模擬電子技術(shù)：第6章集成電路運算放大器

1、第6章 集成電路運算放大器集成運放是一種多級放大電路， 性能理想的運放應該具有電壓增益高、 輸入電阻大、 輸出電阻小、 工作點漂移小等特點。 在電路的選擇及構(gòu)成形式上又要受到集成工藝條件的嚴格制約。 因此， 集成運放在電路設(shè)計上具有許多特點， 主要有： (1) 級間采用直接耦合方式。 (2) 盡可能用有源器件代替無源元件。 (3) 利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能。本章知識背景:圖示：集成電路的一般組成輸入級要求:噪聲小零點漂移小輸入電阻大有一定的電壓放大能力提出研究6.1 電流源（恒流源）提出研究：6.2 差分式放大電路，第4、5章電壓放大第4、5章重點研究共集、功率放大第8章重點研究了應用：6.3

2、、6.4、6.5、6.62章、7章等 6 模擬集成電路6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)6.3 差分式放大電路的傳輸特性6.4 集成電路運算放大器重點6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應用電路 的影響6.2 差分式放大電路重點6.6 變跨導式模擬乘法器6.7 放大器中的噪聲和干擾6.1 模擬集成電路中的直流偏置技術(shù)BJT電流源電路FET電流源1. 鏡像電流源2. 微電流源*3. 高輸出阻抗電流源*4. 組合電流源1. *MOSFET鏡像電流源2. *MOSFET多路電流源3. *JFET電流源6.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源T1、T2的參數(shù)全同，結(jié)構(gòu)對稱 即12，ICEO1

3、ICEO2 當BJT的較大時，基極電流IB可以忽略 IoIC2IREF 代表符號6.1.1 BJT電流源電路1. 鏡像電流源動態(tài)電阻 一般ro在幾百千歐以上（大）6.1.1 BJT電流源電路2. 微電流源（Wilson電流源）由于很小，所以IC2也很小。rorce2（1 ）大 S1和S3分別是T1和T3的相對結(jié)面積 6.1.1 BJT電流源電路*3. 高輸出阻抗電流源T1和T2鏡像電流源，動態(tài)輸出電阻大，電路的ro遠比微電流源的動態(tài)輸出電阻為高6.1.1 BJT電流源電路*4. 組合電流源T1、R1 和T4支路產(chǎn)生基準電流IREFT1和T2、T4和T5構(gòu)成鏡像電流源T1和T3，T4和T6構(gòu)成了

4、微電流源6.1.2 FET電流源1. *MOSFET鏡像電流源當器件具有不同的寬長比時（=0）ro= rds2 MOSFET基本鏡像電路流 6.1.2 FET電流源1. *MOSFET鏡像電流源 用T3代替R，T1T3特性相同，且工作在放大區(qū)，當=0時，輸出電流為 常用的鏡像電流源 6.1.2 FET電流源2. *MOSFET多路電流源6.1.2 FET電流源3. *JFET電流源end(a) 電路 (b) 輸出特性 電流源對集成運放的性能改進起著極為重要的作用。它為各級電路提供穩(wěn)定的直流偏置電流。動態(tài)輸出電阻大，作為有源負載，提高單級放大器的增益。例如： 電流源作有源負載共射電路的電壓增益為

5、： 對于此電路Rc就是鏡像電流源的交流電阻，因此增益為比用電阻Rc就作負載時提高了。end放大管鏡像電流源鏡像電流源鏡像電流源6.2 差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)6.2.2 射極耦合差分式放大電路6.2.3 源極耦合差分式放大電路 問題的提出？ 直接耦合放大電路優(yōu)點：直流、交流信號 均可放大缺點：具有零點漂移零點漂移：主要原因：溫度變化引起，也稱溫漂輸入短路時，輸出仍有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。例如若是第一級漂100 V，則輸出漂移 1 V。若是第二級漂了100 V，則輸出漂移 10 mV。 第一級是關(guān)鍵假設(shè)3. 減小零漂的措施 用非線性元件進行溫度補償 調(diào)制解調(diào)方式。如“斬波

6、穩(wěn)零放大器” 采用差分式放大電路6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)1. 用三端器件組成的差分式放大電路例例6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念差模信號共模信號差模電壓增益共模電壓增益總輸出電壓其中差模信號產(chǎn)生的輸出共模信號產(chǎn)生的輸出共模抑制比反映抑制零漂能力的指標6.2.1 差分式放大電路的一般結(jié)構(gòu)2. 有關(guān)概念根據(jù)有 共模信號相當于兩個輸入端信號中相同的部分；差模信號相當于兩個輸入端信號中不同的部分。共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。例如：若i1=0.01V ,i2= - 0.01V 若i1=0.5V ,i2= 1.5V思考?兩種情況下的Vid=?,Vi

7、c=?答案:若i1=0.01V ,i2= - 0.01V Vid=0.02V ,Vic=0V若i1=0.5V ,i2= 1.5VVid=-1V,Vic=1V差分式放大電路四種工作方式雙端輸入，雙端輸出雙端輸入，單端輸出單端輸入，雙端輸出單端輸入，單端輸出6.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理6.2.2 射極耦合差分式放大電路1. 電路組成及工作原理靜態(tài)注意：vi1=vi2=0思考VO=？對差摸信號具有放大作用僅輸入差模信號，大小相等，相位相反。大小相等，信號被放大。相位相反。1. 電路組成及工作原理2. 抑制零點漂移 溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化

8、趨勢是相同的，對稱結(jié)構(gòu)，Vo=0。 對共模信號具有一定的抑制作用。 零點漂移可以看作是共模信號3. 動態(tài)分析（1）差模情況接入負載時以雙倍元器件換取抑制零漂的能力 雙入、雙出Rid=2rbe Rod=2Rc 雙入、單出接入負載時 Rid=2rbe Rod=Rc 單端輸入單端等效于雙端輸入單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出指標計算與雙端輸入相同。（2）共模情況 雙端輸出(雙入雙出、單入雙出） 共模信號的輸入使兩管集電極電壓有相同的變化。共模增益單端輸出（雙入單出、單入單出）抑制零漂能力增強（2）共模情況思考有負載？（3）共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強（4）總輸出電壓4. 幾

9、種方式指標比較輸出方式雙出單出雙出單出輸出方式雙出單出雙出單出（思考題）思考1：分析（a）圖,雙端輸出（1）Q點（2）Avd、Rid、Rod進一步思考2： （1）加入Rp1（中間抽頭）（2）再加入Rp2（中間抽頭），RLRL求Avd、Rid、Rod求Avd、Rid、RodRp1Rp2Vcc再進一步思考3： 單端輸出，接Re情況（1）靜態(tài)時Ic1=Ic2=？ Vo=？（2）動態(tài)時Vi1=1.5V,Vi2=4.5V Vo=?Re例(4)當輸出接一個12k負載時的差模電壓增益。解：求:(1)靜態(tài)(2)電壓增益略VRb2(3)共模增益共模輸入電壓 Vo(4)6.4 集成電路運算放大器 CMOS MC1

10、4573集成電路運算放大器 BJTLM741集成運算放大器集成電路運算放大器內(nèi)部框圖6.4.1 BJTLM741集成運算放大器原理電路 集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小BJTLM741特點：單片高性能內(nèi)補償，較寬的共模和差模電壓范圍，具有短路保護及失調(diào)電壓調(diào)到零的能力。1 82 73 64 5OA1IN-1N+V-NCV+OUTOA2-23374156.4.2 CMOS MC14573 集成電路運算放大器電路結(jié)構(gòu)6.5 實際集成運算放大器的主要參數(shù)和對應用電路的影響6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)6.5.2 集成運放應用中的實際問題6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差

11、特性（輸入失調(diào)特性）1. 輸入失調(diào)電壓VIO 在室溫（25）及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓叫做失調(diào)電壓VIO。一般約為（110）mV。超低失調(diào)運放為（120）V。高精度運放OP-117 VIO=4V。MOSFET達20 mV。2. 輸入偏置電流IIB 輸入偏置電流是指集成運放兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值 IIB（IBNIBP）/2 BJT為10 nA1A；MOSFET運放IIB在pA數(shù)量級。6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)輸入直流誤差特性（輸入失調(diào)特性）3. 輸入失調(diào)電流IIO 輸入失調(diào)電流IIO是指當輸入電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)

12、基極電流之差，即IIO|IBPIBN|VI0 一般約為1 nA0.1A。 4. 溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂IIO / T6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)差模特性1. 開環(huán)差模電壓增益Avo和帶寬BW 開環(huán)差模電壓增益Avo開環(huán)帶寬BW (fH)單位增益帶寬 BWG (fT)741型運放AvO的頻率響應 6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)差模特性2. 差模輸入電阻rid和輸出電阻ro BJT輸入級的運放rid一般在幾百千歐到數(shù)兆歐MOSFET為輸入級的運放rid1012超高輸入電阻運放rid1013、IIB0.040pA一般運放的ro200，而超高速AD

13、9610的ro0.05。3. 最大差模輸入電壓Vidmax6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)共模特性1. 共模抑制比KCMR和共模輸入電阻ric 一般通用型運放KCMR為（80120）dB，高精度運放可達140dB，ric100M。 2. 最大共模輸入電壓Vicmax 一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質(zhì)量的運放可達 13V。6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性1. 轉(zhuǎn)換速率SR放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入為大信號（例如階躍信號）時，輸出電壓對時間的最大變化速率，即 若信號為viVimsin2ft ，則運放的SR必須滿足SR2fmaxVom6

14、.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)大信號動態(tài)特性2. 全功率帶寬BWP 指運放輸出最大峰值電壓時允許的最高頻率，即 SR和BWP是大信號和高頻信號工作時的重要指標。一般通用型運放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s，而高速運放要求SR30V/s以上。目前超高速的運放如AD9610的SR3500V/s。電源特性1. 電源電壓抑制比KSVR 衡量電源電壓波動對輸出電壓的影響 2. 靜態(tài)功耗PV 6.5.1 實際集成運放的主要參數(shù)補充第二章內(nèi)容運算放大器2.1 集成電路運算放大器2 運算放大器2.2 理想運算放大器*2.3 基本線性運放電路*2.4 同相輸入和反相輸入放大電 路的其他應用*內(nèi)

15、容要求1組概念：理想運放的“虛短”和“虛斷”8個基本運算：硬件電路完成運算功能一、理想運算放大器的概念1. 運算放大器的電路模型 運算放大器的電路模型通常： 開環(huán)電壓增益 Avo105 （很高） 輸入電阻 ri 106 （很大） 輸出電阻 ro 100 （很?。?vOAvo(vPvN) （ V vO V ） 理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)2. 運算放大器的電路特性電壓傳輸特性線性范圍內(nèi)Avo斜率end若VPVN0則 Vo= +Vom=V若VPVN 0則Vo= -Vom=V由于理想運放：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)vNvP 0vN=vP虛斷: ri虛短:IN=

16、IP3、“虛短”和“虛斷”的概念二、基本運放電路1、 同相比例運算電路 （可作為公式用）推導 Vo=？根據(jù)虛短和虛斷的概念有 vpvn， ip-in0iR1iR2Vi=vpvn當R2=0，稱“電壓跟隨器”vovn vp vi電壓跟隨器的作用無電壓跟隨器時 負載上得到的電壓電壓跟隨器時ip0，vpvs根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vs2、 反相比例運算放大電路 推導 Vo=？根據(jù)虛短和虛斷的概念有 vn vp =0， ip-in0iR1iR2理想情況o0所以Ro0當R2=R1，稱“反向器”Vo= - Vi當R2 R3時，（1）試證明VS( R3R1/R2 ) IM 解:（1）根據(jù)虛斷有 II

17、=0所以 I2 = IS = VS / R1 例2.3.3直流毫伏表電路（2）R1R2150k，R31k，輸入信號電壓VS100mV時，通過毫伏表的最大電流IM(max)？ 又根據(jù)虛短有 VP = VN =0R2和R3相當于并聯(lián)，所以 I2R2 = R3 (I2 - IM )所以當R2 R3時，VS( R3R1/R2 ) IM （2）end3、 求和電路 根據(jù)虛短、虛斷得：若R1則有（該電路也稱為加法電路）（相加且倒相）4、 求差電路(形式1) 結(jié)構(gòu)上，是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。當則當則 根據(jù)虛短、虛斷得： i1=i4 i2=i3從放大器角度看：雙入單出時，增益為求差電路(形式2)

18、一種高輸入電阻的差分電路儀器用求差放大器（形式3）5、 積分電路式中，負號表示vO與vI在相位上是相反的。根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得設(shè)電容器C的初始電壓為零，則（積分運算）當vI為階躍電壓時，時間上線性運算vO與 t 成線性關(guān)系應用：方波發(fā)生器、波形變換器6、微分電路end例題：電路如圖所示，已知：UCC=|-UEE|=15V，初始電壓uC(0)=0當t=0-t1(1s)時，開關(guān)S接a點；當t=t1(1s)t2(3s)時，開關(guān)S接b點；而當tt2(3s)后，開關(guān)S接c點。試畫出輸出電壓uo（t）的波形圖。(1)因為初始電壓為零(uC(0)=0)，在t=0 1s間，開關(guān)S接地，所以uo=0

19、。(2)在t=1 3s間，開關(guān)S接b點，電容C充電,充電電流 輸出電壓從零開始線性下降。當t=3s時:uo(3)(3)在t3s后，S接c點，電容C放電后被反充電，uo從-4V開始線性上升，一直升至電源電壓UCC就不再上升了。那么升到電源電壓(+15V)所對應的時間tx是多少?注意：實際應用中微分器的高頻增益大。如果輸入含有高頻噪聲，則輸出噪聲也將很大，而且電路可能不穩(wěn)定，所以微分器很少有直接應用。在需要微分運算之處，也盡量設(shè)法用積分器代替。例如，解如下微分方程：7、乘法器當Vx=Vy=Vi，Vo=KVi2 乘方運算 N-1次乘方運算8、除法運算 只有當vX2為正極性時，才能保證運算放大器是處于

20、負反饋工作狀態(tài)，而vX1則可正可負，故屬二象限除法器。 利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有開平方電路實例利用虛短和虛斷概念有得由乘法器的功能有vi必須為負值時，電路才能正常工作。 自學： 6.7 放大電路中的噪聲與干擾6.7.1 放大電路中的噪聲6.7.2 放大電路中的干擾6.7.1 放大電路中的噪聲1. 噪聲的種類及性質(zhì)（1）電阻的熱噪聲 由電子無規(guī)則熱運動而產(chǎn)生隨時間而變化的電壓稱為熱噪聲電壓。（2）三極管的噪聲 熱噪聲 由于載流子不規(guī)則的熱運動通過BJT內(nèi)三個區(qū)的體電阻及相應的引線電阻時而產(chǎn)生。其中rbb所產(chǎn)生的噪聲是主要的。FET主要是溝道電阻的熱噪聲。 散粒噪聲 由于通過發(fā)射結(jié)注

21、入到基區(qū)的載流子數(shù)目，在各個瞬時都不相同，因而引起發(fā)射極電流或集電極電流有一個無規(guī)則的波動，產(chǎn)生散粒噪聲。 閃礫噪聲 這種噪聲與頻率成反比，故又稱為1/f 噪聲或低頻噪聲。 JFET的噪聲主要來源于溝道電阻熱噪聲，MOSFET的1/f 噪聲較嚴重，因而低頻時MOSFET比JFET的噪聲大。一般而言，F(xiàn)ET的噪聲比BJT小。此外。電阻元件中碳膜電阻的1/f 噪聲最大，繞線電阻的1/f 噪聲最小。集成運放的噪聲，是由組成運放內(nèi)部電路的元器件產(chǎn)生的噪聲源以及內(nèi)部電路連接的噪聲源累計的結(jié)果。一般是通過實驗方法進行測量。6.7.1 放大電路中的噪聲2. 放大電路的噪聲指標噪聲系數(shù)定義其中 AP 為功率增

22、益 放大電路不僅把輸入端的噪聲進行放大，而且放大電路本身也存在噪聲。所以，其輸出端的信噪比必然小于輸入端信噪比。 當NF用分貝（dB）表示時6.7.1 放大電路中的噪聲2. 放大電路的噪聲指標噪聲系數(shù)因為當滿足 Ri=Ro 時，NF可表示為另一種形式： 一個無噪聲放大電路的噪聲系數(shù)是0dB，一個低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)應小于3dB。6.7.1 放大電路中的噪聲3. 減小噪聲的措施選低噪聲集成運放，如OP-27，AD745等；采用濾波處理或引入負反饋以抑制噪聲；轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，借助軟件方法，對數(shù)據(jù)進行處理以減小噪聲的影響。6.7.2 放大電路中的干擾1. 雜散電磁場干擾和抑制措施 電路工作環(huán)境一般有許多電磁干擾源，常見的有工頻干擾、無線電臺及雷電現(xiàn)象等，它們所產(chǎn)生電