第五章集成运算放大器电路课件

第五章第五章 集成运算放大器电路集成运算放大器电路 5-1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点5-2 电流源电路电流源电路一一、镜像电流源、镜像电流源二、比例电流源二、比例电流源三、微电流电流源三、微电流电流源四、负反馈型电流源四、负反馈型电流源五、有源负载放大器五、有源负载放大器 15-3 差动放大电路差动放大电路5-3-1 零点漂移现象零点漂移现象5-3-2差动放大器的工作原理及性能分析差动放大器的工作原理及性能分析 一、差模放大特性一、差模放大特性1.差模电压放大倍数差模电压放大倍数2.差模输入电阻差模输入电阻3.差模输出电阻差模输出电阻二、共模抑制特性二、共模抑制特性1.共模电压放大倍数共模电压放大倍数2.共模输入电阻共模输入电阻 3.共模输出电阻共模输出电阻2三、共模抑制比三、共模抑制比KCMR四、对任意输入信号的放大特性四、对任意输入信号的放大特性5-3-3具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路一、共模抑制比可做的非常高；一、共模抑制比可做的非常高；二、允许输入端有较大的共模电压变化。二、允许输入端有较大的共模电压变化。5-3-4差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性一、两管集电极电流之和恒等于一、两管集电极电流之和恒等于I二、传输特性具有非线性特性二、传输特性具有非线性特性三、差动放大器的增益与三、差动放大器的增益与I成正比成正比35-3-5差动放大器的失调及温漂差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调一、差动放大器的失调二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移5-4 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路5-5 集成运放电路举例集成运放电路举例5-5-1集成运算放大器集成运算放大器F0075-7 集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的主要性能指标4第五章第五章 集成运算放大器电路集成运算放大器电路（1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。态和动态参数的分析方法。（2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。（3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。特点，掌握其电压传输特性和主要参数。5集成电路集成电路：60年代发展起来的一种新型器件，把众多年代发展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。集成电路具有性能好，可靠性高，体积小，集成电路具有性能好，可靠性高，体积小，耗电少，耗电少，成本低等优点。成本低等优点。集成运放：集成运放：是一是一 种种模拟集成电路模拟集成电路，早期实现各种数，早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中，电子系统中，是一种通用型模拟器件。是一种通用型模拟器件。65.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点1.级间只能采用直接耦合方式级间只能采用直接耦合方式(集成工艺不能集成工艺不能制作大电容和电感制作大电容和电感)；2.尽可能尽可能采用有源器件代替无源器件采用有源器件代替无源器件(避免使避免使用大电容、大电阻用大电容、大电阻)；3.利用对称结构改善电路性能利用对称结构改善电路性能(参数一致性好参数一致性好,但单个元器件参数误差较大但单个元器件参数误差较大)。7 图图5.1 集成运算放大器组成框图集成运算放大器组成框图 差差动动放放大大器器负负载载为为有有源源负负载载的的共共射射放放大大器器射射随随器器或或互互补补 射射 随随 器器提供各级偏流和有源负载提供各级偏流和有源负载85.2 电流源电路电流源电路 电流源电路即电流恒定的电路电流源电路即电流恒定的电路,可为集可为集成运放各级电路提供稳定的静态偏置电流成运放各级电路提供稳定的静态偏置电流.9图图5.2.1 镜像电流源镜像电流源 工作电流工作电流参考电流参考电流一、镜像电流源一、镜像电流源(Current Mirror)10图图5.2.2 多路镜像电流源多路镜像电流源11IrRrIC1IC2UCCIC3RrIrIC2IC3V3V2V1UCC图图5.2.3多集电极晶体管镜像电流源多集电极晶体管镜像电流源(a)三集电极横向三集电极横向PNP管电路管电路(b)等价电路等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现集成电路中多路镜像电流源的实现12 二、比例电流源二、比例电流源 图图5.2.4比例电流源比例电流源13室温下，当两管的射极电流相差室温下，当两管的射极电流相差10倍时：倍时：若若1，则，则IE1Ir,IE2IC2仅为此时两管仅为此时两管UBE电压电压(600mV)的的10%。因此，。因此，UBE1UBE2。14三、微电流源三、微电流源(Widlar Current)RrIrIC2V2V1UCCR2图图5.2.5微电流电流源微电流电流源当当 11时时，IE1Ir,IE2IC2已已知知Ir=1mA,要求要求IC2=10A时时15 四、负反馈型四、负反馈型(威尔逊威尔逊)电流源电流源图图5.2.6 威尔逊电流源威尔逊电流源 16 若三管特性相同，则若三管特性相同，则1=2=3=,利利用用交交流流等等效效电电路路可可求求出出威威尔尔逊逊电电流流源的动态内阻源的动态内阻Ro为：为：较大的动态内阻；较大的动态内阻；输出电流受输出电流受的影响也大大减小的影响也大大减小优优 点点17五、有源负载放大器五、有源负载放大器 UCCV3V2uoV1uiRr有源负载放大器有源负载放大器(a)共射电路共射电路(b)具有倒相功能的共射电路具有倒相功能的共射电路UCCV3V2IC1V1iIC3IC2uoIu185.3 差动放大电路差动放大电路(Differential Amplifier)5.3.1 零点漂移现象零点漂移现象1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压的影响，会使工作点电压(即集电极电位即集电极电位)偏离设偏离设定值而缓慢地上下飘动。定值而缓慢地上下飘动。2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，输入级工作点的缓飘很难传到下一输入级工作点的缓飘很难传到下一 级去，级去，因此因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和，和，这样整个电路将无法正常工作。这样整个电路将无法正常工作。193.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。差动放大器电路能有效地克服零点漂移。图图5.4.1 放大器的零点漂移放大器的零点漂移 等效输入等效输入漂移电压漂移电压输出漂输出漂移电压移电压等效输入漂移电压限制等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最了放大器所能放大的最小信号。小信号。205.3.2差动放大器的工作原理及性能分析差动放大器的工作原理及性能分析UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 图图5.4.3 基本差动放大器基本差动放大器(长尾式长尾式)当当Ui1=Ui2=0时时则流过则流过RE的电流的电流I为为故有故有静态分析静态分析:21UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo 图图5.4.3 基本差动放大器基本差动放大器静态时，差动放大静态时，差动放大器两输出端之间的器两输出端之间的直流电压为零。直流电压为零。22UCCRCRLRCREUEEV1V2uouiciB1iB2iC1iC2RE上有静态电压上有静态电压和交流信号电压和交流信号电压0VuicuC2UCEQ2一、共模一、共模(Common-Mode)抑制特性抑制特性uC1UCEQ1iIC 动态分析动态分析:23RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2RE图图5.4.4 基本差动放大器的共模等效通路基本差动放大器的共模等效通路 Ib1Ib2Ic1Ic2Iic241.共模电压放大倍数共模电压放大倍数双端输出时双端输出时RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic25 单端输出时单端输出时1.共模电压放大倍数共模电压放大倍数RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic26 2.共模输入电阻共模输入电阻RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic注：注：27 3.共模输出电阻共模输出电阻 单端输出时单端输出时 RCUoc2RCUoc1UicV1V2Uoc2RE2REIb1Ib2Ic1Ic2Iic单端输出时单端输出时 双端输出时双端输出时 28 二、差模二、差模(Difference-Mode)放大特性放大特性UCCRCRLRCREUEEV1V2uouid1uid2iB1iB2iC1iC2RE上只有静态电压，上只有静态电压，无交流信号电压无交流信号电压0V0Vuid1uid2uC1UCEQ1uC2UCEQ2 动态分析动态分析:29图图5.4.6基本差动放大器的差模等效通路基本差动放大器的差模等效通路Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic230双端输出（浮动输出）时双端输出（浮动输出）时 1.差模电压放大倍数差模电压放大倍数Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic231单端输出时单端输出时 1.差模电压放大倍数差模电压放大倍数Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2负载负载RL情况下情况下或或322.差模输入电阻差模输入电阻(Input Differential Resistance)注：注：Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2Iid33 3.差模输出电阻差模输出电阻(Output Differential Resistance)Uod1Uod2RL2RL2V2V1Uid1Uid2UidRCRCUodIb1Ib2Ic1Ic2单端输出时为单端输出时为双端输出时为双端输出时为34三、共模抑制比三、共模抑制比KCMR(Common-Mode Rejection Ratio)351.任意输入信号的分解及输入电压任意输入信号的分解及输入电压362.任意输入信号作用下，输出电压的计算任意输入信号作用下，输出电压的计算双端输出时的电路图双端输出时的电路图UCCRCUC2RLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo37单端输出时的电路图单端输出时的电路图UCCRCRLRCUC1Ui1Ui2REUEEV1V2Uo38如两端都不接地，这种接法称为如两端都不接地，这种接法称为双端输入双端输入；如信号源一端接地，这种接法称为如信号源一端接地，这种接法称为单端输入单端输入。UCCRCUC2RLRCUC1UiREUEEV1V2Uo3.关于关于只有一路只有一路信号源接入差动放大器信号源接入差动放大器UCCRCUC2RLRCUC1UiREUEEV1V2Uo39 5.3.3具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路图图5.4.3所示的基本差动放大器，存在两个缺所示的基本差动放大器，存在两个缺点：点：一是共模抑制比做不高，一是共模抑制比做不高，若若UEE=15V，则室温下，则室温下，KCMR(单单)的上限约为的上限约为300，而与，而与RE的取值无关。的取值无关。40二是不允许输入端有较大的共模电压变化。二是不允许输入端有较大的共模电压变化。公共射极电位变化公共射极电位变化差放管的静态工作电流变化差放管的静态工作电流变化rbe改变改变41RCRCUi1V1V2UoUi2 UEEIUCCRCUC2RCUC1Ui1V1V2Uoc UEEV3UB3R1R2R3Ui2UCC图图5.15具有电流源的差动放大器电路具有电流源的差动放大器电路(a)用单管电流源代替用单管电流源代替RE的差动电路的差动电路(b)电路的简化表示电路的简化表示恒流源恒流源42静态工作点的估算：静态工作点的估算：43一、共模抑制比可做的非常高；一、共模抑制比可做的非常高；二、允许输入端有较大的共模电压变化。二、允许输入端有较大的共模电压变化。Auc0、Auc（单）单）0KCMR、KCMR（单）单）高高电流源的输出电阻非常大电流源的输出电阻非常大rbe几乎不几乎不变变445.3.4差动放大器的传输特性差动放大器的传输特性(Transfer Characteristic)图图5.16简化的差动放大器简化的差动放大器RCRCuidV1V2uo UEEIUCCiC2iC14546RCRCuidV1V2uoUEEIUCCiC2iC147iC1,iC2IiC1iC2iC1iC26UT/4UT2UT02UT4UT6UTuidQI2(a)电流传输特性曲线电流传输特性曲线48(b)电压传输特性曲线电压传输特性曲线 图图5.17差动放大器的传输特性曲线差动放大器的传输特性曲线uoIRC6UT/4UT2UT02UT4UT6UTuid IRC49一、两管集电极电流之和恒等于一、两管集电极电流之和恒等于I二、传输特性具有非线性特性二、传输特性具有非线性特性当当uid=0时，差动电路处于静态，这时时，差动电路处于静态，这时iC1=iC2=ICQ=I/21.在静态工作点附近，当在静态工作点附近，当|uid|UT，即室温下，即室温下，uid在在26mV以内时，以内时，传输特性近似为一段直线传输特性近似为一段直线。2.当当|uid|4 UT,即即uid超过超过100mV时，传输特性明时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。显弯曲，而后趋于水平。50三、差动放大器的增益与三、差动放大器的增益与I成正比成正比双端输出时跨导双端输出时跨导单端输出时跨导单端输出时跨导51RCRCuidV1V2uoUEEIUCCiC2iC1差差动动放放大大器器的的跨跨导导与与单单级级共共射射电电路路的的跨跨导导相相等等，从从增增益益的的角角度度看看，相相当当于一级共射电路。于一级共射电路。52-实实现现了了两两个个模模拟拟信信号号电电压压相相乘乘53 5.3.5差动放大器的失调及温漂差动放大器的失调及温漂一、差动放大器的失调一、差动放大器的失调当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。种现象，称为差动放大器的失调。与失调有关的具体因素：与失调有关的具体因素：54实际实际差分差分放大放大器器RSRS+-UOOS(a)无失无失调差调差分放分放大器大器RSRS+-UOOS(b)+-UIOS图图1 实际差动电路的失调电压和失调电流实际差动电路的失调电压和失调电流总输入失调电压总输入失调电压-总输出失调电总输出失调电压压-差模源电压增差模源电压增益益55UOOSRSRS+-(c）实际差分放大器实际差分放大器+-UIO无无失失调调差差分分放放大大器器图图1 实际差动电路的失调电压和失调电流实际差动电路的失调电压和失调电流IIO：RS很大并接近开路很大并接近开路时的输入失调参数；时的输入失调参数；UIO：RS为为0时的输入时的输入失调参数；失调参数；IIO、UIO：差分放大差分放大器的固有参数。器的固有参数。利用戴维南等效定理可得利用戴维南等效定理可得a、b两点间开路电压两点间开路电压ba56RCRCRCUiV1V2Uo UEEIUCCIB2IIO2IIO2UIOIB1图图5.19差动电路的失调电压和失调电流差动电路的失调电压和失调电流 补偿电压补偿电压补偿电流补偿电流RSRSIBIB575859RCRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRCV1V2Uo UEEIUCCRWRSRSRC图图5.20差动放大器的调零电路差动放大器的调零电路 (a)射极调零射极调零(b)集电极调零集电极调零 60 二、失调的温度漂移二、失调的温度漂移(Temperature Drift)615.4 集成运算放大器的输出级电路集成运算放大器的输出级电路UCCUoV1V2RLUCCUi 图图5.21 互补对称型射极互补对称型射极 62图图5.22 交越失真产生的原因及波形交越失真产生的原因及波形硅管导通电压，约为硅管导通电压，约为0.5V,在在0.5-0.5V之间，两管的输出之间，两管的输出电流近似为零。电流近似为零。63RCVD1VD2V1V2V3UCCUiRL UEERCV1V2V3UCCUiAI1I2R1R2BRL UEEV4图图5.23克服交越失真的互补电路克服交越失真的互补电路(a)二极管偏置方式二极管偏置方式(b)模拟电压源偏置方式模拟电压源偏置方式64uiduoUOHUOL线性区线性区Aud越大，运放的线性范围越小。越大，运放的线性范围越小。5.5集成运放的外部集成运放的外部 特性特性 及其理想化及其理想化若若UOH=-UOL=12V，Aud=105，uid在在什么范围内，运放工作在线性区间什么范围内，运放工作在线性区间?答答:|ui|UIO时，时，失调电流失调电流 IIO IB1 IB272六、六、差模输入电阻差模输入电阻Rid 七、共模输入电阻七、共模输入电阻Ric八、八、输出电阻输出电阻Ro九、输入电压范围九、输入电压范围十、带宽十、带宽 十一、转换速率十一、转换速率(压摆率压摆率)SR十二、静态功耗十二、静态功耗Pc 十三、电源电压抑制比十三、电源电压抑制比PSRR 7374R1R2ICR3UEERBR3rbeIbrceUoIbIo图图5.2单管电流源电路单管电流源电路75图图5.8 威尔逊电流源威尔逊电流源 76(1)(2)(3)RrR3rbeIb3rceUoIorbeI b2I b2rbeI b1I b1I b377(4)(5)(6)7879以以平面工艺为基础的半导体集成电路的制造工艺平面工艺为基础的半导体集成电路的制造工艺1.由外延、氧化、光刻、扩散和薄膜淀积（或由外延、氧化、光刻、扩散和薄膜淀积（或叫蒸铝）五种基本技术组成平面工艺。叫蒸铝）五种基本技术组成平面工艺。2.采用采用PN结隔离技术和介质隔离技术。结隔离技术和介质隔离技术。3.NPN型晶体三极管是最基本的器件；型晶体三极管是最基本的器件；PNP型晶体三极管有纵向和横向两种结构，由于发射型晶体三极管有纵向和横向两种结构，由于发射区不是高掺杂的，因而，它们的区不是高掺杂的，因而，它们的值极低，约在值极低，约在220之间。横向之间。横向PNP型管的型管的值更低，典型值为值更低，典型值为35。804.电阻通常有扩散电阻和金属膜电阻两类。电阻通常有扩散电阻和金属膜电阻两类。扩散电阻就是杂质半导体的体电阻，由标准扩散电阻就是杂质半导体的体电阻，由标准N+扩散流程形成的扩散流程形成的N+区区电阻的阻值一般为电阻的阻值一般为20100，由标准由标准P扩散流程形成的扩散流程形成的P区电阻的阻值区电阻的阻值一般为一般为10020K，阻值的误差较大，约为阻值的误差较大，约为20%。利用标准的薄膜沉积流程在二氧化硅表面层利用标准的薄膜沉积流程在二氧化硅表面层上淀积一层金属膜作为电阻。上淀积一层金属膜作为电阻。815.一般电容都是一般电容都是PN结（特别是发射结）在反结（特别是发射结）在反向偏置时的结电容，也可用向偏置时的结电容，也可用MOS电容，这是以电容，这是以SiO2为介质的电容器。一般电容量不宜超过为介质的电容器。一般电容量不宜超过100pF。82对单级对单级放大器，当在晶体三极管的发射结上放大器，当在晶体三极管的发射结上加上恒压源及正弦信号电压时，由于伏安特性的加上恒压源及正弦信号电压时，由于伏安特性的非线性，将使集电极电流非线性，将使集电极电流ic中中除了直流和基波分除了直流和基波分量之外，还包含各次谐波分量，若要求二次谐波量之外，还包含各次谐波分量，若要求二次谐波振幅为基波振幅的振幅为基波振幅的2.5%，则允许信号电压的振，则允许信号电压的振幅为：幅为：Usm2.6mVT=300K时，时，kT/q=0.026V8384差动电路特点差动电路特点要求两管（要求两管（VT1、VT2）对称对称其它元件也对称其它元件也对称 长尾电阻长尾电阻正、负正、负 双电源双电源有两个输入端和两个输出端有两个输入端和两个输出端85RSRS+-实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图+-UIO无失调差分放大器IIO2IIO2UIOIB1IBIBIB2补偿电流补偿电流补偿电压补偿电压失调电压失调电压(Offset Voltage)失调电流失调电流86