)的差模放大倍數(shù)。時(shí)的差模放大倍數(shù)。OC4C2 0iii靜態(tài)：靜態(tài)：C1C2C3C1C4C3C4C2IIIIIIII，動(dòng)態(tài)：動(dòng)態(tài)：1111122OCiuIBb

12、ebeiiAuirr所以：所以：11beLurRA當(dāng)帶負(fù)載RL時(shí)，2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 14 頁頁4.34.3 集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)介一、讀圖一、讀圖方法方法二、讀圖舉例二、讀圖舉例三、集成運(yùn)放的三、集成運(yùn)放的性能指標(biāo)性能指標(biāo)從本質(zhì)上看，集成運(yùn)放是一種高性能的直接耦合放大電路從本質(zhì)上看，集成運(yùn)放是一種高性能的直接耦合放大電路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 15 頁頁一、讀圖方法一、讀圖方法（1）了解用途：）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途和技術(shù)了解要分析的電路的應(yīng)用場(chǎng)合、用途

13、和技術(shù)指標(biāo)。指標(biāo)。（2）化整為零：）化整為零：將整個(gè)電路圖分為偏置電路、輸入級(jí)、中間將整個(gè)電路圖分為偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)四個(gè)部分。級(jí)和輸出級(jí)四個(gè)部分。（3）分析功能：）分析功能：弄清弄清每一部分電路的結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)。每一部分電路的結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)。（4）統(tǒng)觀整體：）統(tǒng)觀整體：研究各部分研究各部分相互間的聯(lián)系，理解電路如何實(shí)相互間的聯(lián)系，理解電路如何實(shí)現(xiàn)所具有的功能?，F(xiàn)所具有的功能。（5）定量估算：）定量估算：必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要必要時(shí)可估算或利用計(jì)算機(jī)計(jì)算電路的主要參數(shù)。參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。一些規(guī)則：

14、 對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路偏置電路，然后根據(jù)信號(hào)流通順序，將其分為輸入級(jí)輸入級(jí)、中間級(jí)中間級(jí)和輸出級(jí)輸出級(jí)電路。 在集成運(yùn)放電路中若某一支路的電流能夠直接估算出來，通常該電流就是偏置電路的基準(zhǔn)電流。電路中與之相關(guān)聯(lián)的電流源部分，就是偏置電路偏置電路。 剩下的部分，按信號(hào)的流通方向，可將三級(jí)分開。為了克服溫漂，集成運(yùn)放的輸入級(jí)輸入級(jí)多采用差分差分放大電路；為了增大放大倍數(shù)，中間級(jí)中間級(jí)多采用共射（共源）共射（共源）放大電路；而為了提高帶負(fù)載能力，且具有盡可能大的不失真輸出電壓范圍，輸輸出級(jí)出級(jí)多采用互補(bǔ)式電壓跟隨互補(bǔ)式電壓跟隨電路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shando

15、ng University第第 16 頁頁2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 17 頁頁二、舉例：二、舉例：F007F007通用型集成運(yùn)放通用型集成運(yùn)放（雙極型）（雙極型） 對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出對(duì)于集成運(yùn)放電路，應(yīng)首先找出偏置電路偏置電路，然后根據(jù)信號(hào)流通，然后根據(jù)信號(hào)流通順序，將其分為順序，將其分為輸入級(jí)輸入級(jí)、中間級(jí)中間級(jí)和和輸出級(jí)輸出級(jí)電路。電路。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 18 頁頁 若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個(gè)若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流

16、，則這個(gè)電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。找出偏置電路2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 19 頁頁雙端輸入、單端雙端輸入、單端輸出差分放大電輸出差分放大電路路以復(fù)合管為放大管、以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共恒流源作負(fù)載的共射放大電路射放大電路用用UBE倍增電路消倍增電路消除交越失真的除交越失真的準(zhǔn)準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)互補(bǔ)輸出級(jí)三級(jí)放大電路三級(jí)放大電路簡(jiǎn)化電路分解電路2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 20 頁頁輸入級(jí)的分析 T3、T4為為橫向橫向PNP型管，輸型管，輸入端

17、入端耐壓高耐壓高。共集形式，輸入。共集形式，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式頻帶寬。幅值大。共基形式頻帶寬。共集共集-共基形式共基形式Q點(diǎn)的穩(wěn)定：點(diǎn)的穩(wěn)定：T（）IC1 IC2 IC8 IC9與與IC8為鏡像關(guān)系為鏡像關(guān)系IC9，因，因IC10不變不變 IB3 IB4 IC3 IC4 IC1 IC2 T1和和T2從基極輸入、射極輸出從基極輸入、射極輸出T3和和T4從射極輸入、集電極輸出從射極輸入、集電極輸出提高輸入電阻，改善頻率響應(yīng)。提高輸入電阻，改善頻率響應(yīng)。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 21 頁頁

18、輸入級(jí)的分析T7的作用：的作用：抑制共模信號(hào)抑制共模信號(hào) T5、T6分別是分別是T3、T4的有源負(fù)的有源負(fù)載，而載，而T4又是又是T6的有源負(fù)載，增的有源負(fù)載，增大電壓放大倍數(shù)。大電壓放大倍數(shù)。作用？作用？+_放大差模信號(hào)放大差模信號(hào)+_特點(diǎn)特點(diǎn)：輸入電阻：輸入電阻大、差模放大倍大、差模放大倍數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端數(shù)大、共模放大倍數(shù)小、輸入端耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)耐壓高，并完成電平轉(zhuǎn)換（即對(duì)“地地”輸出）。輸出）。2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 22 頁頁中間級(jí)的分析 中間級(jí)是中間級(jí)是主放大器主放大器，它，它所采取的一切措施都是為

19、所采取的一切措施都是為了了增大放大倍數(shù)增大放大倍數(shù)。 F007的中間級(jí)是以復(fù)合的中間級(jí)是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于載的共射放大電路。由于等效的集電極電阻趨于無等效的集電極電阻趨于無窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全窮大，故動(dòng)態(tài)電流幾乎全部流入輸出級(jí)。部流入輸出級(jí)。中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 23 頁頁輸出級(jí)的分析 D1和和D2起過流保護(hù)作用，未起過流保護(hù)作用，未過流時(shí)，兩只二極管均截止。過流時(shí)，兩只二極管均截止。7D1BE14O9RUUUi R iO增大到一定程度，增大到一定程度，

20、D1導(dǎo)導(dǎo)通，為通，為T14基極分流，從而?；鶚O分流，從而保護(hù)護(hù)了了T14。準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)，UBE倍增電路消除交越失真。倍增電路消除交越失真。中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)電流采樣電阻電流采樣電阻特點(diǎn)特點(diǎn)：輸出電阻?。狠敵鲭娮栊?最大不失真輸出電壓高最大不失真輸出電壓高2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 24 頁頁判斷同相輸入端和反相輸入端判斷同相輸入端和反相輸入端 輸入電阻大、差模增益大、輸出電阻小、共模抑制能力強(qiáng)、輸入電阻大、差模增益大、輸出電阻小、共模抑制能力強(qiáng)、允許的共模輸入電壓高、輸入端耐壓高等。允許的共模輸入電壓高、輸入端耐壓高等

21、。4.3.2 單極型集成運(yùn)放（高輸入電阻）（高輸入電阻）C14573電路圖C14573的放大電路部分 在測(cè)量設(shè)備中，常需要高輸入電阻的集成運(yùn)放。由于同時(shí)制作N溝道和P溝道互補(bǔ)對(duì)稱管工藝較易實(shí)現(xiàn)，所以CMOS技術(shù)廣泛用于集成運(yùn)放。C14573是四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放制作在一個(gè)芯片上的器件，其電路原理如圖所示。 圖中可見，T1、T2和T7管構(gòu)成多路電流源，利用外接電阻 R可以確定基準(zhǔn)電流IR。下圖是簡(jiǎn)化的電路圖，由兩級(jí)放大構(gòu)成。第一級(jí)：T3和T4管構(gòu)成差分放大，由T5和T6管組成的電流源作為其有源負(fù)載。第二級(jí)：由T8構(gòu)成共源放大，以電流源I7為有源負(fù)載。電容C起相位補(bǔ)償作用。2021年年11月月16日星期

22、二日星期二Shandong University第第 25 頁頁2021年年11月月16日星期二日星期二Shandong University第第 26 頁頁三、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)三、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo) 指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)參數(shù) F007F007典型值典型值 理想值理想值 開環(huán)差模增益開環(huán)差模增益 Aod 106dB 差模輸入電阻差模輸入電阻 rid 2M 共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 1mV 0 UIO的溫漂的溫漂d UIO/dT() 幾幾V/ 0 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0 UIO的溫漂的溫漂d UIO/dT() 幾幾nA/ 0 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UIcmax 13V 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdmax 30V -3dB帶寬帶寬 fH 10Hz 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR(=duO/dtmax) 0.5V/S 20lgAod使使uO為為0在輸入端所加的補(bǔ)償電壓在輸入端所加的補(bǔ)償電壓超過此