集成運放的基礎知識

1、2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院1第第1章章 集成運放的基礎知識集成運放的基礎知識1.1 集成運放的基本組成電路集成運放的基本組成電路1.2 集成運放的基本構成和表示符號集成運放的基本構成和表示符號1.3 集成運放的主要參數(shù)和分類集成運放的主要參數(shù)和分類1.4 集成運放的等效模型集成運放的等效模型1.5 實際運放與理想運放的誤差實際運放與理想運放的誤差1.6 運放電路的穩(wěn)定性及其判斷運放電路的穩(wěn)定性及其判斷1.7 集成運放的相位補償技術集成運放的相位補償技術2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院2運放電路是各種電子電路中最基本的組成部分。運放電路是

2、各種電子電路中最基本的組成部分。 引言引言 集成運算放大器集成運算放大器IC Operational Amplifer（縮寫（縮寫為為OP-Amp）簡稱為）簡稱為集成運放集成運放，它是二十世紀六，它是二十世紀六十年代發(fā)展起來的一種十年代發(fā)展起來的一種高增益直接耦合放大器。高增益直接耦合放大器。 集成運放與其它集成電路一樣，經(jīng)歷了小、中、集成運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。 集成運放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種集成運放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種最多、最多、應用最廣泛一種模擬集成電子器件。應用最廣泛一種模擬集成電子

3、器件。 集成運放配上不同的外圍器件，可構成功能和特性集成運放配上不同的外圍器件，可構成功能和特性完全不同各種的集成運放電路，簡稱完全不同各種的集成運放電路，簡稱運放電路。運放電路。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院31.1 集成運放的基本組成電路集成運放的基本組成電路1.1.1 差動輸入電路差動輸入電路1.1.2 恒流源電路恒流源電路1.1.3 有源負載電路有源負載電路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 互補推挽輸出電路互補推挽輸出電路2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院41.1.1 差動

4、輸入電路差動輸入電路1. 差動放大電路的基本特性差動放大電路的基本特性圖圖1-1-1 差動放大電路差動放大電路 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2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院5(1)輸入差模信號時（即輸入差模信號時（即ui1 = - = - ui2）電壓增益為電壓增益為 u1s1o2s1s2oo1udAuuuuuuA= = =- - -= =若是單端輸出時，該電路的電壓增益將減半：若是單端輸出時，該電路的電壓增益將減半：電壓增益為電壓增益為 1i1ouuuA = =RL是放大器的負載電阻。是放大器的負載電阻。 beLc)

5、/(rRR- -= =2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院6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，放大器差模輸入時，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等效電路低頻小信號等效電路uis1ius1ArRrA = =bebi/rRr = =us1Rs1 - - - -ui1Rbrbeibb bibRcRL - -uo1bcebebbebrRrR = =Rd = =2(Rd/rbe) 2rbe當當b b很大時很大時BdmV52

6、IR 當工作電流很小時當工作電流很小時 BdmV80IR 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院7由三極管射極電流與由三極管射極電流與eb結電壓的關系式結電壓的關系式 )1(eBES- -= =kTqUI晶體管的晶體管的跨導為跨導為Tc)(SBEcmBEeddUIkTqIUIgkTqU= = = =同理可得雙極型差動放大器的等效跨導表示式為同理可得雙極型差動放大器的等效跨導表示式為 Tc0)(BE2BE1c2c1mBE21BE)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 kTqU

7、IBEeS ECII 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院8差動放大器在差動放大器在差動輸入時差動輸入時，其，其跨導跨導與單管時相同與單管時相同 kTqIgcm= =由此，可得到由此，可得到差動放大器電壓增益差動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，可進一步近似為在室溫情況下，可進一步近似為 上式中，上式中，Io1為差動放大器的恒流源電流。為差動放大器的恒流源電流。 顯然，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- - 202

8、2年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院9(2)共模輸入信號時共模輸入信號時圖圖1-1-4 共模輸入的差動放大器共模輸入的差動放大器CMRR1當差動輸出時，當差動輸出時，共模共模抑制比抑制比（即差動放大（即差動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 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院102.差動放大器的輸入失調及其漂移差動放大器的輸入失調及其漂移 多數(shù)集成運放的輸入級都采用差動放大器形式。多數(shù)集成運放的輸入級都采用差動放大器形式。輸

9、入級的失調是整個運放輸入失調的主要來源，輸入級的失調是整個運放輸入失調的主要來源，因因此，減小差動放大器的輸入失調是很重要的。此，減小差動放大器的輸入失調是很重要的。(1)差動放大器的輸入失調電壓及其漂移差動放大器的輸入失調電壓及其漂移 在實際的差動放大器中，當差動輸出電壓為零時，在實際的差動放大器中，當差動輸出電壓為零時，輸入端所加的直流補償電壓的大小稱為差動放大輸入端所加的直流補償電壓的大小稱為差動放大器的器的輸入失調電壓輸入失調電壓。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院11圖圖1-1-5 分析差動放大器分析差動放大器 失調電壓的示意圖失調電壓的示意圖 o2o1oUU

10、U- -= =引起差動放大器輸出電壓引起差動放大器輸出電壓不平衡的因素有三個不平衡的因素有三個 : 對差動放大器，當差動輸出電壓為零時，應有對差動放大器，當差動輸出電壓為零時，應有VT1、VT2的的UBE相同時，它相同時，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不匹配的結果。不匹配的結果。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= =- -= =RIRI2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院1

11、2計算可得，差動放大器的計算可得，差動放大器的輸入失調電壓輸入失調電壓Uos為：為：BE2BE1osUUU- -= =上式的三項分別對應于上述上式的三項分別對應于上述三項因素三項因素，一般情況下，一般情況下，2b bb b 時時 VT1、VT2的的UBE之差之差 很小，可忽略。很小，可忽略。0BEU 稱為差分對管本身的輸入失調電壓稱為差分對管本身的輸入失調電壓表示：表示： 0BEU ccT0BEosRRUUU 忽略電阻溫度系數(shù)差值時，忽略電阻溫度系數(shù)差值時，Uos的溫漂主要決定于的溫漂主要決定于 0BEU 的溫漂。的溫漂。 式中第一項可用相等射極電流式中第一項可用相等射極電流)(2ccssTb

12、 bb b = =RRIIUccmo10BE2RRgIU 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院13差動放大器的差動放大器的輸入失調電壓的溫度系數(shù)輸入失調電壓的溫度系數(shù)為為 TUTUUTUTUosBE2BE10BEosd)d(dd= =- -= = 對應對應1mV的的Uos，室溫時它的溫度系數(shù)約，室溫時它的溫度系數(shù)約3.3mV/。(2)差動放大器的輸入失調電流及其漂移差動放大器的輸入失調電流及其漂移差動放大器的輸出直流電壓等于零時，兩輸入差動放大器的輸出直流電壓等于零時，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電流輸入失調電流Ios。 引起引起Io

13、s的原因是：的原因是：為使這些偏差等于零，差分對管為使這些偏差等于零，差分對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不對稱，使基極注入電流產(chǎn)生偏差；不對稱，使基極注入電流產(chǎn)生偏差；集電極負載電阻不對稱，引起輸出電壓偏差。集電極負載電阻不對稱，引起輸出電壓偏差。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院14Ios的表示式為的表示式為 )(ccBosRRII = =當不考慮電阻溫度的偏差時，當不考慮電阻溫度的偏差時，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 當工作溫度大于當工作溫度大于25

14、時，其值約時，其值約- -0.005/。當工作溫度小于當工作溫度小于25時，其值約時，其值約- -0.015/。注意：注意：上述討論中均假設差分對管處于同樣溫度上述討論中均假設差分對管處于同樣溫度環(huán)境中。環(huán)境中。實際應用時，實際應用時，因電路中有些元件功耗較因電路中有些元件功耗較大，芯片存在溫度梯度，故輸入差分對管溫度環(huán)大，芯片存在溫度梯度，故輸入差分對管溫度環(huán)境可能有差別，它境可能有差別，它將使差動放大級輸入失調增加。將使差動放大級輸入失調增加。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院153.集成運放的輸入級集成運放的輸入級集成運放的許多性能指標主要取決于差動輸入級。集成運

15、放的許多性能指標主要取決于差動輸入級。(1)普通差動放大電路普通差動放大電路普通差放電路作為集成運放的輸入級時，其優(yōu)點是普通差放電路作為集成運放的輸入級時，其優(yōu)點是電路結構簡單，容易匹配，因此輸入失調電壓小。電路結構簡單，容易匹配，因此輸入失調電壓小。例如：輸入失調及其漂移、輸入阻抗、共模抑制比、例如：輸入失調及其漂移、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。輸入級的改進便成為各代集成運放的重要標志。輸入級的改進便成為各代集成運放的重要標志。它廣泛用于早期產(chǎn)品和第一代集成運放中。它廣泛用于早期產(chǎn)品和第一代集成運放中。 2022年4月11

16、日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院16第一代集成運放第一代集成運放如國產(chǎn)的如國產(chǎn)的F001（5G922）、）、F004（5G23）以及國外的以及國外的 A709等。等。 輸入阻抗低，約為輸入阻抗低，約為50k 到到300k ； 失調電流，約為失調電流，約為100nA； 最大差模輸入電壓低，不超過最大差模輸入電壓低，不超過7V； 差模輸入電壓范圍也較小，常為差模輸入電壓范圍也較小，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。缺點是：缺點是：2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院17(2) 共集共基差動放大器共集共基差動放大器圖圖1-1-6

17、共集共基共集共基 差動放大器差動放大器由兩級差動放大電路組成由兩級差動放大電路組成第第1級級由高由高b b的的NPN管管VT1、VT2接成共集組態(tài)差動放大接成共集組態(tài)差動放大電路，電路，VT3、VT4為其發(fā)射為其發(fā)射極負載。極負載。第第2級級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)差動放大電路。差動放大電路。 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院18用于第二代集成運放中。用于第二代集成運放中。如：國產(chǎn)的如：國產(chǎn)的F007、5G24、F741，國外的，國外的 A741、AD741等。等。特點：特點： 因輸入為共集電路，所以因輸入為共集電路

18、，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，因此可用大負載以可用大負載以提高電壓增益。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合用一個合用一個恒流源，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。最最突出的特點是突出的特點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 可達可達 30V。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院19(3) 超超b b管差動放大電路管差動放大電路圖圖1-1-7

19、 超超管差管差動放大電路動放大電路用用b b =200010000超超b b管作管作差動放大電路，使差動輸入差動放大電路，使差動輸入級的基極偏置電流減小一個級的基極偏置電流減小一個數(shù)量級，數(shù)量級，這是集成運放在低這是集成運放在低漂移性能上重大突破。漂移性能上重大突破。第三代集成運放主要特第三代集成運放主要特點是采用了超點是采用了超 b b 管的差管的差動輸入級。動輸入級。如：國產(chǎn)的如：國產(chǎn)的4E325； 國外的國外的AD508L。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院20(4) 場效應管差動放大電路場效應管差動放大電路圖圖1-1-8 場效應管差場效應管差動放大電路動放大電路

20、 因場效應管的柵極電流比因場效應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、四個數(shù)量級，因此在需要高輸個數(shù)量級，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，常采用場效應管作差況下，常采用場效應管作差動輸入級。動輸入級。 輸入阻抗高達輸入阻抗高達1012 。 例如：國外的例如：國外的 A740等。等。 缺點：缺點：輸入失調電壓較大。輸入失調電壓較大。 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院211.1.2 恒流源電路恒流源電路 在集成運放中，廣泛采用恒流源電路，作為各在集成運放中，廣泛采用恒流源電路，作為各級電路的恒流偏置和有源負載。級電

21、路的恒流偏置和有源負載。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是匹配對管是匹配對管 B2B1c2rIIII = =)21(2cBc2rb b = = = =IIIIb b211ro = = II即即 b b足夠大時有足夠大時有Io Ir，所以稱為電流鏡電路。，所以稱為電流鏡電路。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院22圖圖1-1-10 減小減小對對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. 改進型鏡像恒流源電路改進型鏡

22、像恒流源電路(1) 減小減小b b對對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 的的變化對變化對Io的影響要小得多。的影響要小得多。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院23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當VT1、VT2中電流是同中電流是同數(shù)量級時，其數(shù)量級時，其UBE可認為可認為近似相等，故有（假設三近似相等，故有（假設三極管的極管的b b足夠大）：足夠大）：調節(jié)調節(jié)R1、R2的比值，可的比值，可獲得不同

23、的獲得不同的Io輸出。輸出。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院24 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 當當VT1、VT2、VTn等各三極管完全等各三極管完全對稱時，輸出電流對稱時，輸出電流I1、In等各電流等各電流近似相等。近似相等。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院251.1.3 有源負載電路有源負載電路1. 有源集電極負載電路有源集電極負載電路圖圖1-1-13 有源集電極有源集電極負載放大器負載放大器單管共發(fā)射極放大器單管共發(fā)射極放大器電壓增益表達式為電壓增益表達式為 beLcu)/(R

24、rRAb-=利用三極管恒流源來利用三極管恒流源來代替集電極負載電阻。代替集電極負載電阻。 2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院262. 有源負載差動放大電路有源負載差動放大電路圖圖1-1-14 有源負載有源負載 差動放大器差動放大器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，所以動，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作為差動放大器的負載，作為差動放大器的負載，由于由于rCE4很高，所以差動放很高，所以差動放大器增益也很高。大器增益也很高。2022年4月11日星期一集成電路原理及應用 能源工程學院27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 集成運放是一個雙端輸入、集成運放是一個雙端輸入、單端輸出的器件，所以它單端輸出的器件，所以它的內部電路必需有一個由的內部電路必需有一個由差動放大雙端輸入轉換為差動放大雙端輸入轉換為單端輸出的過程。單端輸出的過程。 圖示電路的功