差動(dòng)運(yùn)算放大器

差動(dòng)運(yùn)算放大器1第1頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1概述集成電路是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型器件，它把整個(gè)電路中的各個(gè)元器件以及元器件之間連接，采用半導(dǎo)體集成工藝同時(shí)制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，封裝并引出管腳，做成具有特定功能的集成電子線路。

優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、性能優(yōu)良、重量輕、造價(jià)低、使用方便等。什么是集成電路?2第2頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月集成電路的分類模擬集成電路分類在眾多的模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器應(yīng)用極為廣泛.集成運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多級(jí)直接耦合高電壓放大倍數(shù)的放大器，具有輸入電阻大、輸出電阻小的特點(diǎn)。數(shù)字集成電路對連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路。集成運(yùn)算放大器集成功率放大器集成穩(wěn)壓器模擬乘法器對不連續(xù)的0-低電平,1-高電平,躍進(jìn)的信號(hào)進(jìn)行處理的集成電路。3第3頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1概述3.1.1集成運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)3.1.2集成運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)4第4頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1集成運(yùn)放的特點(diǎn)1、電路與元件參數(shù)具有對稱性2、采用有源電阻代替無源電阻3、采用直接耦合的形式4、利用二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償5、采用復(fù)合管的結(jié)構(gòu)5第5頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)差動(dòng)輸入級(jí)中間放大級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入級(jí)：由可以抑制零點(diǎn)漂移的差動(dòng)放大器組成中間級(jí)：采用共射電路可獲較大的輸出級(jí)：射極跟隨器，增加帶負(fù)載能力偏置電路：供給各級(jí)電路合理的偏置電流(差動(dòng)放大器)(共射電路)(射極跟隨器)6第6頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路的特點(diǎn)是只有兩個(gè)輸入的信號(hào)有差值時(shí)，才能進(jìn)行放大，即

稱為差模電壓放大倍數(shù)

差動(dòng)放大電路7第7頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2差動(dòng)放大電路3.2.1為什么選用“差動(dòng)”的電路形式3.2.2基本差動(dòng)放大電路的分析3.2.3差動(dòng)放大電路的輸入、輸出形式3.2.4差動(dòng)放大電路的改進(jìn)形式8第8頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1為什么選用“差動(dòng)”的電路形式?1、集成電路級(jí)與級(jí)之間采用直接耦合，而直接耦合電路必然會(huì)產(chǎn)生“零點(diǎn)漂移”。

零點(diǎn)漂移：當(dāng)輸入信號(hào)為0，由于電源波動(dòng)、溫度變化等原因，使工作點(diǎn)發(fā)生變化，使放大器輸出電壓偏離起始點(diǎn)做上下漂動(dòng)，成為零點(diǎn)漂移。如圖3-3中，當(dāng)時(shí)，由于某種原因使，設(shè)，則這種緩慢變化的信號(hào)將淹沒有用的信號(hào)，這是不允許的。2、為了有效抑制零漂，輸入級(jí)必須采用差動(dòng)放大器。9第9頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2差動(dòng)放大電路的分析圖3-4基本差動(dòng)放大電路構(gòu)成原理

要想實(shí)現(xiàn)“有差能動(dòng)”電路如圖所示，電路最大特點(diǎn)是電路完全對稱，其中V1、V2兩管特性相同，元件參數(shù)之值相等。有兩個(gè)輸入端稱雙入，兩個(gè)輸出端稱雙出。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)相同時(shí)，由于電路對稱性，兩管集電極電位相同，所以u0=010第10頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2差動(dòng)放大電路的分析抑制零點(diǎn)漂移的原理：當(dāng)溫度變化時(shí)，對兩管的影響是一致的，相當(dāng)給兩管電路同時(shí)加入大小相等、極性相同的輸入信號(hào)，因此，當(dāng)電路特性完全對稱的情況下，兩管的集電極電位始終相同，不會(huì)出現(xiàn)普通直接耦合放大器那樣的漂移電壓，這就是為什么差動(dòng)放大電路能夠抑制零點(diǎn)漂移的原因。11第11頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-5典型基本差動(dòng)放大電路僅靠電路的對稱性來抑制“零漂”是有限度的，對兩個(gè)單管本身集電極電位的漂移并未加限制，所以實(shí)用電路為圖3-5，在圖3-4的基礎(chǔ)上加RE和-UEE12第12頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、靜態(tài)分析(ui1=ui2=0)圖3-5典型基本差動(dòng)放大電路

直流通路(對地的電位)13第13頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等、極性相反,即ui1=-ui2

，稱差模輸入.如ui1為正、ui2為負(fù)所以，差動(dòng)放大電路輸入差模信號(hào)時(shí)的輸出電壓是兩管各自輸出電壓變化量的兩倍2、差模信號(hào)輸入14第14頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3、共模信號(hào)輸入兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等、極性相同，即ui1=ui2，這時(shí)uo=uc1-uc2=0。差動(dòng)放大電路對共模信號(hào)的抑制能力很強(qiáng)。溫度變化對差動(dòng)放大電路來說相當(dāng)于一對共模信號(hào)。所以差動(dòng)放大電路對其零點(diǎn)漂移的抑制就是對共模信號(hào)抑制的一種特例。15第15頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月4、任意信號(hào)輸入

在實(shí)際應(yīng)用中，加給差動(dòng)放大電路輸入信號(hào)的大小和極性往往是任意的，既不是一對差模信號(hào)，也不是一對共模信號(hào)，為了分析方便通常，通常將一對任意輸入信號(hào)分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)兩部分分別定義差模信號(hào)和共模信號(hào)為：差模信號(hào):共模信號(hào):16第16頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月4、任意信號(hào)輸入差模信號(hào)加到電路上,兩管V1

和V2

的基極獲得差模信號(hào)為:

共模信號(hào)加到電路上,兩管V1

和

V2

的基極獲得共模信號(hào)為:

ui1=ui2=uic17第17頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月4、任意信號(hào)輸入例:

則

18第18頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)差模輸入信號(hào)和共模輸入信號(hào)都存在的情況下，根據(jù)疊加原理可以得出任意輸入信號(hào)下總的輸出電壓，即

越大，電路差模放大能力越強(qiáng)越小，電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)19第19頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月5、差模特性動(dòng)態(tài)分析圖3-7差模輸入時(shí)基本差動(dòng)放大電路的交流通路圖為差模輸入時(shí)圖3-7所示雙入雙出差動(dòng)放大電路的交流通路?！遳i1=-ui2

∴Ie1、Ie2大小相等，方向相反這兩個(gè)交流電流之和為0,因此在Re上產(chǎn)生交流電壓降為0。所以把Re

視為交流短路20第20頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月可見：差動(dòng)放大電路雙端輸出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)和單邊電路的電壓放大倍數(shù)相同，差動(dòng)放大電路為了實(shí)現(xiàn)同樣的電壓放大倍數(shù)，必須用二倍于單邊電路的元器件數(shù)，但是換來了對零點(diǎn)漂移的抑制。(1)差模電壓放大倍數(shù)AudA.無負(fù)載:21第21頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月B.帶有負(fù)載電阻RL:由于電路對稱，RL中點(diǎn)始終為零電位(1)差模電壓放大倍數(shù)Aud中點(diǎn)零電位22第22頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)差模輸入電阻rid雙入雙出差動(dòng)放大電路的交流通路23第23頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)差模輸出電阻rod雙入雙出差動(dòng)放大電路的交流通路24第24頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月6、共模特性動(dòng)態(tài)分析共模信號(hào)輸入時(shí)交流通路(1)共模信號(hào)輸入時(shí)交流通路如圖∵ui1=ui2=uic∴ie1和ie2大小相等，方向相同ie=2ie125第25頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月6、共模特性動(dòng)態(tài)分析溫度(2)Re對差模信號(hào)不起負(fù)反饋?zhàn)饔?Re對共模信號(hào)起強(qiáng)烈的負(fù)反饋.Re越大負(fù)反饋越強(qiáng)，抑制漂移越好26第26頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月6、共模特性動(dòng)態(tài)分析(3)Re

過大，當(dāng)電源電壓一定時(shí)，使三極管靜態(tài)電流變小，影響靜態(tài)工作點(diǎn)及電壓放大倍數(shù)，為此，加-UEE

來抵消Re

上的壓降獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。還可以考慮用恒流源來替代Re

，恒流源的動(dòng)態(tài)電阻更大，得到更好的負(fù)反饋效果。27第27頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月6、共模特性動(dòng)態(tài)分析(4)共模電壓放大倍數(shù)Auc(理想)28第28頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月6、共模特性動(dòng)態(tài)分析(5)共模抑制比越大，越小，越大，差動(dòng)放大電路的性能越好。理想情況下，為。實(shí)際上是一個(gè)很大的數(shù)值，為了方便，用分貝（dB）形式表示。（3-12）（3-13）29第29頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3差動(dòng)放大電路的輸入輸出形式1、單端輸入單端輸入可以看成雙端輸入的一種特例。即ui1=ui,,ui2=0可以有如圖所示

對輸入方式來說，單入和雙入并沒有本質(zhì)區(qū)別差模信號(hào)共模信號(hào)30第30頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)放大電路的兩種單端輸出形式:（a）反相輸出形式2、單端輸出（b）同相輸出形式31第31頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、單端輸出(1）單端輸出時(shí)的(2）單端輸出時(shí)的

差模信號(hào)共模信號(hào)32第32頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、單端輸出(3)單端輸出KCMRR(4）單端輸出時(shí)的ro

∵僅從一管的集電極輸出

∴rod=RC33第33頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月

表3-1差動(dòng)放大電路的輸入輸出形式34第34頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月

表3-1差動(dòng)放大電路的輸入輸出形式35第35頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4差動(dòng)放大電路的改進(jìn)形式1、帶電流源的差動(dòng)放大電路

(1)為了得到Re大，又要使UEE不致增加，用恒流源替代Re(2)因?yàn)楫?dāng)IB

一定時(shí)，工作于放大區(qū)的IC

的基本恒定。其交流電阻較大，抑制零漂效果好，但V3的UCE電壓又不大（只要大于飽和壓降），所以

UEE

的電壓不致增加。Rb31和Rb32構(gòu)成分壓式偏置電路。(3)Rp為調(diào)零電位器，一般為幾十到幾百歐姆之間。36第36頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-1

圖3-11（a）中雙入雙出的差動(dòng)放大電路參數(shù)為：β1=β2=β3=50，UCC=UEE=9V，Rc=4.7kΩ，Rb31=10kΩ，Rb32=3.3kΩ，Rb1=Rb2=1kΩ，Re=2kΩ，Rp=220Ω且動(dòng)端在中點(diǎn)，三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降為0.7V。求：（1）靜態(tài)時(shí)的集電極電位UC1；（2）差模電壓放大倍數(shù)；（3）差模輸入電阻和差模輸出電阻37第37頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、共集－共基復(fù)合差動(dòng)放大電路(1)共集—共基復(fù)合差動(dòng)放大電路如圖所示。圖中縱向NPN

管V1

和V2是基極輸入、射極輸出，組成共集電極電路，可以提高輸入阻抗。橫向PNP

管V3

和V4

則組成射極輸入、集電極輸出的共基極電路，有利于提高輸入級(jí)的電壓放大倍數(shù)、最大差模輸入電壓和最大共模輸入電壓范圍，同時(shí)可以改善頻率響應(yīng)。在需要PNP管輸入級(jí)與提高輸入電阻時(shí)，可采用此種電路形式。38第38頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、共集－共基復(fù)合差動(dòng)放大電路(2)用復(fù)合管構(gòu)成的差分放大電路電路為圖3-14，V1和V3、V2和V4分別構(gòu)成了復(fù)合管的電路形式。利用復(fù)合管可以獲得很高的電流放大系數(shù)。圖3-14復(fù)合管差動(dòng)放大電路39第39頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上所述，我們可以得到如下結(jié)論A、差動(dòng)放大電路具有放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)的能力，因此，在普遍采用直接耦合的集成運(yùn)算放大器中，廣泛采用差動(dòng)放大電路作為輸入級(jí)，以起到抑制零點(diǎn)漂移的作用。B、差動(dòng)放大電路的射極電阻不影響差模信號(hào)的放大，但射極電阻越大，抑制共模的能力就越強(qiáng)，一般采用恒流源電路來替代射極電阻，以獲得較好的共模抑制能力。C、差動(dòng)放大電路共有兩種輸入形式和兩種輸出形式，可以組合成四種典型電路，它們具有不同的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇合適的電路形式。40第40頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3電流源電路與輸出級(jí)電路3.3.1基本電流源電路3.3.2其他電流源形式3.3.3輸出級(jí)電路41第41頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1基本電流源電路1、鏡像電流源

(1)基本鏡像電流源如圖3-15所示。由于V1和V2是特性完全相同的對管，并且二者的發(fā)射結(jié)偏置電壓相同，因此可以認(rèn)為兩管的參數(shù)完全相同，

IB1=IB2，IC1=IC242第42頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月(參考電流)

1、鏡像電流源當(dāng)參考電流IREF確定后，該恒流源的輸出電流也就確定了。當(dāng)β足夠大時(shí)由上式可以看出，當(dāng)R

確定后，IREF就確定了，輸出電流Io也隨之確定。43第43頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)若希望獲得相反方向的輸出電流，可用PNP管構(gòu)成電流源，如圖3-16所示。

圖3-161、鏡像電流源44第44頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、鏡像電流源

(3)帶緩沖級(jí)的鏡像電流源對于基本鏡像電流源來說，只有在β值較大時(shí)，才能認(rèn)為IO≈IREF，否則兩個(gè)者差別較大。

為了解決這一問題，在電路中加入V3。利用V3的電流放大作用，減小了IB1和IB2對IREF的分流作用，從而提高了IO對IREF的鏡像程度?？梢宰C明

45第45頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、電流源作有源負(fù)載（a）PNP電流源作NPN管的有源負(fù)載;（b）等效電路圖3-19（a）中，V2和V3以及電阻R構(gòu)成PNP管鏡像電流源，作為共發(fā)射極形式連接的放大管V1的集電極有源負(fù)載這里電流源起了兩個(gè)作用，一是給放大管提供靜態(tài)工作電流，二是以電流源的交流電阻ro替代集電極負(fù)載電阻Rc的作用。由于ro很大，使每級(jí)的Au電壓放大倍數(shù)達(dá)到103以上46第46頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2其他電流源形式1、微電流源在集成電路中，有時(shí)需要μA級(jí)的小電流，如果利用鏡像電流源實(shí)現(xiàn)，就必須提高電阻R的阻值，這在集成電路中非常困難。47第47頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2其他電流源形式1.微電流源

UBE1-UBE2=IE2Re2

所以由于兩個(gè)三極管發(fā)射結(jié)電壓之差ΔUBE是一個(gè)較小的數(shù)值，因此利用不大的Re2就可以獲得較較小的恒流輸出，故稱為微電流源。圖3-20微電流源

UBE1UBE248第48頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、比例電流源顧名思義，比例電流源就是輸出電流與參考電流成一特定的比例關(guān)系的電流源，如圖3-21所示。∵UBE1+IE1Re1=UBE2+IE2Re2且UBE1≈UBE2，IREF≈IC1≈IE1可得也就是說，改變Re1與Re2就可以獲得和IREF成不同比例的電流輸出。圖3-2149第49頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-2圖3-22為多路電流源原理電路，說明三級(jí)管V5的作用，并寫出IO1、IO2和IO3的表達(dá)式。

50第50頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3輸出級(jí)電路

集成運(yùn)算放大電路的輸出級(jí)應(yīng)具有高輸入電阻、低輸出電阻的特性。一般采用互補(bǔ)對稱形式的射極輸出器來做輸出級(jí)。51第51頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、輸出級(jí)電路(1)為了降低管耗，提高效率，采用圖3-23所示互補(bǔ)對稱輸出電路(2)原理:

靜態(tài)時(shí):二管截止靜態(tài)損耗極小

動(dòng)態(tài)時(shí):正弦波正半周:v1導(dǎo)通,v2截止,+Ucc→v1→RL→┻(正半周輸出）正弦波負(fù)半周:v1截止,v2導(dǎo)通,┻→RL→v2→-Ucc(負(fù)半周輸出）所以在RL上得到一個(gè)完整的正弦波，但由于存在三極管都有死區(qū)電壓，輸出波形存在交越失真。導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止互補(bǔ)對稱輸出電路52第52頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、輸出級(jí)電路(3)為了克服交越失真采用圖3-25所示的電路利用兩個(gè)二極管VD1,VD2的PN節(jié)壓降使兩個(gè)三級(jí)管在ui=0

時(shí)處于微通狀態(tài)。這樣，較小的ui

也可以通過三級(jí)管輸出到負(fù)載上，從而消除了交越失真。53第53頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、采用復(fù)合管的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)(1)為什么要采用復(fù)合管？為了對輸入正弦信號(hào)的正負(fù)半周有相同的放大能力，要求互補(bǔ)的NPN和PNP三極管的參數(shù)盡可能對稱。但實(shí)際上，小功率管還比較容易做到，而對于大功率管來說，就相當(dāng)困難了。要想解決這一矛盾，必須采用復(fù)合管的形式。54第54頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、采用復(fù)合管的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)(2)復(fù)合管的組成通常用一個(gè)中（?。┕β使芎鸵粋€(gè)大功率管復(fù)合而成。

復(fù)合的規(guī)律：即第一管子輸出電流必須與第二管子輸入電流方向一致。55第55頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種典型復(fù)合管復(fù)合形式

圖3-26

（a）、(d)等效為NPN管;（b）、(c)等效為PNP管

56第56頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、采用復(fù)合管的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)(3)復(fù)合管的特點(diǎn)

A、復(fù)合管的管型與第一只管子V1相同。因?yàn)閂1

的基極電流決定了復(fù)合管的基極電流方向。IB

流入復(fù)合管為NPN，反之為PNP。

B、復(fù)合管的β≈β1β2

。

57第57頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)復(fù)合管的特點(diǎn)

C、如果V1的發(fā)射極接V2，則V2相當(dāng)于V1的射極電阻，復(fù)合管的輸入電阻：rbe=rbe1+（1+β1）rbe2

如果V1的集電極接V2，此時(shí)的V2相當(dāng)于V1的集電極電阻，復(fù)合管的輸入電阻：rbe=rbe158第58頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-3

以圖3-26（a）為例，證明復(fù)合管的電流放大系數(shù)β約為V1、V2電流放大系數(shù)之積，即β≈β1β2。證明:

由圖3-26（a）的電路結(jié)構(gòu)可知

ic=ic1+ic2=β1ib1+β2ib2=β1ib1+β2ie1=β1ib1+β2(1+β1)ib1=(β1+β2+β1β2)ib1所以59第59頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4MOS繼承運(yùn)算放大器的主要單元3.4.1MOS集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)3.4.2MOS集成運(yùn)放中的基本單元電路60第60頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1MOS集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)

MOS集成運(yùn)算放大器的組成和雙極型集成運(yùn)算放大器相同，各部分電路結(jié)構(gòu)及作用也基本相似，只不過MOS集成工藝主要適用于制造數(shù)字集成電路，對于模擬集成電路來說，在性能上和雙極型運(yùn)放相比還有一定的差距。但由于MOS集成運(yùn)放具有制造工藝簡單、集成度高、功耗低以及溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著集成制造工藝的發(fā)展，這些優(yōu)勢已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，特別在模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)中，MOS電路更加顯示出它的優(yōu)越性。61第61頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月

MOS集成運(yùn)算放大器主要有NMOS和CMOS兩種類型。NMOS集成運(yùn)放全部由N溝道MOS管構(gòu)成，具有工藝簡單、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。CMOS集成運(yùn)放是互補(bǔ)的MOS電路，由互補(bǔ)的NMOS管和PMOS管構(gòu)成，這種CMOS制造工藝具有設(shè)計(jì)靈活、低功耗等特點(diǎn)。62第62頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2MOS集成運(yùn)放中的基本單元

MOS繼承運(yùn)算放大器與由差動(dòng)輸入級(jí)，中間級(jí)別，輸出級(jí)和偏置電路幾部分組成63第63頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2MOS集成運(yùn)放中的基本單元1、MOS管差動(dòng)輸入級(jí)電路采用MOS管構(gòu)成差動(dòng)放大電路，如圖3-28所示，可以提高輸入電阻。圖3-28為雙入單出的CMOS管差動(dòng)輸入級(jí)。圖3-281、MOS管差動(dòng)放大電路其中NMOS管V1和V2為差放工作管；PMOS管V3和V4組成鏡像電流源，作為V1和V2的有源負(fù)載；V5為單管電流源，為差放管提供偏置電流。

MOS管差動(dòng)放大電路仍具有放大差模、抑制共模的特點(diǎn)。64第64頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、MOS管基本鏡像電流源

基本場效應(yīng)管鏡像電流源如圖3-29所示。從中可得出：

IREF=UCC-UGS

根據(jù)場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線即可確定IREF。因?yàn)镸OS管的Ig=0

。所以在V1和V2對稱的條件下，有IO=IREF。圖3-29MOS管基本鏡像電流源65第65頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5常用集成運(yùn)算放大器3.5.1集成運(yùn)算放大器的基本概念3.5.2集成運(yùn)放的組成與工作原理3.5.3集成運(yùn)放的主要參數(shù)3.5.4集成運(yùn)放在電子技術(shù)中的運(yùn)用66第66頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1集成運(yùn)算放大器的基本概念1、集成運(yùn)算放大器的性質(zhì)2、集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)3、集成運(yùn)算放大器的外形（a）雙列直插式；（b）扁平式；（c）圓殼式67第67頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.1集成運(yùn)算放大器的基本概念4、理想集成運(yùn)放的模型(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aud=uo/(u+-u-)→∞(2)差模輸入電阻，rid→∞(3)輸出電阻，ro→0(4)共模抑制比，KCMRR→∞實(shí)際上：μA741Aud→100dB

rid→1MΩ

以上對工程計(jì)算來講，已十分精確68第68頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2集成運(yùn)放的組成與工作原理從20世紀(jì)60年代發(fā)展至今已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品，μA741（F007）和單極型CMOS集成運(yùn)放5G1457為例對運(yùn)放多級(jí)電路的基本原理和功能進(jìn)行簡單介紹。69第69頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、集成運(yùn)算放大器μA741（F007）

μA741（F007）是第二代雙極型通用集成運(yùn)算放大器，具有高電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻、高共模抑制比、低功耗及有過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。圖3-45為集成運(yùn)放μA741的電路原理圖。70第70頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、集成運(yùn)算放大器μA741（F007）圖3-45集成運(yùn)算放大器μA741電路原理圖71第71頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1、集成運(yùn)算放大器μA741（F007）整個(gè)電路共有24個(gè)晶體三極管，10個(gè)電阻和一個(gè)電容組成。電路有12個(gè)引腳，②腳是反相輸入端，③腳是同相輸入端，⑥腳是輸出端，④腳是負(fù)電源端（-15V），⑦腳是正電源端（＋15V），①腳與⑤腳之間外接調(diào)零電位器，⑧腳與⑨腳接相位補(bǔ)償電容。原理電路由差動(dòng)輸入級(jí)、中間放大級(jí)、互補(bǔ)輸出級(jí)和偏置電路四部分組成，現(xiàn)分別介紹如下:

調(diào)零--IN+IN-UCC+UCC調(diào)零+-UoNC72第72頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月1）偏置電路

V12、R5、V11組成主偏置電路，在+UCC和-UCC的作用下提供整個(gè)放大器的參考電流IREF，IREF=IC12=IC11≈2UCC/R5。V10和V11組成微電流源，給輸入級(jí)的V3和V4提供偏置。V8、V9也組成一組鏡像電流源，給輸入級(jí)V1、V2提供偏流（IC8=IC9=IC10）。需要說明的是，這種偏置電路具有負(fù)反饋的作用，可以減小零點(diǎn)漂移。如果溫度升高使IC3、IC4增加時(shí)，則導(dǎo)致IC8增加，也就使IC9增加。73第73頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月但由于IC10是恒定的，而IC10=IC9+IB3+IB4，因此IB3、IB4下降，導(dǎo)致IC3、IC4也下降。由于上述負(fù)反饋?zhàn)饔?，使IC3、IC4基本恒定，從而穩(wěn)定了輸入級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，提高了整個(gè)電路的共模抑制比。V12、V13是組成兩路輸出（A、B）的鏡像電流源電路，A路供給輸出級(jí)的偏置電流，并使V18和V19工作；B路給中間級(jí)提供偏置并作為中間級(jí)的有源負(fù)載。74第74頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2）差動(dòng)輸入級(jí)差動(dòng)輸入級(jí)是由V1～V6

組成的互補(bǔ)共集—共基差動(dòng)放大電路?？v向的NPN管V1、V2組成共集電極電路可以提高輸入電阻，橫向的PNP管V3、V4組成共基電路配合V5、V6和V7組成有源負(fù)載，有利于提高輸入級(jí)的電壓放大倍數(shù)、最大差模輸入電壓和擴(kuò)大共模輸入電壓的范圍。另外，帶緩沖級(jí)的鏡像電流源使有源負(fù)載兩邊電流更加對稱，也有利于提高輸入級(jí)抑制共模信號(hào)的能力。電阻R2用來增加V7的工作電流，避免因V7的工作電流過小，使β7下降而減弱緩沖作用。75第75頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3）中間級(jí)中間級(jí)由V16和V17組成復(fù)合管共發(fā)射極放大電路，集電極負(fù)載為V13B所組成的有源負(fù)載，因有源負(fù)載的交流電阻很大，所以本級(jí)可以得到較高的電壓放大倍數(shù)，同時(shí)由于射極電阻的存在，且V17接于V16的發(fā)射極的接法也使該級(jí)電路具有較大的輸入電阻。V17的集電極與V16基極間的電容C是用作相位補(bǔ)償，以消除自激，通常容量較小。76第76頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月4）輸出級(jí)本級(jí)由V14和V20組成互補(bǔ)對稱輸出級(jí)，V18和V19接成二極管的形式，利用V18和V19的PN結(jié)壓降使V14和V20處于微導(dǎo)通狀態(tài)，以消除交越失真。77第77頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、CMOS集成運(yùn)算放大器5G145735G14573是一種通用型CMOS集成運(yùn)算放大器，該芯片含有同樣的四個(gè)運(yùn)算放大器單元，為雙列直插封裝形式。圖3-46為5G14573中一個(gè)運(yùn)放單元的電路原理圖，場效應(yīng)管符號(hào)采用了簡化的表示方法。78第78頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-46CMOS集成運(yùn)算放大器5G14573內(nèi)部電路原理圖

79第79頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)輸入級(jí)由V1、V2組成，V3、V4構(gòu)成差動(dòng)輸入級(jí)的漏極有源負(fù)載。V5、V6為差動(dòng)輸入級(jí)提供源極偏置電流。輸出級(jí)由V8組成NMOS共源極放大器并由PMOS管V7作V8的有源負(fù)載。C是相位補(bǔ)償電容，用于防止自激振蕩。為了獲得較小的參考電流IREF，5G14573的偏置電阻外接，并且每兩個(gè)運(yùn)放共用一個(gè)偏置電阻。80第80頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.3集成運(yùn)放的主要參數(shù)1．

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ａud

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)是指集成運(yùn)放在開環(huán)（無反饋）情況下的直流差模電壓放大倍數(shù)，即開環(huán)輸出直流電壓與差模輸入電壓之比，用Ａud表示。集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)通常很大，經(jīng)常用db表示。81第81頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2．輸入失調(diào)電壓UIO

對于一個(gè)理想放大器來說，在不使用調(diào)零電阻時(shí)也應(yīng)具有零入零出的特性，這主要取決于電路的對稱性。因此，沒有完全對稱的電路，就沒有完全的零入零出，集成運(yùn)放在輸入電壓為0時(shí)，都存在著或多或少的輸出電壓。82第82頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月在室溫25℃及標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，為了使集成運(yùn)放的輸出電壓為0，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓叫做輸入失調(diào)電壓，記為UIO，UIO的大小實(shí)際上就是此時(shí)的輸出電壓折合到輸入端的電壓的負(fù)值。UIO越小，表示集成運(yùn)放的對稱程度和電位匹配情況越好，其值一般為±（1～10mV）。83第83頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．輸入偏置電流IIB對于雙極型集成運(yùn)放，靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)兩差放管基極電流IB1和IB2的平均值，稱為輸入偏置電流，用IIB表示。即（3-32）輸入偏置電流越小，信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也越小，一般為10nA～1μA。84第84頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月4．輸入失調(diào)電流IIO

對于雙極型集成運(yùn)放，輸入失調(diào)電流是指當(dāng)輸出電壓為0時(shí)，流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即

IIO=∣IB2-IB1∣

（3-33）它反映了放大器的不對稱程度，所以希望越小越好，其值約為1nA～0.1μA。85第85頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月5．溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂ΔUIO/ΔT。是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化率，它是反映集成運(yùn)放電壓漂移特性的指標(biāo)，不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償，一般為（10～30μV）/℃。（2）輸入失調(diào)電流溫漂ΔIIO/ΔT。是指在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化率，它是反映集成運(yùn)放電流漂移特性的指標(biāo)，同樣不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。其范圍一般在(5～50nA)℃，高質(zhì)量的每度幾個(gè)皮安。86第86頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月6.共模抑制比KCMRR集成運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比稱為共模抑制比，即87第87頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月7．差模輸入電阻rid

運(yùn)算放大器開環(huán)時(shí)從兩個(gè)差動(dòng)輸入端之間看進(jìn)去的等效交流電阻，稱為差模輸入電阻，表示為rid，高質(zhì)量的運(yùn)放的差模輸入電阻可達(dá)幾兆歐姆。8．輸出電阻rod

從集成運(yùn)放的輸出端和地之間看進(jìn)去的等效交流電阻，稱為運(yùn)放的輸出電阻，記為rod。88第88頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月9．最大差模輸入電壓Uidmax

集成運(yùn)放兩輸入端之間能承受的最大電壓差值叫做最大差模輸入電壓Uidmax。超過這個(gè)電壓，運(yùn)放輸入級(jí)某側(cè)的三極管將會(huì)出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿，而使運(yùn)放性能惡化或損壞。一般利用平面工藝制成的硅NPN管的Uidmax約為±5V左右，而橫向三極管可達(dá)±30V以上。89第89頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月10．最大共模輸入電壓Uicmax最大共模輸入電壓是指運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過這個(gè)數(shù)值，運(yùn)放的共模抑制比將顯著下降或出現(xiàn)永久性破壞，高質(zhì)量的運(yùn)放可達(dá)±13V。

90第90頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月11．轉(zhuǎn)換速率SR指運(yùn)放在額定輸出電壓下，輸出電壓的最大變化率，即（3-34）

它反映了運(yùn)算放大器對于高速變化輸入信號(hào)響應(yīng)的快慢，也叫壓擺率，表示為SR。

91第91頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月12．單位增益帶寬BWG（fT）