集成电路运算放大器--课件

第六章第六章集成电路运算放大器集成电路运算放大器在在半半导导体体制制造造工工艺艺的的基基础础上上，把把整整个个电电路路中中的的元元器器件件制制作作在在一一块块硅硅基基片片上上，构构成成特特定定功功能能的的电电子子电电路路，称为集成电路。称为集成电路。在模拟集成电路中，集成运算放大器在模拟集成电路中，集成运算放大器(简称集成运简称集成运放放)是应用极为广泛的一种器件，是一种高放大倍是应用极为广泛的一种器件，是一种高放大倍数的多级直接耦合的放大电路，其电压放大倍数可数的多级直接耦合的放大电路，其电压放大倍数可高达高达107。本章首先讨论集成运放的基本单元电路，然后介本章首先讨论集成运放的基本单元电路，然后介绍通用型运算放大器及其性能指标。绍通用型运算放大器及其性能指标。1ppt课件第六章第六章集成电路运算放大器集成电路运算放大器与与分分立立元元件件电电路路相相比比，模模拟拟集集成成电电路路有有以以下下几几方面的特点：方面的特点：(1)级间采用直接耦合方式级间采用直接耦合方式(2)电路结构与元件参数具有对称性电路结构与元件参数具有对称性(3)用有源器件代替无源器件用有源器件代替无源器件(4)采用复合管结构的电路采用复合管结构的电路(5)电电路路大大都都采采用用晶晶体体管管的的发发射射结结构构成成二二极极管管，用作温度补偿元件或电位移动电路。用作温度补偿元件或电位移动电路。2ppt课件6.1差动放大电路差动放大电路集成电路运算放大器是一种具有集成电路运算放大器是一种具有高放大倍数高放大倍数的的多级多级直接耦合直接耦合放大电路。放大电路。当多级直接耦合放大电路的输入端短路当多级直接耦合放大电路的输入端短路(u ui i0)0)，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为地变化着，这种现象就称为零点漂移零点漂移。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。抑制零点漂移要着重于第一级。有效的措施之一是抑制零点漂移要着重于第一级。有效的措施之一是采用差动放大电路，因而差动放大电路成为集成运采用差动放大电路，因而差动放大电路成为集成运放的主要组成单元。放的主要组成单元。3ppt课件6.1.1基本差动放大电路基本差动放大电路 图图中中所示是一个基本所示是一个基本差动放大电路，又称为差动放大电路，又称为长尾式差动放大电路，长尾式差动放大电路，其结构特点是：其结构特点是：对称，即对称，即Rs1=Rs2=Rs，Rc1=Rc2=Rc，1=2=，UBEl=UBE2=UBE两个输入端两个输入端u ui1i1和和u ui2i2两个输出端两个输出端u uo1o1和和u uo2o24ppt课件6.1.1基本差动放大电路基本差动放大电路1.1.静态分析静态分析(ui1=ui2=0)对称对称IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC对输入电路对输入电路RsIB+UBE+2ReIE1=UEE有有UE=2 2IE1Re-UEE2 2ICRe-UEEIBIC/UC=UCCRcICuO=UC1-U C2=0 5ppt课件抑制零点漂移的作用抑制零点漂移的作用1）电路的对称性有效抑制了零点漂移；）电路的对称性有效抑制了零点漂移；2）RE引入的电引入的电流负反馈，稳定电路工作点，抑制流负反馈，稳定电路工作点，抑制单个管子的零点漂移。单个管子的零点漂移。3）电源（）电源（-UEE）的作用是：）的作用是：a）对三极管）对三极管T 1、T 2提供基极电流；提供基极电流；b）补偿）补偿I E在在RE上产生的直流压降，使上产生的直流压降，使UE=0，则则UCE=UC，输出电压有较大的变化范围。，输出电压有较大的变化范围。6ppt课件2.动态分析动态分析差差动动放放大大电电路路的的输输入入信信号号可可以以分分为为两两种种类类型型：共共模模信号和差模信号。信号和差模信号。当当两两个个输输入入端端的的信信号号为为ui1-ui2uid/2时时，输输入入方方式称为差模输入。式称为差模输入。uidui1-ui2称为差模信号。称为差模信号。当当两两个个输输入入信信号号为为ui1ui2uic，uic称称为为共共模模信信号号，其其输输入入方方式式称称为为共共模模输输入入。uic的的作作用用与与温温度度影影响响相相似似，所所以以常常常常用用对对共共模模信信号号的的抑抑制制能能力力来来反反映映电路对零漂的抑制能力。电路对零漂的抑制能力。7ppt课件2.动态分析动态分析当当两两个个输输入入端端各各加加一一个个任任意意的的信信号号电电压压ui1和和ui2，这这两两个个输输入入信信号号可可以以分分解解为为差差模模信信号号和和共共模模信信号号，uidui1-ui2uic=(ui1+ui2)/2两个输入电压可用共模和差模信号表示，两个输入电压可用共模和差模信号表示，ui1uic+uid/2/2ui2=uic-uid/2/2在在差差模模信信号号和和共共模模信信号号同同时时存存在在的的情情况况下下，对对于于线线性性放放大大电电路路来来说说，可可利利用用叠叠加加原原理理来来求求出出总总的的输输出电压。出电压。uo=Auduid+AucuicAud=uoduid为差模电压放大倍数为差模电压放大倍数Auc=uocuic为共模电压放大倍数。为共模电压放大倍数。8ppt课件主要技术指标的计算主要技术指标的计算(1)(1)共模电压放大倍数共模电压放大倍数双端输入、双端输出双端输入、双端输出若电路的完全对称有，若电路的完全对称有，uic=ui1=ui2ue=ieRe=2Reie1uoc=0Auc=uoc/uic=0=0共模电压放大倍数越小，说明放大电路的性能越好。共模电压放大倍数越小，说明放大电路的性能越好。共模输入信号时的信号通路共模输入信号时的信号通路9ppt课件主要技术指标的计算主要技术指标的计算(1)(1)共模电压放大倍数共模电压放大倍数单端输出单端输出Auc1=Auc2=uoc1/uic=-Rc/(Rs+rbe+(1+)2Re)一般情况下，一般情况下，(1+)2Re(rbe+Rs)，1Auc1=Auc2-Rc/2ReRe越大，越大，ie的恒流性能越好，的恒流性能越好，Auc1越小，说明它抑制共越小，说明它抑制共模信号的模信号的能力越强。能力越强。共模输入信号时的信号通路共模输入信号时的信号通路10ppt课件(2)(2)差模电压放大倍数差模电压放大倍数双端输入、双端输出双端输入、双端输出ui1=-ui2，ie1=-ie2，ie=0=0差模信号对差模信号对R Re e不起作用，不起作用，R Re e可视为短路，可视为短路，差模电压差模电压放大倍数与单边放大电路放大倍数与单边放大电路的电压放大倍数相同的电压放大倍数相同。Aud=uo/uid=(uo1-uo2)/uid=uo1/ui1=-Rc/(Rs+rbe)当集电极当集电极c1c1、c2c2间接入负载间接入负载电阻电阻R RL L时，电压放大倍为时，电压放大倍为 Aud=-RL/(Rs+rbe)RL=Rc/（RL/2）差模信号通路差模信号通路11ppt课件(2)(2)差模电压放大倍数差模电压放大倍数双端输入、双端输入、单端输出单端输出uo1=uo/2(同相同相),或或uo2=-uo/2(反相反相)单端输出单端输出电压放大倍数只电压放大倍数只有双端输出时的一半有双端输出时的一半。Aud1=uo1/uid=Aud/2=-Aud2=-Rc/2(Rs+rbe)若从集电极若从集电极c1c1或或c2c2点与地之点与地之间接入负载电阻间接入负载电阻R RL L时时Aud1=-Aud2=-RL/2(Rs+rbe)RL=Rc/RL 差模信号通路差模信号通路12ppt课件(2)(2)差模电压放大倍数差模电压放大倍数单单端输入端输入(设设ui2=0)uid=ui1-ui2=ui1uic=(ui1+ui2)/2=ui1/2一方面：若电路完全对称，一方面：若电路完全对称，ui1=uic+uid/2uid/2ui2=uic-uid/2-uid/2单端输入可等效为双端输入。单端输入可等效为双端输入。另方面：若满足另方面：若满足Rerbeie=ue/Re0，所以，所以，uid近似地近似地均分在两管的输入回路上均分在两管的输入回路上。结论：结论：差模电压放大倍数仅与输出形式有关，双端输出，差模电压放大倍数仅与输出形式有关，双端输出，电压放大倍数电压放大倍数Aud与单边放大电路相同；单端输出，与单边放大电路相同；单端输出，Aud1=-Aud2=Aud/2，而输入电阻都是相同的。，而输入电阻都是相同的。差模信号通路差模信号通路13ppt课件(3)(3)共模抑制比共模抑制比KCMR 为了衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，常为了衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来，其定义为用共模抑制比作为一项技术指标来，其定义为KCMR=|Aud/Auc|或或KCMR=20lg|Aud/Auc|dB若差动放大电路完全对称，双端输出时，若差动放大电路完全对称，双端输出时，KCMR=|Aud/Auc|单端输出时，单端输出时，KCMR=|Aud/Auc|=(Rs+rbe+(1+)2Re)/2(Rs+rbe)一般有一般有(1+)2Re(rbe+Rs)，1，所以所以KCMR=Re/(Rs+rbe)单端输出时，总输出电压为单端输出时，总输出电压为uo1=uidAud1+uic1Auc1=uidAud1(1+(1+uic/(uidKCMR)14ppt课件(4)输入电阻输入电阻差动放大器的输入电阻分为差模输入电阻差动放大器的输入电阻分为差模输入电阻rid和和共模输入电阻共模输入电阻ric。rid=uid/iid无论单、双端输入无论单、双端输入，都有，都有uid=ui1ui2=ib1(Rs+rbe)ib2(Rs+rbe)iid=ib1=ib2rid=uid/iid=2(Rs+rbe)在对称的条件下，无论在对称的条件下，无论单、双输入，单、双输入，rid是其单边差是其单边差模信号通路输入电阻的模信号通路输入电阻的2倍倍15ppt课件(4)输入电阻输入电阻ric=uic/iicuic=ui1=ui2=ib1(Rs+rbe)+ib1(1+)2(1+)2Reiic=ib1+ib2=2ib1ric=uic/iic=(Rs+rbe)+(1+)2(1+)2Re/2 对称的条件下，共模对称的条件下，共模输入电阻输入电阻ric是其单边共模是其单边共模信号通路输入电阻的一半。信号通路输入电阻的一半。16ppt课件(5)差模输出电阻差模输出电阻差模输出电阻差模输出电阻ro是在差模信号作用下从是在差模信号作用下从RL两端两端向放大器看去的等效电阻。向放大器看去的等效电阻。因为差动放大电路由两边对称的共射极电路组因为差动放大电路由两边对称的共射极电路组成，可用共射极电路来分析，所以成，可用共射极电路来分析，所以 双端输出电阻双端输出电阻r ro o=2 R=2 Rc c 单端输出电阻单端输出电阻r ro o=R=Rc c17ppt课件6.1.2恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路长尾式差动放大电路，长尾式差动放大电路，由于接入由于接入Re提高了共提高了共模信号的抑制能力，模信号的抑制能力，且且Re愈大，抑制能力愈大，抑制能力愈强。愈强。若若Re增大，则增大，则Re上的直上的直流压降增大，为了保流压降增大，为了保证管子工常工作，必证管子工常工作，必须提高须提高UEE值，这是不值，这是不合算的。合算的。为此希望有这样一种器为此希望有这样一种器件：交流电阻件：交流电阻r大，而大，而直流电阻直流电阻R小。小。18ppt课件恒流源电路的等效电阻计算恒流源电路的等效电阻计算T3构成的恒流源，输出电阻构成的恒流源，输出电阻r ro3o3由微变等效电路计算。由微变等效电路计算。输出回路输出回路u uo o=(i=(io o-i-ib3b3)r)rce ce+(i+(io o+i+ib3b3)R)R3 3 输入回路输入回路 i ib3b3(r(rbebe+R+R1 1/R/R2 2)+(i)+(io o+i+ib3b3)R)R3 3=0=0 19ppt课件6.2集成电路运算放大器中的电流源集成电路运算放大器中的电流源恒流源电路使用电阻较多，且作为恒流源的管子，恒流源电路使用电阻较多，且作为恒流源的管子，它的它的UBE还要受温度的影响，因此抑制零漂不够还要受温度的影响，因此抑制零漂不够理想。理想。在电子电路特别是模拟集成电路中，广泛使用的另在电子电路特别是模拟集成电路中，广泛使用的另一种单元电路是电流源，它为放大电路提供稳定一种单元电路是电流源，它为放大电路提供稳定的偏置电流，或作放大电路的有源负载。的偏置电流，或作放大电路的有源负载。利用晶体管输出特性具有恒流的特点，采用适当的利用晶体管输出特性具有恒流的特点，采用适当的辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。辅助电路可以使其恒流特性更接近于理想情况。20ppt课件6.2.1镜像电流源镜像电流源T1、T2特性完全相同，有特性完全相同，有1=2=，UBE1=UBE2=UBE，IElIE2。RL是后级电路的等是后级电路的等效电阻，效电阻，R称作限流电阻。称作限流电阻。对整个对整个T1管应用管应用KCL，有，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+2IB2=(1+2/)IC2当当2，IRIo=IC2而而IR=(UCC-UBE)/R所以，当所以，当R确定后，确定后，IR就确定了，就确定了，Io也随之而定，也随之而定，Io就如同就如同IR在镜子中的影像一样，故称该电路为镜像电流源，在镜子中的影像一样，故称该电路为镜像电流源，IR称作电称作电流源的基准电流。流源的基准电流。在在UCCUBE的条件下，的条件下，IoUCC/R与晶体管的参数无关，具与晶体管的参数无关，具有很好的温度稳定性和较好的恒流特性。有很好的温度稳定性和较好的恒流特性。21ppt课件6.2.2微电流源微电流源镜像电流源电路适用于镜像电流源电路适用于较大工作电流较大工作电流(毫安数量级毫安数量级)的场合，为了减少的场合，为了减少IC2的值，的值，得到微安数量级的输出电流，得到微安数量级的输出电流，而又不使限流电阻而又不使限流电阻R过大，过大，可采用微电流源电路。可采用微电流源电路。与镜像电流源相比，在与镜像电流源相比，在T2的的 射射极电路接入电阻极电路接入电阻Re2，用来控制，用来控制Io的大小。的大小。I IE2E2 R Re2e2=U=UBE1BE1-U-UBE2BE2=U UBEBE，而，而I IC2C2IIE2E2=U=UBEBE/R/Re2e2利用两管基利用两管基射极电压差射极电压差U UBEBE可以控制输出电流可以控制输出电流I IC2C2=I=Io o。由于。由于U UBEBE的数值小，故用阻值不大的的数值小，故用阻值不大的R R e2 e2即即可获得微小的输出电流。可获得微小的输出电流。22ppt课件输出电流输出电流Io与基准电流与基准电流IR的关系的关系T1和和T2发射结是正向偏置，发射结是正向偏置，有有IE=ISeUBE/UT，IS1=IS2，UBE1UTlnIE1/ISUBE2UTlnIE2/ISUBE=UTlnIE1/IE2又又IC2=IoIE2，IE1IR，IoIE2=UBE/Re2=UT/Re2lnIR/IoIRUUCCCC/R/R当基准电流当基准电流I IR R和所需要的输出电流和所需要的输出电流I Io o确定以后，确定以后，由上两式可以很容易地求得由上两式可以很容易地求得R Re2e2及限流电阻及限流电阻R R的值。的值。23ppt课件6.2.3多路电流源多路电流源用一个基准电流去控制多个输出电流，就构成了用一个基准电流去控制多个输出电流，就构成了多路电流源多路电流源当当较大时，有较大时，有IEICIR由于各管的由于各管的、UBE相相同，则同，则IERe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3IRRe所以所以IC1IE1=IRRe/Re1，IC2IE2=IRRe/Re2，IC3IE3=IRRe/Re3当当IR确定后，改变各确定后，改变各Rei ，可获得不同的输出电流。，可获得不同的输出电流。24ppt课件6.3复合管电路复合管电路为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数。合管，以得到较大的电流放大系数。1.1.复合管的组成形式复合管的组成形式一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类型一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类型可以相同，也可不同。可以相同，也可不同。组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结反状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结反向偏置。向偏置。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。25ppt课件26ppt课件2.2.复合管的主要参数复合管的主要参数复合管的主要参数是等效电流放大系效复合管的主要参数是等效电流放大系效和等效和等效输入电阻输入电阻rbe。由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积，即乘积，即12。（a a）(b)(b)两种接法的复合管中，两种接法的复合管中，T T1 1管是共集电极组管是共集电极组态，而态，而r rbe2be2是是T T1 1管的射极电阻，所以复合管等效输管的射极电阻，所以复合管等效输入电阻为入电阻为r rbebe=r=rbe1be1+（1+1+）r rbe2be2，。，。（c）(d)两种接法的复合管中两种接法的复合管中,rbe=rbe1。27ppt课件6.5集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数1开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod是是指指集集成成运运放放工工作作在在线线性性区区，接接入入规规定定的的负负载载，无无负负反反馈馈情况下的直流差模电压放大倍数。情况下的直流差模电压放大倍数。2最大输出电压最大输出电压Uop-p最最大大输输出出电电压压是是指指在在额额定定的的电电压压下下，集集成成运运放放的的最最大大不不失失真真输输出出电电压压的的峰峰一一峰峰值值。用用集集成成运运放放的的传传输输特特性性曲曲线线表表示示Uop-p的的影响。影响。3最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax所指的是集成运放的反相和所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大同相输入端所能承受的最大电电压值。压值。4最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax这是指运放所能承受的最大这是指运放所能承受的最大共模输入电压。共模输入电压。UoUidUOM=Uop-p/2-UOM0线性区线性区28ppt课件小结小结1.集成电路运算放大器的特点是，高电压放大倍数、直接集成电路运算放大器的特点是，高电压放大倍数、直接耦合、多级放大。耦合、多级放大。2.差动放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，差动放大电路是集成电路运算放大器的重要组成单元，它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它对差模信号它既能放大直流信号，又能放大交流信号；它对差模信号具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能具有很强的放大能力，而对共模信号却具有很强的抑制能力。力。3.基本差动放大电路（或称为长尾式差动放大电路）是靠基本差动放大电路（或称为长尾式差动放大电路）是靠以下两方面来抑制零漂：一是利用了电路的对称性；二是以下两方面来抑制零漂：一是利用了电路的对称性；二是射极接了大电阻射极接了大电阻Re，引进了共模电流负反馈，从单管着手，引进了共模电流负反馈，从单管着手，稳定静态工作点。稳定静态工作点。4.差动放大电路有两个输入端差动放大电路有两个输入端ui1和和ui2，两个输入信号的差，两个输入信号的差值称为差模输入信号值称为差模输入信号uid=ui1-ui2；两个输入信号的算术平均；两个输入信号的算术平均值称为共模输入信号值称为共模输入信号uic=(ui1+ui2)/2。任意两个输入信号。任意两个输入信号ui1和和ui2都可用差模信号和共模信号表示，即都可用差模信号和共模信号表示，即ui1=uic+uid/2，ui2=uic-uid/2。当。当ui1=-ui2=uid/2称为差模输入方式；称为差模输入方式；ui1=ui2=uic称为共模输入方式称为共模输入方式29ppt课件小结小结5.差动放大电路的静态分析方法与第二章基本放大电路的差动放大电路的静态分析方法与第二章基本放大电路的分析方法在本质上是一样的，不过要注意两点（以长尾式分析方法在本质上是一样的，不过要注意两点（以长尾式差放为例）：差放为例）：（1）静态时静态时T1、T2的输入端应接地。的输入端应接地。（2）Re应折合到射极支路，其值为应折合到射极支路，其值为2Re。6.动态分析中，由于差放电路完全对称，只进行半边电路的动态分析中，由于差放电路完全对称，只进行半边电路的分析即可。画半边电路的信号通路时要注意以下几点：分析即可。画半边电路的信号通路时要注意以下几点：（1）求求差差模模特特性性参参数数时时，要要正正确确画画出出接接地地点点：电电源源为为信信号号地地；双双端端输输出出时时RL的的中中点点为为地地；Re的的上上端端电电位位为为地地。这这样样在在求求Aud时时，双双端端输输出出可可按按单单管管求求解解。注注意意：这这时时。单单端端输输出出时时Aud为为单单管管放放大大倍倍数数的的1/2，注注意意：这这时时若若RL有有一一端端接接地地，则则，而而rid是是两两半半边边电电路路输输入入电电阻阻的的串串联联电电阻阻，即即半半边边电路输入电阻的两倍。电路输入电阻的两倍。30ppt课件小结小结（2）求共模特性参数时，）求共模特性参数时，Re的上端不为地电位。应当折算的上端不为地电位。应当折算到半边电路的射极到半边电路的射极，大小为，大小为2Re。在单端输出的情况下，。在单端输出的情况下，Auc为半边电路的放大倍数为半边电路的放大倍数0，双端输出时，双端输出时Auc=0。ric是两是两半边电路输入电阻的并联电阻，即为半边电路输入电阻的半边电路输入电阻的并联电阻，即为半边电路输入电阻的1/2。7.电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是电流源电路是模拟集成电路的基本单元电路，其特点是直流电阻较小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。常直流电阻较小，交流电阻很大，并具有温度补偿作用。常用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级用来作为放大电路的有源负载和决定放大电路各级Q点的点的偏置电路。偏置电路。31ppt课件