第6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)算放大器電路原理定義：是采用微電子工藝，將晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、定義：是采用微電子工藝，將晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、電容等器件及它們之間的連線制作于同一硅片上，并使電容等器件及它們之間的連線制作于同一硅片上，并使其具有特定功能的多級(jí)放大電路。其具有特定功能的多級(jí)放大電路。用途：此種電路最初多用于各種模擬信號(hào)的運(yùn)算，如比用途：此種電路最初多用于各種模擬信號(hào)的運(yùn)算，如比例、求和、求差、積分、微分等運(yùn)算，所以稱(chēng)為運(yùn)算放例、求和、求差、積分、微分等運(yùn)算，所以稱(chēng)為運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)為集成運(yùn)放。大器，簡(jiǎn)稱(chēng)為集成運(yùn)放。特點(diǎn)：高性能（電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、

2、特點(diǎn)：高性能（電壓增益高、輸入電阻大、輸出電阻小、工作點(diǎn)漂移小等）、低價(jià)位。廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的處工作點(diǎn)漂移小等）、低價(jià)位。廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的處理和產(chǎn)生，在大多數(shù)情況下，集成運(yùn)放已經(jīng)取代了分立理和產(chǎn)生，在大多數(shù)情況下，集成運(yùn)放已經(jīng)取代了分立元件放大電路。元件放大電路。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器（AMPLIFIER）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)放的電路特點(diǎn)集成運(yùn)放的電路特點(diǎn)1.1.級(jí)間采用直接耦合方式（提高集成度）級(jí)間采用直接耦合方式（提高集成度）2.2.盡量用有源器件代替無(wú)源元件（盡量用有源器件代替無(wú)源元件（BJT和和FET 電阻電容電感

3、）電阻電容電感）3.3.利用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改善電路性能（差動(dòng)放大器）利用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改善電路性能（差動(dòng)放大器）輸入級(jí)：對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的差動(dòng)放大器輸入級(jí)：對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的差動(dòng)放大器中間級(jí)：有源負(fù)載共射極放大器中間級(jí)：有源負(fù)載共射極放大器輸出級(jí)：輸出級(jí)：（互補(bǔ)）射極跟隨器（互補(bǔ)）射極跟隨器（CC放大器）放大器）電流源電路：提供各級(jí)偏流與有源負(fù)載電流源電路：提供各級(jí)偏流與有源負(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33(1)OcebeBRRrrRRRBrberCERE+UO3212/ )(RUURRRIBEEEC第六章第六章 集

4、成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理0)()(EcbbeBbRiirRiEbeBcEbRrRiRi()()OcbcebcEUii rii RLiOOORuIUR, 02(1)EEOceEBbeEBbeERRRrRRrRRrR()(1)EEceEceEceBbeEBbeERRrRrRrRrRRrRRBrberCERE+UO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. 鏡像電流源電路鏡像電流源電路CCBECCrrrUUUIRR22122CCCrBrIIIIII 22rCrIIIV1=V2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

5、理多路鏡像電流源電路：多路鏡像電流源電路：21151112444()1(1)CBrCBCCCIIIIIIII2123424CCCCrIIIIIrI增加射隨器增加射隨器( (V5),),以減小以減小誤差，提高精度。誤差，提高精度。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：由多集電極晶體管實(shí)現(xiàn)。多集電極晶體管鏡像電流源：由多集電極晶體管實(shí)現(xiàn)。三集電極橫向三集電極橫向PNP管電路管電路等價(jià)電路等價(jià)電路第六章第六章 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.比例電流源電路比例電流源電路111222BEEBEEUIRUIR12BEBEUU1122EEI

6、 RIR1122122CEErRRIIIIRR11CCBErrUUIRR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.微電流電流源電路微電流電流源電路122122221()lnTECEBEBEEUIIIUURRI222lnTrCCUIRII222lnTrCCUIIRI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.負(fù)反饋型電流源電路負(fù)反饋型電流源電路威爾遜電流源電路威爾遜電流源電路322CCBEBECCBErrrUUUUUIRR3131CrCBCIIIII33212()11CECBBIIIII21111212(2)(1 2 )11CBCCIIII21322

7、CCII312CI232222CrrIII第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理另一種負(fù)反饋型電流源電路另一種負(fù)反饋型電流源電路串接電流源電路（兩個(gè)鏡像電流源串接在一起）串接電流源電路（兩個(gè)鏡像電流源串接在一起）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)載放大器有源負(fù)載放大器由于普通晶體管的頻率特性較差，因此，在高速或?qū)拵в捎谄胀ňw管的頻率特性較差，因此，在高速或?qū)拵Ъ呻娐分?，一般不采用有源?fù)載放大器。集成電路中，一般不采用有源負(fù)載放大器。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 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路( (差分放

8、大電路差分放大電路) )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)漂移積累積累現(xiàn)象現(xiàn)象靜態(tài)（交流輸入為零）時(shí)，由于溫度、電源波動(dòng)等因素的影靜態(tài)（交流輸入為零）時(shí)，由于溫度、電源波動(dòng)等因素的影響，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。在直接耦合放大電路中，此響，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。在直接耦合放大電路中，此漂移會(huì)逐級(jí)傳遞并放大，最終可能會(huì)使后級(jí)放大器進(jìn)入飽和漂移會(huì)逐級(jí)傳遞并放大，最終可能會(huì)使后級(jí)放大器進(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而使整個(gè)放大電路無(wú)法正常工作?；蚪刂?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而使整個(gè)放大電路無(wú)法正常工作。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 差動(dòng)放大器的工作原理及性能分析

9、差動(dòng)放大器的工作原理及性能分析1、直流靜態(tài)工作點(diǎn)分析、直流靜態(tài)工作點(diǎn)分析120iiUU|EEEBEREUUIIR1212C QC QIII121( 0.7)CE QCE QCCC QCUUUIR 第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理雙端輸入：兩輸入端均不接地雙端輸入：兩輸入端均不接地單端輸入：兩輸入端其中一端接地單端輸入：兩輸入端其中一端接地雙端輸出：從兩個(gè)輸出端之間輸出雙端輸出：從兩個(gè)輸出端之間輸出單端輸出：從一個(gè)輸出端到地之間輸出單端輸出：從一個(gè)輸出端到地之間輸出差模輸入信號(hào)差模輸入信號(hào)共模輸入信號(hào)共模輸入信號(hào)2211idiidiUUUUiciiUUU21定義定義第六

10、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、差模放大特性、差模放大特性第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理3 3、共模抑制特牲、共模抑制特牲共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)120ocococucicicUUUAUU11(1)2ocCucicbeEURAUrR 1(1)22icbeERrROCCRR雙端輸出雙端輸出單端輸出單端輸出共模輸入電阻共模輸入電阻共模輸出電阻共模輸出電阻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CommonModeRejectionRatio|udCMRucAKA()20lg|

11、()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5 5、對(duì)任意信號(hào)的放大特性、對(duì)任意信號(hào)的放大特性112121122icidiiiiiUUUUUUU222121222icidiiiiiUUUUUUU根據(jù)疊加原理，輸出電壓應(yīng)為差模輸出電壓和共模輸出電根據(jù)疊加原理，輸出電壓應(yīng)為差模輸出電壓和共模輸出電壓之和。壓之和。無(wú)論無(wú)論是雙端還是單端輸入，是雙端還是單端輸入，是雙端還是單端輸出，差動(dòng)放是雙端還是單端輸出，差動(dòng)放大器只放大大器只放大兩輸入端的差模信號(hào)，而抑制其共模信號(hào)兩輸入端的差模信號(hào)，而抑制其共模信號(hào)，這，這也

12、正是差動(dòng)放大器名稱(chēng)的由來(lái)。也正是差動(dòng)放大器名稱(chēng)的由來(lái)。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(dòng)放大電路具有恒流源的差動(dòng)放大電路由于電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻非常大，因此，無(wú)論雙端輸出還是由于電流源的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻非常大，因此，無(wú)論雙端輸出還是單端輸出，單端輸出，Auc都可近似為零，從而使都可近似為零，從而使KCMR趨于無(wú)窮大。趨于無(wú)窮大。前電路缺點(diǎn)：前電路缺點(diǎn)：KCMR做不高；輸入端不能有較大的做不高；輸入端不能有較大的Uic變化。變化。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1,20CididifuuFu目的：目的：研究差放小信號(hào)線

13、性動(dòng)態(tài)范圍和大信號(hào)的非線性特性研究差放小信號(hào)線性動(dòng)態(tài)范圍和大信號(hào)的非線性特性熟悉差模輸入信號(hào)與電流分配的關(guān)系熟悉差模輸入信號(hào)與電流分配的關(guān)系了解差動(dòng)放大器傳輸特性的應(yīng)用了解差動(dòng)放大器傳輸特性的應(yīng)用6.3.4 差動(dòng)放大器的傳輸特性差動(dòng)放大器的傳輸特性是指放大器的輸出電流（是指放大器的輸出電流（iC1和和iC2）和輸出電壓（）和輸出電壓（uo）與差）與差模輸入電壓模輸入電壓(uid)之間的函數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。關(guān)系。電流傳輸特性電流傳輸特性電壓傳輸特性電壓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RCRCiC1uidV1V2uo UEEIiC2UCC簡(jiǎn)化的差動(dòng)放大器簡(jiǎn)化的差動(dòng)

14、放大器)2(2211TidUuCUuthIIeIiTid)2(2212TidUuCUuthIIeIiTid)2()(21TidCCCCoUuIthRRiiu推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)書(shū)推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)書(shū)208208頁(yè)頁(yè)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 2UT4UT6UTuidQI2一，兩管集電極電流之和恒等于一，兩管集電極電流之和恒等于I(uid=0時(shí)，稱(chēng)為靜態(tài)時(shí)，稱(chēng)為靜態(tài))。結(jié)論：結(jié)論：二，差動(dòng)放大器線性動(dòng)態(tài)范圍很小（二，差動(dòng)放大器線性動(dòng)態(tài)范圍很小（2UT，即，即50mV），），uid超過(guò)超過(guò)4UT，即，即100mV,電路進(jìn)入限

15、幅狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的電路進(jìn)入限幅狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。非線性失真。第六章第六章 集成運(yùn)算放大器電路原理集成運(yùn)算放大器電路原理擴(kuò)展傳輸特性的線性區(qū)范圍擴(kuò)展傳輸特性的線性區(qū)范圍的方法：加射極負(fù)反饋電阻的方法：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)算放大器電路原理差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器的跨導(dǎo)的跨導(dǎo)gm：表示小信號(hào)工作時(shí)，工作點(diǎn)處的：表示小信號(hào)工作時(shí)，工作點(diǎn)處的uid對(duì)對(duì)iC的控制作用的控制作用。QidCmuig差動(dòng)放大器的跨導(dǎo)差動(dòng)放大器的跨導(dǎo)gm定義為工作點(diǎn)處，雙端輸出電流的定義為工作點(diǎn)處，雙端輸出電流的變化量變化量iC與輸入差模電壓變化量與輸入差模電壓變化量uid之比。之比。

16、1212CCCCiiii1122mQidCmguigQidCmuig11Q點(diǎn)處，單端輸出時(shí)的跨導(dǎo)，即曲線在點(diǎn)處，單端輸出時(shí)的跨導(dǎo)，即曲線在Q點(diǎn)點(diǎn)處的斜率處的斜率TuidCmUIdudigid4011TmmUIgg221IURRgdudiRduduATCCmQidCCQioud2第三，差第三，差動(dòng)放大器的動(dòng)放大器的gm和和Aud都與都與I成正比。成正比。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6.3.5 差動(dòng)電路及其應(yīng)用推廣差動(dòng)電路及其應(yīng)用推廣1. 差動(dòng)放大器的一般結(jié)構(gòu)差動(dòng)放大器的一般結(jié)構(gòu)兩個(gè)放大器性能完全相同兩個(gè)放大器性能完全相同通過(guò)電阻或電流源將它們通過(guò)電阻或電流源將它們的

17、接地端耦合在一起的接地端耦合在一起兩個(gè)兩個(gè)放大器除放大器除CE組態(tài)外，組態(tài)外，還可以是還可以是CC或者或者CB組態(tài)，組態(tài)，以及組合電路，再或者是以及組合電路，再或者是FET放大器。放大器。只放大只放大差信號(hào)（差信號(hào)（ui1ui2），），抑制其和信號(hào)抑制其和信號(hào)(ui1+ui2)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. 差動(dòng)電路的應(yīng)用推廣差動(dòng)電路的應(yīng)用推廣基本應(yīng)用：作為集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)基本應(yīng)用：作為集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)其他應(yīng)用：分離倒相器、自動(dòng)增益控制放大器、高速電流其他應(yīng)用：分離倒相器、自動(dòng)增益控制放大器、高速電流開(kāi)關(guān)、波形變換電路、電壓比較器、模擬乘法器開(kāi)關(guān)、波

18、形變換電路、電壓比較器、模擬乘法器6.4 集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路集成運(yùn)算放大器的輸出級(jí)電路忽略管子的飽和壓降時(shí)，最大輸出電忽略管子的飽和壓降時(shí)，最大輸出電壓幅度近似為壓幅度近似為UCC，最大輸出電流，最大輸出電流幅度近似為幅度近似為UCC/RL。要求：能提供足夠大的電壓，要求：能提供足夠大的電壓，Ro小。小。NPN與與PNP管組成互補(bǔ)管組成互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)射隨器射隨器,Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，功耗低。小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，功耗低。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)算放大器電路原理為克服交越失真為克服交越失真, ,要加偏置電路要加偏置電

19、路利用二極管利用二極管VD1和和VD2的正向的正向壓降為壓降為V1和和V2管提供正向偏壓管提供正向偏壓1 12 2122()ABURIR IRR I4112422()(1)BEBEURRRURR 利用利用V4、R1和和R2組成模擬電壓組成模擬電壓源，產(chǎn)生正向偏壓源，產(chǎn)生正向偏壓第六章第六章 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 集成運(yùn)放電路舉例集成運(yùn)放電路舉例(F007)(F007)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1、偏置電路、偏置電路 參考電流：參考電流：51112RUUUUIBEBEEECCR34910IIICCUC CUE ER5V11R4V10V12V13至中間級(jí)IR至輸入級(jí)I34IC9V9V8IC8IC13IC10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、輸入級(jí)輸入級(jí) V8和和V9不僅是不僅是鏡像電流源鏡像電流源,而而且還與且還與V10、V11組成微電流源組成微電流源構(gòu)成共模負(fù)反構(gòu)成共模負(fù)反饋環(huán)節(jié)以穩(wěn)定饋環(huán)節(jié)以穩(wěn)定IC1、IC2,從而提從而提高整個(gè)電路的高整個(gè)電路的共模抑制比。共模抑制比。第六章第六章 集成運(yùn)算放