第六章 集成电路运算放大器

1、开始上课吧 ！6.16.1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6.26.2差分式放大电路差分式放大电路6.36.3集成电路运算放大器集成电路运算放大器6.46.4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 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。 1 1 . . 就就集成度集成度分分：小规模中规模：小规模中规模 大规模大规模 超大规模超大规模 （每块芯（每块芯 片上可有上亿个元件）片上可有上亿个元件）2 2. . 就就导电类型导电类型分分：双极型：双极型 单极型单极型 两者兼容型两者兼容型3 3. . 就就功能功能分分：数字集成电路

2、模拟集成电路：数字集成电路模拟集成电路集成电路：集成电路：分类分类： 由于制造工艺上的原因，模拟集成电路与分立元件电路由于制造工艺上的原因，模拟集成电路与分立元件电路相比有以下相比有以下特点特点： （1）电阻和电容的值不宜做得太大，电路结构上采用）电阻和电容的值不宜做得太大，电路结构上采用 直接耦合方式直接耦合方式 由于集成电路中，由于集成电路中，电阻电阻是利用是利用NPN管的基区体电阻构成，管的基区体电阻构成， 电阻值的范围一般为几十欧电阻值的范围一般为几十欧20千欧左右，阻值范围不大，且阻千欧左右，阻值范围不大，且阻值精度不易控制，误差可达值精度不易控制，误差可达10%20%。所以，若需要

3、高阻值电。所以，若需要高阻值电阻，可用阻，可用BJT或或FET等组成的恒流源代替，或采用外接电阻的方等组成的恒流源代替，或采用外接电阻的方法。法。 电容电容则采用则采用PN结的结电容构成，约在结的结电容构成，约在100PF以下，误差也以下，误差也较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。电感电感的制造则更的制造则更加困难。加困难。集成电路的特点集成电路的特点（2）为克服直接耦合电路的）为克服直接耦合电路的温度漂移温度漂移，常采用差分式放大电路，常采用差分式放大电路 作为输入级作为输入级（3）尽量采用）尽量采用BJT（或或FET）代替电阻电容和二极管等元件代

4、替电阻电容和二极管等元件 在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是NPN管）比制管）比制造其他元件容易，且占用面积小，性能好。因此常用造其他元件容易，且占用面积小，性能好。因此常用BJT（或或FET）构成恒流源作偏置电阻；将构成恒流源作偏置电阻；将BJT的基极和集电极短接构成二的基极和集电极短接构成二极管稳压管等；用复合管共射极管稳压管等；用复合管共射共基共集共基共集共基等组合电共基等组合电阻来改善单管电路的性能。阻来改善单管电路的性能。1. 1. 镜像电流源镜像电流源2. 2. 微电流源微电流源3. 3. 电流源用作有源负载电流源用作有源负载1 1.

5、. 镜像电流源镜像电流源设T1 T2参数完全相同。 1= 2，ICEO1 = ICEO2 ， VBE1=VBE2 ， IE1 =IE2 ， IC1=IC2 存在问题：当存在问题：当不够大时，不够大时， I IC2C2与与I IREF REF 差异较大差异较大IC2 IC1 IREF （VccVBE）/ R Vcc / RRRcT1T2Vcc2IBIREFIC1IE1IC2IC2IREF无论无论Rc的值如何，的值如何， IC2的电流值将保持不变。的电流值将保持不变。IREFIC1IC2IBT1T2RVccT3IB2IB1IC2 IREFIC2IREF改进：改进：带缓冲的镜像电流源：带缓冲的镜像电

6、流源： 镜像电流源电路适合用于较大工作电流（mA级）的场合，若需要IC2 R ，在集成电路中不易实现。故推出 IREF RVVBECC2利用利用T3的电流放大作用，的电流放大作用，减小减小IB 对对I RFE的分流作用，的分流作用，提高提高IC3 与与I RFE 互成镜像互成镜像的精度的精度R2 2. . 微电流源微电流源IREFIC1IE2IC2RRe22IBT1T2VccIE2Re2 = V BE1VBE2IE2Re2+ VBE2= VBE1（KVL方程）方程）IE2 =（V BE1VBE2 ）/ Re2 = V BE / Re2 IC2 V BE的数值很小的数值很小 IC2亦很小，故称为

7、亦很小，故称为IREF （VccVBE）/ R Vcc / R 当电源变化时当电源变化时 IREF变化变化 V BE变化很小变化很小 IC2变化很小（远变化很小（远小于小于IREF的变化）的变化） IC2较稳定较稳定103. 3. 电流源作有源负载电流源作有源负载 ioV=VVA共射电路的电压增益为：共射电路的电压增益为：beLc)/(rRR 对于此电路对于此电路Rc就是镜像就是镜像电流源的交流电阻，一般在电流源的交流电阻，一般在几百千欧几百千欧以上以上 因此增益为因此增益为beLV=rRA 比用电阻比用电阻Rc作负载时提高了。作负载时提高了。end放大管放大管镜像电流源镜像电流源镜像电流源镜

8、像电流源镜像电流源镜像电流源开始上课吧 ！126.2 差分式放大电路差分式放大电路 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 零点漂移零点漂移 电路组成及工作原理电路组成及工作原理 抑制零点漂移原理抑制零点漂移原理 6.2.0 概述概述 6.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路 6.2.2 FET差分式放大电路差分式放大电路 6.2.3 差分式放大电路的传输特性差分式放大电路的传输特性 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念 主要指标计算主要指标计算 几种方式指标比较几种方式指标比较136.2.0 概述概述1. 直接耦合放大电路直接耦合放大电路可以放大直流信号可以放大直流信号2.

9、直接耦合放大电路直接耦合放大电路的零点漂移的零点漂移零漂零漂：主要原因主要原因：温漂指标温漂指标：温度变化引起，也称温度变化引起，也称温漂温漂。输入短路时，输输入短路时，输出仍有缓慢变化出仍有缓慢变化 的电压产生。的电压产生。温度每升高温度每升高1度时，输出漂移电压度时，输出漂移电压按按电压增益电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动电源电压波动也是原因之一也是原因之一14例例 如图所示如图所示 100,=V1A若第一级漂了若第一级漂了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1 V。 若第二级也漂若第二级也漂了了100 uV，则输出漂移则输出漂移 1

10、0 mV。假设假设F 第一级是关键第一级是关键。 1= 100,=V3V2AA3. 减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿F 采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂了漂了 100 uV漂移漂移 10 mV+100 uV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV15共模抑制比共模抑制比反映抑制零漂能力的指标反映抑制零漂能力的指标4. 差分式放大电路中的一般概念差分式放大电路中的一般概念根据根据1、2两式又有两式又有差分式放大电路输入输出结构示意图差分式放大电路输入输出结构示意图+-vi1+-vi2+-vo1差放差放vo2+-+-vid+

11、-voi2i1id=vvv 差模信号差模信号)(21=i2i1icvvv 共模信号共模信号idoVD=vvA 差模电压增益差模电压增益icoVC=vvA 共模电压增益共模电压增益2=idici1vvv 2=idici2vvv 总输出电压总输出电压icVCidVDooo=vAvAvvv 差模等效输入方式差模等效输入方式差放差放+-vid差放差放+-vid(a)(b)共模等效输入方式共模等效输入方式差放差放+-vic差模信号输出差模信号输出共模信号输出共模信号输出VCVDCMR=AAK166.2.1 基本差分式放大电路基本差分式放大电路1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理静态静态0CC2C1

12、21=IIII CE2CE1=VV CCV)7 . 0(CCCC RIV CCRIEV CB1B1III vi1 = vi2 = 017动态动态仅输入差模信号，仅输入差模信号， i2i1vv 和和大小相等，相位相反。大小相等，相位相反。 c2c1vv和和大小相等，大小相等， 0c2c1o vvv信号被放大。信号被放大。相位相反。相位相反。1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理18动态动态仅输入共模信号，仅输入共模信号， i2i1vv 和和大小相等，相位相同。大小相等，相位相同。 c2c1vv和和大小相等，大小相等， 0vvvc2c1o信号不能被放大。信号不能被放大。相位相同。相位相同。1.

13、 电路组成及工作原理电路组成及工作原理192. 抑制零点漂移抑制零点漂移 温 度 变温 度 变化和电源电化和电源电压波动，都压波动，都将使集电极将使集电极电流产生变电流产生变化。且变化化。且变化趋势是相同趋势是相同的，的，差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用。其效果相当于在两个输入端加入了共模信号其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。202. 抑制零点漂移抑制零点漂移 温度温度 iC1 iE1 vE （vB1、vB2不变）不变） vBE1和和 vBE2 iB1和和 iB2 iC2 iE2 iC1 iC2 另一方面另一方面 由此看出，温度升高时，引起两

14、集电极电流增加，使得由此看出，温度升高时，引起两集电极电流增加，使得流过流过R Re e上的电流增加，发射极电位上升，从而限制了集电极电上的电流增加，发射极电位上升，从而限制了集电极电流的增加。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过流的增加。这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。漂能力。 213. 主要指标计算主要指标计算（1）差模电压增益）差模电压增益 idoVD=vvAi2i1o2o1vvvv 接入负载时接入负载时（双入、双出交流通路双入、双出交流通路） B 双入

15、、单出双入、单出i1o122vv becrR beLcVD)21/(=rRRA 以双倍的元器件换以双倍的元器件换取抑制零漂的能力取抑制零漂的能力 A 双入、双出双入、双出 ido1VD1=vvAi1o12vvVD21A bec2rR 接入负载时接入负载时beLcVD2)/(=rRRA 223. 主要指标计算主要指标计算（1）差模电压增益）差模电压增益 C 单端输入单端输入beorr 等效于双端输入等效于双端输入 指标计算指标计算与双端输入相与双端输入相同（同（见书见书P235）23（2）共模电压增益）共模电压增益 A 双端输出双端输出 共模信号的输入使两管共模信号的输入使两管集电极电压有相同的

16、变化。集电极电压有相同的变化。所以所以0oc2oc1oc vvv0icocVC vvA共模增益共模增益 B 单端输出单端输出icoc1VC1vvA 抑制零漂能力增强抑制零漂能力增强icoc2vv obec2)1(rrR oc2rR or VC1ARc1Rc2T1T22ro2ro24（3）共模抑制比）共模抑制比VCVDCMRAAK dB lg20VCVDCMRAAK 双端输出，理想情况双端输出，理想情况 CMRK 单端输出单端输出 CMRKVC1VD1AAbeorr 越越大大， CMRK抑制零漂能力抑制零漂能力 越强越强单端输出时的总输出电压单端输出时的总输出电压)1(idCMRicidVD1o

17、1vKvvAv （4）频率响应）频率响应高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。25VDA4. 几种方式指标比较几种方式指标比较VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出26idRicRoR4. 几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR27与共

18、源电路相同与共源电路相同ido2VD2vvA 6.2.2 FET差分式放大电路差分式放大电路1. 电路组成电路组成2. 差模增益差模增益dm21Rg 3. 差模输入电阻差模输入电阻g1idRR M 1开始上课吧 ！二二. .简单的集成电路运算放大器简单的集成电路运算放大器一一. .集成电路运放内部组成原理框图集成电路运放内部组成原理框图AV -+NP VO 输入级 中间级 输出级 偏 置 电 路Vi1Vi2Vo一一.集成电路运放内部组成原理框图集成电路运放内部组成原理框图级间直接耦合级间直接耦合功放功放电压（流）放大电压（流）放大恒流源恒流源差分式输入差分式输入R1R2T1T2T7T8R8T4

19、T3R4R3R7T9T6T5R6R5VEE+VCCvi1+vi2+voiC1iC2iR3iC7iR4iE5iE6IREFR1R2T1T2差分式放大电路差分式放大电路T7T8R8镜像电流源电路镜像电流源电路T4T3R4R3中间级中间级R7T9电流源电流源T6T5R6R5输出级输出级VEE+VCCvi1+vi2+voiC1iC2iR3iC7iR4iE5iE6IREFRi2Ro1Ri3Ro2放大电路的直流计算放大电路的直流计算87)(RVVVIIEEBECCREFC72121CCCIII42243)2(RVRIVIIBECCCRR565335RVVRIVIBEBERCCE66)(0RVIEEE443

20、341121)(RIRIVVVRIVVVRRCCCEECCCCECE放大电路总电压增益放大电路总电压增益AV的计算的计算结论结论:多级放大电路的增益等于各级放大电路的增益之积多级放大电路的增益等于各级放大电路的增益之积=AVD AV2 AV3vi2-vi1vo1vo2vo1vovo2AV=其中其中：输入级的电压增益输入级的电压增益AVD112beVDrRA电压放大级的电压增益电压放大级的电压增益AV2输出级的电压增益输出级的电压增益AV3近似为近似为1)1 ()1 (443322RrrRAbebeV1. 开环差模电压增益开环差模电压增益 AVO ： 集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无外加

21、反馈时的集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无外加反馈时的差模电压增益。通用型集成运放的差模电压增益。通用型集成运放的AVO通常在左右。通常在左右。5102. 共模抑制比共模抑制比 KCMR : 等于差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。等于差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。3. 差模输入电阻差模输入电阻 rid ：集成运放在输入差模信号时的输入电阻，希望越大越好。集成运放在输入差模信号时的输入电阻，希望越大越好。 4. 输入失调电压输入失调电压VIO VIO = （ VO | Vi = 0）/ AVO，一般约为一般约为 （110）mV 5. 输入偏置电流输入偏置电流

22、IIB IIB =（IBN + IBP）/ 2，一般为一般为 10nA 1A 6. 输入失调电流输入失调电流IIOIIO =| IBP IBN |，一般约一般约 为为 1nA 0.1A 希望希望 IIO 越小越好，通常越小越好，通常 IIB 越小越小 IIO 也越小。也越小。7.7.温度漂移温度漂移（希望越小越好）（希望越小越好）输入失调电压和输入失调电流随温度的变化所引起的漂移表示为：输入失调电压和输入失调电流随温度的变化所引起的漂移表示为：输入失调电压温漂输入失调电压温漂 VIO / T：指在规定温度范围内指在规定温度范围内VIO的温度的温度 系数。系数。 输入失调电流温漂输入失调电流温漂

23、 IIO / T：指在规定温度范围内指在规定温度范围内IIO 的温度的温度 系数。系数。. 最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax ： 集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。（当输（当输入电压大于此值时，输入级将损坏）入电压大于此值时，输入级将损坏）9. 最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax ： 运放所能承受的最大共模输入电压。超过此值，集成运放便不能对运放所能承受的最大共模输入电压。超过此值，集成运放便不能对 差模信号进行放大。差模信号进行放大。10. 最大输出电流最大输出电流Iomax ： 运放所能输出的正向或负向的峰

24、值电流。运放所能输出的正向或负向的峰值电流。11. 开环带宽开环带宽BW（fH）：）： 开环带宽开环带宽BWBW又称又称 3dB3dB 带宽带宽 f fH H ，是指开环差模电压增益下降是指开环差模电压增益下降3dB 3dB 时时对应的频率对应的频率f fH H。12. 单位增益带宽单位增益带宽BWBWG G（f fT T）：）： 对应于开环电压增益对应于开环电压增益 A AVO VO 频率响应曲线上其增益下降到频率响应曲线上其增益下降到 A AVOVO = = 1 1 时的频率，即时的频率，即 A AVO VO 为为 0 0dB dB 时的信号频率时的信号频率 f fT T。与晶体管特征频率

25、相与晶体管特征频率相似。似。13 . 转换速率转换速率SR ： 表示集成运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅表示集成运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。信号幅值愈大、频率愈高，要求集成运放的表示。信号幅值愈大、频率愈高，要求集成运放的S SR R也就越大。也就越大。一般，在近似分析中常把集成运放理想化。在一般，在近似分析中常把集成运放理想化。在理想运放中，把理想运放中，把A AVO VO 、K KCMRCMR 、r rid id 、BWBW、S SR R

26、视为无穷视为无穷大；把大；把V VIOIO、 I IIOIO 、 I IIB IB 、V VIOIO/T T、I IIOIO/T T、r ro o 视为零视为零. .40A1vivo103A2vivo105答：答：两个放大电路是否都可以放大两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？的信号？end增加了增加了Re电压增益电压增益输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输出漂移电压输出漂移电压均为均为 200 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.2 mV输入端漂移电输入端漂移电压为压为 0.002 mVA1不可以，不可以， A2可以可以41 1. 若在基本差分式放大电路中若在基本差分

27、式放大电路中增加两个电阻增加两个电阻Re（如图所示）。如图所示）。则动态指标将有何变化？则动态指标将有何变化？答：答： 双端输出差模增益双端输出差模增益差模输入电阻差模输入电阻 beLc)21/(rRR VDA idR 2beroLc2/rRR 单端输出共模增益单端输出共模增益VC1A icR)2)(1(21oberr 共模输入电阻共模输入电阻e)1(R e)1(R eR eR 增加了增加了Re增加了增加了Re42 2. 差分式放大电路如图所示。差分式放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：分析下列输入和输出的相位关系：反相反相vC1与与vi1同相同相vC2与与vi1同相同相vC1与与vi2反相反相vC2与与vi2反相反相vO与与vi1同相同相vO与与vi23. 静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？43(4)当输出接一当输出