第6章-集成电路运算放大器课件.pptx

1、2023-5-13第6章集成电路运算放大器1v集成电路：集成电路：v把整个电路中的元器件，制作在一块硅基把整个电路中的元器件，制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，这样的片上，构成特定功能的电子电路，这样的“硅片硅片”，称为集成电路。，称为集成电路。v集成电路特点：集成电路特点：体积小，性能很好体积小，性能很好。v集成电路分类：集成电路分类：模拟集成电路模拟集成电路和和数字集成电数字集成电路路。2023-5-13第6章集成电路运算放大器2v模拟集成电路：运算放大器、宽频带模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数

2、模转换器、稳压电拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源、和音像设备中常用的其他模拟集成源、和音像设备中常用的其他模拟集成电路。电路。v此类集成电路中，集成运算放大器此类集成电路中，集成运算放大器(集集成运放成运放)应用最为广泛。应用最为广泛。2023-5-13第6章集成电路运算放大器3v本章主要内容：本章主要内容：集成运放的基本单元电路及其分析集成运放的基本单元电路及其分析方法方法(掌握掌握)，典型集成运放及性能指，典型集成运放及性能指标标(了解了解)，几种专用型集成运放，几种专用型集成运放(了了解解)。2023-5-13第6章集成电路运算放大器4序序v1.模拟集成电路：模拟集成电路：v一般是由

3、一块厚度为一般是由一块厚度为0.20.25mm的的P型硅片上，制作成具有一定功能的电型硅片上，制作成具有一定功能的电路，这样的路，这样的P型硅片，就称为集成电路。型硅片，就称为集成电路。它可分为：它可分为：2023-5-13第6章集成电路运算放大器5v小规模集成电路：小规模集成电路：十几十十几十个元件；个元件；v中规模集成电路：中规模集成电路：几十个几百个几十个几百个元件元件；元件元件；v大规模集成电路：大规模集成电路：几百个几千个几百个几千个元件；元件；v超大规模集成电路：超大规模集成电路：几千个几千个以上元件；以上元件；v美国预计，到美国预计，到2010年集成度将达到年集成度将达到10亿个

4、。亿个。2023-5-13第6章集成电路运算放大器6v2.模拟集成电路的特点：模拟集成电路的特点：v(1).电路结构与元件参数具有电路结构与元件参数具有对称性对称性；v(2).用用有源器件有源器件代替代替无源器件无源器件；v如：电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值如：电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值一般为几十欧一般为几十欧20k,高阻值电阻多用高阻值电阻多用BJT或或FET等有源器件组成的恒流源来代替。等有源器件组成的恒流源来代替。2023-5-13第6章集成电路运算放大器7v(3).采用复合结构的电路；采用复合结构的电路；v多采用多采用复合管、共射共基、共集共基复合管、共射共基、共集共基等等

5、组合电路。组合电路。v(4).级间采用级间采用直接耦合直接耦合方式；方式；v电路中的电容不大，约在几十电路中的电容不大，约在几十pF，常用，常用PNJ的结电容构成，误差也较大。电感制造更困的结电容构成，误差也较大。电感制造更困难，级间都采用直接耦合。难，级间都采用直接耦合。2023-5-13第6章集成电路运算放大器8v(5).二极管大都采用二极管大都采用BJT的的发射结发射结构成。构成。v集成运放的基本单元电路：电流源和差集成运放的基本单元电路：电流源和差分放大电路。分放大电路。2023-5-13第6章集成电路运算放大器96.1电流源电路电流源电路v1.镜像电流源镜像电流源电路如图电路如图6.

6、1.1所示。所示。设电路完全对称，即设电路完全对称，即T1、T2的参数完全相同的参数完全相同(12，ICEO1ICEO2，VBE1VBE2，IE1 IE2 ，IC1IC2)，图中，图中IREF为基准电流。当为基准电流。当BJT的的值较大时，值较大时，IB可以忽略，有：可以忽略，有：转转122023-5-13第6章集成电路运算放大器102023-5-13第6章集成电路运算放大器11).(CCBECCREFC2116RVRVVII由由(6.1.1)式可以看出，当式可以看出，当R确定以后，确定以后，IREF也就确定，也就确定，IC2随之确定，随之确定，可把可把IC2看看作是作是I REF的镜像的镜像

7、，所以称图，所以称图6.1.1为镜像电为镜像电流源。流源。2023-5-13第6章集成电路运算放大器12v由于由于T1管对管对T2管有温补作用，管有温补作用，IC2的稳定的稳定性也较好。但由于受电源的影响较大，性也较好。但由于受电源的影响较大，故要求故要求电源十分稳定电源十分稳定。v当当不够大时，不够大时，IC2 与与IREF就存在一定的就存在一定的误差，可采用图误差，可采用图6.1.2所示电路。所示电路。2023-5-13第6章集成电路运算放大器132023-5-13第6章集成电路运算放大器14v该电路利用该电路利用T3的电流放大作用，减小的电流放大作用，减小IB对对IREF的分流作用，从而

8、提高了的分流作用，从而提高了IC2与与IREF 互成镜像的精度。为了避免互成镜像的精度。为了避免T3 的电流过的电流过小而使小而使3下降，下降，T3 的射极常加一电阻的射极常加一电阻Re3，使，使IE3增大。增大。2023-5-13第6章集成电路运算放大器15v适用范围：适用范围：该电流源适用于工作电流较大的场合该电流源适用于工作电流较大的场合(mA级级)。v工作电流较小时工作电流较小时(A级级)的电流源，应采的电流源，应采用微电流源。用微电流源。v2.2.微电流源微电流源v如图如图6.1.3所示。所示。2023-5-13第6章集成电路运算放大器162023-5-13第6章集成电路运算放大器1

9、7与图与图6.1.1相比，在相比，在T2的发射极回路串的发射极回路串接了一个发射极电阻接了一个发射极电阻Re2,当基准电流当基准电流IREF确定以后，确定以后，IC2可确定如下：可确定如下：VBE1VBE2VBEIE2Re2所以，所以，IC2IE2 VBERe2(6.1.2)2023-5-13第6章集成电路运算放大器18v由式由式(6.1.2)可知，利用两管基射极电可知，利用两管基射极电压差压差VBE可以控制输出电流可以控制输出电流IC2。由于。由于VBE 的数值小，用阻值不大的电阻的数值小，用阻值不大的电阻Re2，即可获得微小的工作电流，故称之为微即可获得微小的工作电流，故称之为微电流源。电

10、流源。vRe2 一般为数一般为数k，IC2 约为约为A级。级。2023-5-13第6章集成电路运算放大器19v例例6.1.1多路电流源如图多路电流源如图6.1.4所示。已所示。已知各知各BJT的参数的参数、VBE数值相同，求各数值相同，求各电流源电流源IC1、IC2、IC3与基准电流与基准电流IREF的关的关系。系。v解：解：v由由IREF ICIB0IC IB0 转转222023-5-13第6章集成电路运算放大器202023-5-13第6章集成电路运算放大器21得得IC IREF IB0v当当较大时，较大时，IC IREFv由于由于BJT的参数的参数、VBE数值相同，则：数值相同，则：vIE

11、Re IREFRe IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3 (6.1.3)2023-5-13第6章集成电路运算放大器22所以所以).(e3eREFE3C3e2eREFE2C2e1eREFE1C1416RRIIIRRIIIRRIII当当IREF确定以后，改变各电流源的射极电确定以后，改变各电流源的射极电阻，可获得不同的输出电流。阻，可获得不同的输出电流。2023-5-13第6章集成电路运算放大器23v3.3.有源负载有源负载v如图如图6.1.5所示。所示。vT1为放大管，为放大管，T2、T3组成镜像恒流源，组成镜像恒流源，作为作为T1管的交流负载。由于晶体管管的交流负载。由于晶体管c c、e

12、e间的交流电阻很大，以提高间的交流电阻很大，以提高T1管的放大管的放大倍数。倍数。转转262023-5-13第6章集成电路运算放大器242023-5-13第6章集成电路运算放大器256.26.2差分放大电路差分放大电路v差分放大电路功能：放大两个输入信号差分放大电路功能：放大两个输入信号之差。之差。v差分放大电路是集成运放的主要组成单差分放大电路是集成运放的主要组成单元。如图元。如图(6.2.1所示所示)2023-5-13第6章集成电路运算放大器26在电路完全对称的理想情况下，输出信号电在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为：压可表示为：voAVD(vi1vi2)(6.2.1)202

13、3-5-13第6章集成电路运算放大器27v式中式中AVD是差分放大电路的差模电压放是差分放大电路的差模电压放大倍数。由式中可以看出，大倍数。由式中可以看出，vi1、vi2中中所共有的任何信号对输出电压都不会产所共有的任何信号对输出电压都不会产生影响，但在一般情况下，实际的输出生影响，但在一般情况下，实际的输出电压不仅与两个信号的差电压不仅与两个信号的差(差模信号差模信号)有有关，而且与两个信号中的共有信号关，而且与两个信号中的共有信号(共模共模信号信号)有关。有关。2023-5-13第6章集成电路运算放大器28v1.差模信号差模信号v差模信号：大小相等，极性相反的一对信号，差模信号：大小相等，

14、极性相反的一对信号，称之为差模信号。可用下式表示：称之为差模信号。可用下式表示：vidvi1vi2 (6.2.2)v或或22idid2idid1vvvv2023-5-13第6章集成电路运算放大器29v2.2.共模信号共模信号v共模信号：大小相等，极性相同的一对共模信号：大小相等，极性相同的一对信号，称之为共模信号。可用下式表示：信号，称之为共模信号。可用下式表示：(6.2.3)或或vic1vic2 vic)(i2i1civvv22023-5-13第6章集成电路运算放大器30v3.两输入信号的表达式两输入信号的表达式v4.4.输出电压的表达式输出电压的表达式voAVDvidAVCvic(6.2.

15、6).().(idici2idici15262142621vvvvvv2023-5-13第6章集成电路运算放大器31v式中式中AVDvodvid为差模电压放大倍数为差模电压放大倍数(差模电压增益差模电压增益);vAVC vocvic 为共模电压放大倍数为共模电压放大倍数(共共模电压增益模电压增益)。2023-5-13第6章集成电路运算放大器32v由由(6.2.6)式可知，如果有两种情况的输入信式可知，如果有两种情况的输入信号：号：v一种：一种：vi1+50V，vi250V；v另一：另一：vi11050V，vi2950V；v尽管这两种情况下的差模信号尽管这两种情况下的差模信号vid100V是是相

16、同的，但其共模信号却不一致，前者相同的，但其共模信号却不一致，前者vic0，后者后者vic1000V。因而差分放大电路的输。因而差分放大电路的输出电压是不相同的。出电压是不相同的。2023-5-13第6章集成电路运算放大器336.2.16.2.1基本差分放大电路基本差分放大电路v如图如图6.2.2所示，是一个基本差分放大电路。所示，是一个基本差分放大电路。v1.电路组成电路组成v它由两个特性相同的它由两个特性相同的BJT T1、T2组成对称电组成对称电路，电路参数也完全对称，即路，电路参数也完全对称，即Rc1Rc2Rc等。电路中有两个电源等。电路中有两个电源+VCC和和 VCC(一般情一般情况

17、下，两电源的大小相等况下，两电源的大小相等)。转转362023-5-13第6章集成电路运算放大器34转转412023-5-13第6章集成电路运算放大器35v2.工作原理工作原理v(1)静态分析静态分析当无输入信号，即当无输入信号，即vi1vi20时，由于时，由于电路完全对称，电路完全对称，Rc1Rc2Rc，VBE1 VBE20.7V，2023-5-13第6章集成电路运算放大器36v这时，这时，iC1 iC2 ICI 0/2，IC1Rc1 IC2Rc2 ICRc，VC1VC2 VCC ICRc，vovC1vC20。由此可知，由此可知，vidvi1vi20时，输出信号时，输出信号电压电压vo也等于

18、零。也等于零。2023-5-13第6章集成电路运算放大器37v(2)(2)动态分析动态分析v当在电路的输入端输入一对当在电路的输入端输入一对大小相等大小相等，极性极性相反相反的的(差模差模)信号时，两管的电流：一管增信号时，两管的电流：一管增加，另一管减小加，另一管减小，vovC1 vC20，这一，这一对信号就是前述的对信号就是前述的差模信号差模信号。这种输入方式。这种输入方式称之为称之为差模输入差模输入。差分放大电路对差模信号差分放大电路对差模信号具有放大能力具有放大能力。2023-5-13第6章集成电路运算放大器38v2.2.抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理v零点漂移零点漂移(零漂零漂

19、)：当差分放大电路输入信号：当差分放大电路输入信号等于零时，输出电压偏离原来的初始值等于零时，输出电压偏离原来的初始值(参考参考电压电压)而上下漂动的现象。而上下漂动的现象。v如温度的变化而引起某放大电路输入级如温度的变化而引起某放大电路输入级Q点点变化，经后级放大而出现当输入电压为零时变化，经后级放大而出现当输入电压为零时输出电压不为零的现象，这就是零点漂移。输出电压不为零的现象，这就是零点漂移。2023-5-13第6章集成电路运算放大器39v在差分放大电路中在差分放大电路中,无论是无论是温度的变化还是电温度的变化还是电源电压的波动源电压的波动，都会引起两管集电极电流以，都会引起两管集电极电

20、流以及相应的集电极电压的变化，其效果相当于及相应的集电极电压的变化，其效果相当于在两输入端加入了在两输入端加入了共模信号共模信号，由于电路是对，由于电路是对称，共模输出电压称，共模输出电压voc0 0，从而抑制了零点，从而抑制了零点漂移。漂移。v实际情况，两管完全对称是不可能的，但抑实际情况，两管完全对称是不可能的，但抑制零漂的能力还是优于其他电路的。制零漂的能力还是优于其他电路的。2023-5-13第6章集成电路运算放大器40v3.主要性能指标的计算主要性能指标的计算v(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数(增益增益)va.双入双出时的差模电压放大倍数双入双出时的差模电压放大倍数v在图在图6

21、.2.2中，若输入为差模输入，即中，若输入为差模输入，即vi1vi2 vid/2，由于一管的电流增加时，另一，由于一管的电流增加时，另一管的电流减小，在电路完全对称的情况下，管的电流减小，在电路完全对称的情况下，iC1的增加量等于另一管的增加量等于另一管iC2的减小量，所以流的减小量，所以流过恒流源的电流过恒流源的电流I0不变，不变，ve0，故图，故图6.2.2的的交流通路如图交流通路如图6.2.3所示。所示。2023-5-13第6章集成电路运算放大器412023-5-13第6章集成电路运算放大器42当双端输出时，其差模电压放大倍数为：当双端输出时，其差模电压放大倍数为：当当c1、c2两点接入

22、负载电阻两点接入负载电阻 RL时，时，).()(Lbeci2o2i1o1i2i1o2o1idoD7262222时RrRvvvvvvvvvvAV).(beLD826rRAV2023-5-13第6章集成电路运算放大器43v其中，其中，RLRcRL/2。这是由于一管的电流。这是由于一管的电流增加时，另一管的电流减小，而增加时，另一管的电流减小，而c1、c2两点两点的电位向相反方向变化，即一边增量为正时，的电位向相反方向变化，即一边增量为正时，另一边增量为负，且大小相等，由此可见，另一边增量为负，且大小相等，由此可见，负载电阻的中点是交流地电位负载电阻的中点是交流地电位，所以在差分，所以在差分放大电路

23、的半边等效电路中，负放大电路的半边等效电路中，负 载电阻是载电阻是 RL/2。2023-5-13第6章集成电路运算放大器44v综上所述：在电路综上所述：在电路完全对称完全对称，双入双，双入双出的情况下，图出的情况下，图6.2.2的电压放大倍数的电压放大倍数(增益增益)与与半边电路的电压放大倍数半边电路的电压放大倍数(增增益益)相等相等。可见，该电路是。可见，该电路是以成倍的元以成倍的元器件来换取抑制零漂的能力的器件来换取抑制零漂的能力的。2023-5-13第6章集成电路运算放大器45b.b.双入单出时的差模电压放大倍数双入单出时的差模电压放大倍数v如果从某一个管的集电极输出电压如果从某一个管的

24、集电极输出电压(vo1或或vo2)，则称之为单端输出，则称之为单端输出(如图如图6.2.36.2.3)所示。所示。v此时，电路的电压放大倍数此时，电路的电压放大倍数(增益增益)只有双出只有双出时的一半，时的一半，(当当RL)时，即时，即).(becDD9262211rRAAVV转转482023-5-13第6章集成电路运算放大器462023-5-13第6章集成电路运算放大器47v当当RL)时时beLDrRAV21其中，其中，RL RcRL。2023-5-13第6章集成电路运算放大器48c.单入时的差模电压放大倍数单入时的差模电压放大倍数(如图如图6.2.4所示。所示。)v图中图中ro为恒流源的交

25、流电阻，其阻值一为恒流源的交流电阻，其阻值一般很大，容易满足般很大，容易满足rorbe的条件，这样的条件，这样可以认为可以认为ro对交流信号相当于开路，输对交流信号相当于开路，输入信号入信号vid近似地平分在两管的输入回路近似地平分在两管的输入回路上。上。转转512023-5-13第6章集成电路运算放大器492023-5-13第6章集成电路运算放大器50v图图6.2.4与图与图6.2.3相比可知：两电路中作用于相比可知：两电路中作用于be结上的信号分量基本上是一致的。即结上的信号分量基本上是一致的。即单端单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致致。v如

26、如ro足够大，则电路由双端输出时，其差模足够大，则电路由双端输出时，其差模电压放大倍数电压放大倍数(增益增益)与式与式(6.2.7)近似一致；而近似一致；而由单端输出时与式由单端输出时与式(6.2.9)近似一致；其他指近似一致；其他指标也基本一致。标也基本一致。2023-5-13第6章集成电路运算放大器51v(2)(2)共模电压放大倍数共模电压放大倍数(增益增益)va.a.双出时的共模电压放大倍数，如图双出时的共模电压放大倍数，如图6.2.5所示。所示。v当当vi1vi2vic时，由于时，由于vocvo1vo20，所以所以).(icoc2oc1icocC10260vvvvvAV转转542023

27、-5-13第6章集成电路运算放大器522023-5-13第6章集成电路运算放大器53v实际上，电路完全对称是不容易的，即实际上，电路完全对称是不容易的，即使这样，这种电路抑制共模信号的能力使这样，这种电路抑制共模信号的能力还是很强的。还是很强的。v共模电压放大倍数越小，放大电路的性共模电压放大倍数越小，放大电路的性能越好。能越好。2023-5-13第6章集成电路运算放大器54b.b.单出时的共模电压放大倍数单出时的共模电压放大倍数(增益增益)单出时的共模电压放大倍数单出时的共模电压放大倍数(增益增益)表示两表示两个集电极任一端对地的共模输出电压与共模个集电极任一端对地的共模输出电压与共模输入电

28、压之比，即输入电压之比，即).()(obecicoc2icoc1C1126211rrRvvvvAV一般情况下，一般情况下，(1+)2rorbe，11，故式，故式(6.2.11)可简化为可简化为2023-5-13第6章集成电路运算放大器55由上式可以看出，由上式可以看出，ro越大，恒流源越大，恒流源 I0越越接近理想情况，接近理想情况，AVC1越小，说明电路抑制越小，说明电路抑制共模信号的能力越强，电路性能越好。共模信号的能力越强，电路性能越好。).(ocC122621rRAV2023-5-13第6章集成电路运算放大器56v(3)共模抑制比共模抑制比KCMRvKCMR式用来衡量差分放大电路抑制共

29、模信号式用来衡量差分放大电路抑制共模信号能力的一个物理量，其定义式为能力的一个物理量，其定义式为v差模电压放大倍数差模电压放大倍数(增益增益)越大，共模电压放越大，共模电压放大倍数大倍数(增益增益)越小，共模抑制能力越强，放越小，共模抑制能力越强，放大电路性能越优良，因此希望大电路性能越优良，因此希望KCMR值越大越值越大越好。好。).(CDCMR1326AAKVV2023-5-13第6章集成电路运算放大器57vKCMR有时也用分贝有时也用分贝(dB)(dB)来表示：来表示：v对于基本差分放大电路，在电路完全对称，对于基本差分放大电路，在电路完全对称，双出时：双出时：).()dB(lgCDCM

30、R142620VVAAK0DCDCMRVVVAAAK2023-5-13第6章集成电路运算放大器58单出时，由式单出时，由式(6.2.9)和和(6.2.12)得：得：(4)(4)频率响应频率响应a.低频特性：低频特性：由于差分放大电路采用了直接耦合，差放电路由于差分放大电路采用了直接耦合，差放电路所以具有良好的低频特性，如下图所示。所以具有良好的低频特性，如下图所示。).(beoCDCMR152611rrAAKVV2023-5-13第6章集成电路运算放大器592023-5-13第6章集成电路运算放大器60vb.b.高频特性高频特性v由于差分放大电路是由两个共发射极放大电由于差分放大电路是由两个共

31、发射极放大电路构成，其高端频率特性与共发射极放大电路构成，其高端频率特性与共发射极放大电路相似，如上图所示。路相似，如上图所示。v(5)差分放大电路的差模输入、输出电阻差分放大电路的差模输入、输出电阻va.a.差模输入电阻差模输入电阻Ridv由图由图6.2.2所示，所示，2023-5-13第6章集成电路运算放大器61转转412023-5-13第6章集成电路运算放大器62v由于由于I0对交流信号相当于开路，所以对交流信号相当于开路，所以RidVi/I i2rbev可证，对于双入、单入的输入方式，可证，对于双入、单入的输入方式，Rid均为均为2rbe。vb.b.差模输出电阻差模输出电阻Rov双端输

32、出方式：双端输出方式：Ro2Rcv单端输出方式：单端输出方式：RoRc2023-5-13第6章集成电路运算放大器63v(6)差分放大电路的性能比较差分放大电路的性能比较(见表见表6.2.1)。2023-5-13第6章集成电路运算放大器646.3集成运算放大器集成运算放大器v一、组成一、组成v如图如图(6.3.1)所示，所示，2023-5-13第6章集成电路运算放大器65v集成运算放大电路主要由差分集成运算放大电路主要由差分输入级输入级、电压、电压放大级、放大级、输出级输出级和和偏置电路偏置电路等四部分组成。等四部分组成。v1.差分输入级：由差分放大电路构成，主差分输入级：由差分放大电路构成，主

33、要作用是抑制零点漂移。要作用是抑制零点漂移。v2.电压放大级：主要作用是进行电压放大。电压放大级：主要作用是进行电压放大。v3.输出级：一般由射极输出器构成，以提输出级：一般由射极输出器构成，以提高放大电路的带负载能力。高放大电路的带负载能力。2023-5-13第6章集成电路运算放大器66v4.偏置电路：主要作用是给各级提供合适的偏置电路：主要作用是给各级提供合适的工作电流。工作电流。v二、电路符号二、电路符号v如图如图(6.3.2)所示。所示。2023-5-13第6章集成电路运算放大器67v图中：图中：N称为反相输入端，称为反相输入端，P称为同相输称为同相输入端，入端，O称为输出端。称为输出端。v特性：特性：O端与端与N端的相位相反，端的相位相反，O端与端与P端同相位。端同相位。v6.4节、节、6.5节、节、6.6节节(自习自习).v本章习题：本章习题：6.1.1、6.2.1、6.2.2、6.2.3、6.2.7。2023-5-13第6章集成电路运算放大器68