集成電路運(yùn)算放大器

2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器1集成電路：把整個(gè)電路中的元器件，制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，這樣的“硅片”，稱為集成電路。集成電路特點(diǎn)：體積小，性能很好。集成電路分類：模擬集成電路和數(shù)字集成電路。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器2模擬集成電路：運(yùn)算放大器、寬頻帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、模擬鎖相環(huán)、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源、和音像設(shè)備中常用的其他模擬集成電路。此類集成電路中，集成運(yùn)算放大器(集成運(yùn)放)應(yīng)用最為廣泛。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器3本章主要內(nèi)容：集成運(yùn)放的基本單元電路及其分析方法(掌握)，典型集成運(yùn)放及性能指標(biāo)(了解)，幾種專用型集成運(yùn)放(了解)。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器4序1.模擬集成電路：一般是由一塊厚度為0.2～0.25mm的P型硅片上，制作成具有一定功能的電路，這樣的P型硅片，就稱為集成電路。它可分為：2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器5小規(guī)模集成電路：十～幾十個(gè)元件；中規(guī)模集成電路：幾十個(gè)～幾百個(gè)元件元件；大規(guī)模集成電路：幾百個(gè)～幾千個(gè)元件；超大規(guī)模集成電路：幾千個(gè)以上元件；美國(guó)預(yù)計(jì)，到2010年集成度將達(dá)到10億個(gè)。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器62.模擬集成電路的特點(diǎn)：(1).電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有對(duì)稱性；(2).用有源器件代替無(wú)源器件；如：電阻是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值一般為幾十歐～20kΩ,高阻值電阻多用BJT或FET等有源器件組成的恒流源來(lái)代替。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器7(3).采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路；多采用復(fù)合管、共射－共基、共集－共基等組合電路。(4).級(jí)間采用直接耦合方式；電路中的電容不大，約在幾十pF，常用PNJ的結(jié)電容構(gòu)成，誤差也較大。電感制造更困難，級(jí)間都采用直接耦合。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器8(5).

二極管大都采用BJT的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。集成運(yùn)放的基本單元電路：電流源和差分放大電路。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器96.1

電流源電路1.

鏡像電流源電路如圖6.1.1所示。設(shè)電路完全對(duì)稱，即T1、T2的參數(shù)完全相同(β1＝β2，ICEO1＝ICEO2，VBE1＝VBE2，IE1

＝IE2

，IC1＝IC2)，圖中IREF為基準(zhǔn)電流。當(dāng)BJT的β值較大時(shí)，IB可以忽略，有：［轉(zhuǎn)12］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器102024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器11由(6.1.1)式可以看出，當(dāng)R確定以后，IREF也就確定，IC2隨之確定，可把IC2看作是I

REF的鏡像，所以稱圖6.1.1為鏡像電流源。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器12由于T1管對(duì)T2管有溫補(bǔ)作用，IC2的穩(wěn)定性也較好。但由于受電源的影響較大，故要求電源十分穩(wěn)定。當(dāng)β不夠大時(shí)，IC2

與IREF就存在一定的誤差，可采用圖6.1.2所示電路。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器132024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器14該電路利用T3的電流放大作用，減小IB對(duì)IREF的分流作用，從而提高了IC2與IREF

互成鏡像的精度。為了避免T3

的電流過(guò)小而使β3下降，T3

的射極常加一電阻Re3，使IE3增大。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器15適用范圍：該電流源適用于工作電流較大的場(chǎng)合(mA級(jí))。工作電流較小時(shí)(μA級(jí))的電流源，應(yīng)采用微電流源。2.微電流源如圖6.1.3所示。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器162024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器17

與圖6.1.1相比，在T2的發(fā)射極回路串接了一個(gè)發(fā)射極電阻Re2,當(dāng)基準(zhǔn)電流IREF確定以后，IC2可確定如下：

VBE1－VBE2＝ΔVBE＝IE2Re2所以，

IC2≈IE2＝ΔVBE／Re2

(6.1.2)2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器18由式(6.1.2)可知，利用兩管基－射極電壓差ΔVBE可以控制輸出電流IC2。由于ΔVBE

的數(shù)值小，用阻值不大的電阻Re2，即可獲得微小的工作電流，故稱之為微電流源。Re2

一般為數(shù)kΩ，IC2

約為μA級(jí)。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器19例6.1.1多路電流源如圖6.1.4所示。已知各BJT的參數(shù)β、VBE數(shù)值相同，求各電流源IC1、IC2、IC3與基準(zhǔn)電流IREF的關(guān)系。解：由IREF＝IC＋I(xiàn)B0＝IC＋∑IB0

／β［轉(zhuǎn)22］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器202024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器21得IC＝IREF－∑IB0／β當(dāng)β較大時(shí)，

IC≈IREF由于BJT的參數(shù)β、VBE數(shù)值相同，則：IERe≈IREFRe

＝IE1Re1

＝IE2Re2＝IE3Re3

(6.1.3)2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器22所以當(dāng)IREF確定以后，改變各電流源的射極電阻，可獲得不同的輸出電流。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器233.有源負(fù)載如圖6.1.5所示。T1為放大管，T2、T3組成鏡像恒流源，作為T1管的交流負(fù)載。由于晶體管c、e間的交流電阻很大，以提高T1管的放大倍數(shù)。［轉(zhuǎn)26］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器242024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器256.2差分放大電路差分放大電路功能：放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。差分放大電路是集成運(yùn)放的主要組成單元。如圖(6.2.1所示)2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器26在電路完全對(duì)稱的理想情況下，輸出信號(hào)電壓可表示為：vo＝AVD(vi1－vi2)

(6.2.1)2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器27式中AVD是差分放大電路的差模電壓放大倍數(shù)。由式中可以看出，vi1、vi2中所共有的任何信號(hào)對(duì)輸出電壓都不會(huì)產(chǎn)生影響，但在一般情況下，實(shí)際的輸出電壓不僅與兩個(gè)信號(hào)的差(差模信號(hào))有關(guān)，而且與兩個(gè)信號(hào)中的共有信號(hào)(共模信號(hào))有關(guān)。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器281.差模信號(hào)差模信號(hào)：大小相等，極性相反的一對(duì)信號(hào)，稱之為差模信號(hào)?？捎孟率奖硎荆簐id＝vi1－vi2

(6.2.2)或2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器292.共模信號(hào)共模信號(hào)：大小相等，極性相同的一對(duì)信號(hào)，稱之為共模信號(hào)。可用下式表示：

(6.2.3)或vic1＝vic2＝vic2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器303.兩輸入信號(hào)的表達(dá)式4.輸出電壓的表達(dá)式vo＝AVDvid＋AVCvic

(6.2.6)2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器31式中AVD＝vod／vid為差模電壓放大倍數(shù)(差模電壓增益);AVC＝voc／vic

為共模電壓放大倍數(shù)(共模電壓增益)。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器32由(6.2.6)式可知，如果有兩種情況的輸入信號(hào)：一種：vi1＝+50μV，vi2＝－50μV；另一：v‘i1＝1050μV，v’i2＝950μV；盡管這兩種情況下的差模信號(hào)vid＝100μV是相同的，但其共模信號(hào)卻不一致，前者vic＝0，后者v'ic＝1000μV。因而差分放大電路的輸出電壓是不相同的。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器336.2.1基本差分放大電路如圖6.2.2所示，是一個(gè)基本差分放大電路。1.電路組成它由兩個(gè)特性相同的BJTT1、T2組成對(duì)稱電路，電路參數(shù)也完全對(duì)稱，即Rc1＝Rc2＝Rc等。電路中有兩個(gè)電源+VCC和－VCC(一般情況下，兩電源的大小相等)。［轉(zhuǎn)36］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器34［轉(zhuǎn)41］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器352.工作原理(1)靜態(tài)分析當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)，即vi1＝vi2＝0時(shí)，由于電路完全對(duì)稱，

Rc1＝Rc2＝Rc，VBE1＝VBE2＝0.7V，2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器36這時(shí)，iC1＝iC2

＝IC＝I

0/2，

IC1Rc1＝IC2Rc2＝ICRc

，

VC1＝VC2

＝VCC－ICRc，

vo＝vC1－vC2＝0。由此可知，vid＝vi1－vi2＝0時(shí)，輸出信號(hào)電壓vo也等于零。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器37(2)動(dòng)態(tài)分析當(dāng)在電路的輸入端輸入一對(duì)大小相等，極性相反的(差模)信號(hào)時(shí)，兩管的電流：一管增加，另一管減小，vo＝vC1－vC2≠0，這一對(duì)信號(hào)就是前述的差模信號(hào)。這種輸入方式稱之為差模輸入。差分放大電路對(duì)差模信號(hào)具有放大能力。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器382.抑制零點(diǎn)漂移的原理零點(diǎn)漂移(零漂)：當(dāng)差分放大電路輸入信號(hào)等于零時(shí)，輸出電壓偏離原來(lái)的初始值(參考電壓)而上下漂動(dòng)的現(xiàn)象。如溫度的變化而引起某放大電路輸入級(jí)Q點(diǎn)變化，經(jīng)后級(jí)放大而出現(xiàn)當(dāng)輸入電壓為零時(shí)輸出電壓不為零的現(xiàn)象，這就是零點(diǎn)漂移。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器39在差分放大電路中,無(wú)論是溫度的變化還是電源電壓的波動(dòng)，都會(huì)引起兩管集電極電流以及相應(yīng)的集電極電壓的變化，其效果相當(dāng)于在兩輸入端加入了共模信號(hào)，由于電路是對(duì)稱，共模輸出電壓voc＝0，從而抑制了零點(diǎn)漂移。實(shí)際情況，兩管完全對(duì)稱是不可能的，但抑制零漂的能力還是優(yōu)于其他電路的。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器403.主要性能指標(biāo)的計(jì)算(1)差模電壓放大倍數(shù)(增益)a.雙入－雙出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)在圖6.2.2中，若輸入為差模輸入，即vi1＝－vi2＝vid/2，由于一管的電流增加時(shí)，另一管的電流減小，在電路完全對(duì)稱的情況下，iC1的增加量等于另一管iC2的減小量，所以流過(guò)恒流源的電流I0不變，ve＝0，故圖6.2.2的交流通路如圖6.2.3所示。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器412024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器42當(dāng)雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)為：當(dāng)c1、c2兩點(diǎn)接入負(fù)載電阻RL時(shí)，2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器43其中，R’L＝Rc∥RL/2。這是由于一管的電流增加時(shí)，另一管的電流減小，而c1、c2兩點(diǎn)的電位向相反方向變化，即一邊增量為正時(shí)，另一邊增量為負(fù)，且大小相等，由此可見，負(fù)載電阻的中點(diǎn)是交流地電位，所以在差分放大電路的半邊等效電路中，負(fù)載電阻是RL/2。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器44綜上所述：在電路完全對(duì)稱，雙入－雙出的情況下，圖6.2.2的電壓放大倍數(shù)(增益)與半邊電路的電壓放大倍數(shù)(增益)相等?？梢?，該電路是以成倍的元器件來(lái)?yè)Q取抑制零漂的能力的。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器45b.雙入－單出時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)如果從某一個(gè)管的集電極輸出電壓(vo1或vo2

)，則稱之為單端輸出(如圖6.2.3’)所示。此時(shí)，電路的電壓放大倍數(shù)(增益)只有雙出時(shí)的一半，(當(dāng)RL

＝∞)時(shí)，即［轉(zhuǎn)48］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器462024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器47當(dāng)RL≠∞)時(shí)其中，R'L＝Rc∥R'L

。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器48

c.單入時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)

(如圖6.2.4所示。)圖中ro為恒流源的交流電阻，其阻值一般很大，容易滿足ro>>rbe的條件，這樣可以認(rèn)為ro對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于開路，輸入信號(hào)vid近似地平分在兩管的輸入回路上。［轉(zhuǎn)51］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器492024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器50圖6.2.4與圖6.2.3相比可知：兩電路中作用于be結(jié)上的信號(hào)分量基本上是一致的。即單端輸入時(shí)電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時(shí)近似一致。如ro足夠大，則電路由雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)(增益)與式(6.2.7)近似一致；而由單端輸出時(shí)與式(6.2.9)近似一致；其他指標(biāo)也基本一致。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器51(2)共模電壓放大倍數(shù)(增益)a.雙出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)，如圖6.2.5所示。當(dāng)vi1＝vi2＝vic時(shí)，由于voc＝vo1－vo2＝0，所以［轉(zhuǎn)54］2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器522024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器53實(shí)際上，電路完全對(duì)稱是不容易的，即使這樣，這種電路抑制共模信號(hào)的能力還是很強(qiáng)的。共模電壓放大倍數(shù)越小，放大電路的性能越好。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器54

b.單出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)(增益)

單出時(shí)的共模電壓放大倍數(shù)(增益)表示兩個(gè)集電極任一端對(duì)地的共模輸出電壓與共模輸入電壓之比，即一般情況下，(1+β)2ro>>rbe，β>>1，故式(6.2.11)可簡(jiǎn)化為2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器55由上式可以看出，ro越大，恒流源I0越接近理想情況，AVC1越小，說(shuō)明電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，電路性能越好。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器56(3)共模抑制比KCMRKCMR式用來(lái)衡量差分放大電路抑制共模信號(hào)能力的一個(gè)物理量，其定義式為差模電壓放大倍數(shù)(增益)越大，共模電壓放大倍數(shù)(增益)越小，共模抑制能力越強(qiáng)，放大電路性能越優(yōu)良，因此希望KCMR值越大越好。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器57KCMR有時(shí)也用分貝(dB)來(lái)表示：對(duì)于基本差分放大電路，在電路完全對(duì)稱，雙出時(shí)：2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器58單出時(shí)，由式(6.2.9)和(6.2.12)得：

(4)

頻率響應(yīng)

a.低頻特性：

由于差分放大電路采用了直接耦合，差放電路所以具有良好的低頻特性，如下圖所示。2024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器592024/11/5第6章集成電路運(yùn)算放大器60b.高頻特性由于差分放大電路是由兩個(gè)共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，其高端頻率特性與共發(fā)射極放大電路相似，如上圖