集成電路運算放大器全

集成電路運算放大器全第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鏡象電流源..

(1).電路組成：鏡象電流源是由三級管電流源演變而來的，如圖1所示。

圖1

6.1集成運放中的電流源

第六章集成電路運算放大器第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電流估算.

由于兩管的VBE相同，所以它們的發(fā)射極電流和集電極電流均相等。電流源的輸出電流，即T2的集電極電流為

當b>>1時當R和VCC確定后，基準電流IREF也就確定了，IC2也隨之而定。由于Ic2≈IREF,我們把IREF看作是IC2的鏡象，所以這種電流源稱為鏡象電流源。

第六章集成電路運算放大器第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）提高鏡象精度.

在圖1中，當b不夠大時，IC2與IREF就存在一定的差別。為了減小鏡象差別，在電路中接入BJTT3，稱為帶緩沖級的鏡象電流源。如下圖所示。該電路利用T3的電流放大作用，減小了IB對IREF的分流作用，從而提高了IC2與IREF鏡象的精度。

原鏡象電流源電路中，對IREF的分流為2IB,帶緩沖級的鏡象電流源電路中，對IREF的分流為2IB/β3,比原來小。

第六章集成電路運算放大器第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.微電流源

鏡象電流源電路適用于較大工作電流（毫安數量級）的場合，若需要減小IC2的值（例如微安級），可采用微電流源電路。（

(1)電路組成為了減小IC2的值，可在鏡象電流源電路中的T2發(fā)射極串入一電阻Re2，如圖所示，便構成微電流源。

第六章集成電路運算放大器第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電流估算.

由電路可得

所以

可見,用阻值不大的Re2就可獲得微小的工作電流。（3）多路電流源在模擬集成電路中，經常用到多路電流源。目的是用一個電流源對多個負載進行偏置。典型的多路電流源如圖所示。第六章集成電路運算放大器第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3．電流源用作有源負載.

由于電流源具有交流電阻大的特點（理想電流源的內阻為無窮大），所以在模擬集成電路中被廣泛用作放大電路的負載。這種由有源器件及其電路構成的放大電路的負載稱為有源負載。共發(fā)射極有源負載放大電路如圖所示。第六章集成電路運算放大器第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

T1是共射極組態(tài)的放大管，信號由基極輸入、集電極輸出。T2、T3和電阻R組成鏡象電流源代替Rc，作為T1的集電極有源負載。電流IC2等于基準電流IREF。

根據共射放大電路的電壓增益可知，該電路電壓增益表達式為

其中ro是電流源的內阻，即從集電極看進去的交流等效電阻。而用電阻Rc作負載時，電壓增益表達式為

由于ro

>>Rc所以有源負載大大提高了放大電路的電壓增益。第六章集成電路運算放大器第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2差分式放大電路6.2.1差模信號和共模信號的概念

1.概念

差分式放大電路是一個雙口網絡，每個端口有兩個端子，可以輸入兩個信號，輸出兩個信號。其端口結構示意圖如圖1所示。

普通放大電路也可以看成是一個雙口網絡，但每個端口都有一個端子接地。因此，只能輸入一個信號，輸出一個信號。第六章集成電路運算放大器第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月當差分放大電路的兩個輸入端子接入的輸入信號分別為vi1和vi2時，兩信號的差值稱為差模信號，而兩信號的算術平均值稱為共模信號。即差模信號

共模信號

根據以上兩式可以得到

可以看出，兩個輸入端的信號均可分解為差模信號和共模信號兩部分。第六章集成電路運算放大器第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.兩種信號的特點.

差模分量：大小相等，相位相反；共模分量：大小相等，相位相同；3.增益.

差模電壓增益

共模電壓增益總輸出電壓其中，表示由差模信

號產生的輸出。4.共模抑制比

共模抑制比是衡量放大電路抑制零點漂移能力的重要指標。第六章集成電路運算放大器第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2基本差分式放大電路1.電路組成及特點.

由兩個共射級電路組成,如圖所示：

特點：電路對稱，射級電阻共用，或射級直接接電流源（大的電阻和電流源的作用是一樣的）有兩個輸入端，有兩個輸出端第六章集成電路運算放大器第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2.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3.工作原理.

(1)靜態(tài)分析

這是因為在靜態(tài)時，Vi=0即V短路

靜態(tài)時Vc1=Vc2,所以Vo=Vc1-Vc2=0。

即輸入為0時，輸出也為0。

第六章集成電路運算放大器第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)動態(tài)分析

當電路的兩個輸入端各加入一個大小相等極性相反的差模信號時，Vi1=Vi2=Vid/2一管電流將增加，另一管電流減小，輸出電壓為:Vo=Vc1-Vc2≠0即差模信號輸入時，兩管之間有差模信號輸出。

2.抑制零點漂移的原理.

（1）零點漂移.

如果將直接耦合放大電路的輸入端短路，其輸出端應有一固定的直流電壓，即靜態(tài)輸出電壓。但實際上輸出電壓將隨著時間的推移，偏離初始值而緩慢地隨機波動，這種現象稱為零點漂移，簡稱零漂。零漂實際上就是靜態(tài)工作點的漂移。

（2）零漂產生的主要原因.

a)溫度的變化。溫度的變化最終都將導致BJT的集電極電流IC的變化，從而使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，使輸出產生漂移。因此，零漂有時也稱為溫漂。第六章集成電路運算放大器第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月b)電源電壓波動。電源電壓的波動，也將引起靜態(tài)工作點的波動，而產生零點漂移。無論是溫度變化還是電源波動，都會對兩管產生相同的作用，其效果相當于在兩個輸入端加入了共模信號。因此，當共模信號作用于電路時，必須分析電路的零漂情況。

（3）差動放大電路對零漂的抑制.

a)雙端輸出時----

靠電路的對稱性和恒流源偏置抑制零漂。溫度變化

兩管集電極電流以及相應的集電極電壓發(fā)生相同的變化

在電路完全對稱的情況下，雙端輸出（兩集電極間）的電壓可以始終保持為零（或靜態(tài)值）

抑制了零點漂移b)單端輸出時由于電路中Re的存在，將對電路產生如下影響：第六章集成電路運算放大器第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月以上過程類似于分壓式射極偏置電路的溫度穩(wěn)定過程。由于Re的存在，使Ic得到了穩(wěn)定，所以在雙端輸出的情況下，兩管的輸出會穩(wěn)定在0（靜態(tài)）值。抑制了零點漂移。Re越大，抑制零漂的作用越強。即使電路處于單端輸出方式時，仍有較強的抑制零漂能力。但由于Re上流過兩倍的集電極變化電流，其穩(wěn)定能力比射極偏置電路更強。3．差模輸入時主要技術指標的計算

（1）雙端輸入雙端輸出交流通路和差模等效電路

c第六章集成電路運算放大器第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：

(a)差模輸入時，vi1=-vi2=vid/2,當一管電流ic1增加時，另一管的電流ic2必然減小。由于電路對稱，ic1的增加量必然等于ic2的減少量。所以流過恒流源（或Re）的電流不變，ve=0.故如圖所示的交流通路中Re為0（短路）。

(b)差模輸入時，vi1=-vi2=vid/2,每一管上的電壓僅為總的輸入電壓vid的1/2。故雖然電路由兩管組成，但總的電壓放大倍數僅與單管的相同。即Av=-BRc/rbe(c)如果在輸出端接有負載電阻RL,由于負載兩端的電位變化量相等，變化方向相反，故負載的中點處于交流地電位。因此，如圖所示的交流通路中每一管的負載為RL/2。此時，總的電壓放大倍數與單管的相同。即Av=-BRL’/rbe.(d)由于雙端輸入，故輸入電阻為兩管輸入電阻的串聯(lián)，即Rid=2rbe(e)由于雙端輸出，故輸出電阻為兩管輸出電阻的串聯(lián)，即Ro=2Rc

動態(tài)指標計算結果如下：第六章集成電路運算放大器第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）雙端輸入單端輸出.

電路和差模等效電路

c（a）由于單端輸出時負載上輸出的只是一個管子的變化量，而輸入情況與雙端輸出時完全一樣。故放大倍數是雙端輸出的一半。(b)單端輸出時，輸出電阻是一個管子的輸出電阻。故輸出電阻為雙端輸出的一半。第六章集成電路運算放大器第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)指標計算結果：

(3)單端輸入.應用：有時要求放大電路的輸入端有一端接地，就要使用這種放大器單端輸入時的交流通路如圖所示。（1）圖中的ro很大（Re或者電流源的等效電阻），滿足ro>>re(發(fā)射結電阻)，故ro可視為開路。（2）Ro開路后，可認為Vi均分在兩管的輸入回路上。即每管的輸入電壓為Vi/2.（3）于是，單端輸入時電路的工作狀態(tài)與雙端輸入時近似一致。各指標也近似相同。

第六章集成電路運算放大器第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

雙入雙出時的差模指標：(1)電壓放大倍數Av和輸出電阻Ro只與輸出端的方式有關；單端輸出時為雙端輸出的一半；

(2)輸入電阻Ri只與輸入端的方式有關；單端輸入時為雙端輸入的一半；4．共模輸入時技術指標及共模抑制比

（1）雙端輸出.交流通路如圖

第六章集成電路運算放大器第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月共模電壓增益：雙端輸出時的共模電壓增益是指電路的雙端輸出電壓與共模輸入電壓之比。在電路完全對稱的情況下，vo1=vo2,vo=vo1-vo2=0共模增益為輸入電阻,共模情況下，兩輸入端是并聯(lián)的，因此(2)單端輸出單端輸出時的共模等效電路如圖所示。它等效于一個射級電阻為2ro的共射放大電路。共模增益為：一般情況下，2ro>>rbe,β>>1,則有：第六章集成電路運算放大器第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）共模抑制比.

共摸抑制比定義為差模增益與共模增益之比，即

或（dB）

電路的共摸抑制比KCMR顯示電路對零漂的抑制能力的大小。因此希望KCMR越大越好。雙端輸出時，電路完全對稱的理想情況下，由于共模增益Aoc=0，所以KCMR=

。單端輸出時，

若用電流源替換Re，則共模抑制比為第六章集成電路運算放大器第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3差分式放大電路的傳輸特性傳輸特性就是放大電路輸出信號（電流或電壓）隨輸入信號變化的函數關系。它可以用BJT的be結值電壓vBE與發(fā)射極電流IE的基本關系求出。由PN結的伏安特性可知又因為

由以上各式可解得第六章集成電路運算放大器第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式做出iC1、iC2與vid的傳輸特性曲線如圖下中實線所示。從傳輸特性曲線可以看出：1．當vid=vi1-vi2=0時，ic1+ic2=Io,ic1=ic2=Io/2,即c1/Io=ic2/Io=0.5電路工作在曲線的Q點，處于靜態(tài).2.當vid在0--±VT的范圍內，vid增加時，ic1增加，ic2減小。且ic1、ic2與vid呈線性關系。電路工作在放大區(qū)。如圖中用豎虛線所示的區(qū)域。

3．當vid≧4VT

即超過±100mV時，曲趨于平坦。當vid增大時，T1管趨于飽和，T2管趨于截止。Ic1-ic2幾乎不變。這時電路工作在特性曲線的非線性區(qū)。差動放大電路呈現良好的限幅特性。4．在兩管的發(fā)射極上分別串接電阻R1=R2=Re，可以擴大傳輸特性的線性范圍。如圖中虛線所示。第六章集成電路運算放大器第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.3簡單的集成電路運算放大器

1．集成電路運算放大器的組成

集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結構具有共同之處，一般由四部分組成。（1）輸入級一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個輸入端構成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。（2）.電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成（3）.輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。（4）偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路以及高頻補償環(huán)節(jié)等。。第六章集成電路運算放大器第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．簡單的運算放大器

簡單運算放大器的原理電路如圖所示。

（1）T1,T2對管組成差分式放大電路，信號雙端輸入、單端輸出。（2）復合管T3,T4組成共射極電路，形成電壓放大級，以提高整個電路的電壓增益。

（3）T5,T6組成兩級電壓跟隨器，構成電路的輸出級，它不僅可以提高帶負載的能力，而且可進一步使直流電位下降，以達到輸入信號電壓vid=vi1-vi2為零時，輸出電壓vO=0的目的。（4）R7和D組成低電壓穩(wěn)壓電路以供給的基準電壓，它與T9一起構成電流源電路以提高T5的電壓跟隨能力。（5）電路符號：由此可見，運算放大器有兩個輸入端（即反相輸入端1和同相輸入端2）,與一個輸出端3。在運算放大器的代表符號中，反相輸入端用"-"號表示，同相輸入端用"+"表示。器件外端輸入、輸出相應地用N,P和O表示。（6）輸入和輸出的相位：利用瞬時極性法分析可知，當輸入信號電壓vi1從反相輸入端輸入時（vi2=0），如vi1的瞬時變化極性為(+)時，各級輸出端的瞬時電位極性為：vC2（+）→vO2（–）→vB6（–）→vO（–）則輸出信號電壓vo與vi1反相；同時，當輸入信號電壓從同相端輸入vi2(vi1=0)時，可以檢驗，輸出電壓vo與vi2同相。第六章集成電路運算放大器第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4集成電路運算放大器的主要參數（選講內容）

1．輸入失調電壓VIO

一個理想的集成運放，當輸入電壓為零時，輸出電壓也應為零（不加調零裝置）。但實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零時，存在一定的輸出電壓。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電壓VIO。實際上指輸入電壓VI=0時，輸出電壓VO折合到輸入端的電壓的負值，即VIO的大小反應了運放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。VIO值愈大，說明電路的對稱程度愈差，一般約為

（1~10）mV。第六章集成電路運算放大器第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．輸入偏置電流IIBBJT的集成運放的兩個輸入端是差分對管的基極，因此兩個輸入端總需要一定的輸入電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運放輸出電壓為零時，兩個輸入端靜態(tài)電流的平均值。當時，偏置電流為輸入偏置電流的大小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于運放差分輸入級BJT的性能，當它的

值太小時，將引起偏置電流增加。從使用角度來看，偏置電流愈小，由信號源內阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故它是重要的技術指標。一般為10nA~1

A。第六章集成電路運算放大器第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3．輸入失調電流IIO

由于信號源內阻的存在，IIO會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了輸入級有效差分對管的不對稱程度，一般約為1nA~0.1

在BJT集成電路運放中，輸入失調電流IIO是指當輸出電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即4．溫度漂移

放大器的溫度漂移是漂移的主要來源，而它又是由輸入失調電壓和輸入失調電流隨溫度的漂移所引起的，故常用兩種方式表示：

輸入失調電壓溫漂

VIO/

T這是指在規(guī)定溫度范圍內VIO的溫度系數，也是衡量電路溫漂的重要指標。

VIO/

T不能用外接調零裝置的辦法來補償。高質量的放大器常選用低漂移的器件來組成，一般約為

（10~20）

V/℃。

輸入失調電流溫漂

IIO/

T這是指在規(guī)定溫度范圍內IIO的溫度系數，也是對放大器電路漂移的量度。同樣不能用外接調零裝置來補償。高質量的運放每度幾個pA。第六章集成電路運算放大器第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月5．最大差模輸入電壓Vidmax

所指的是集成運放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。超過這個電壓值，運放輸入級某一側的BJT將出現發(fā)射結的反向擊穿，而使運放的性能顯著惡化，甚至可能造成永久性損壞。利用平面工藝制成的NPN管約為

5V左右，而橫向BJT可達

30V以上。6．最大共模輸入電壓Vicmax

這是指運放所能承受的最大共模輸入電壓。超過Vicmax值，它的共模抑制比將顯著下降。一般指運放在作電壓跟隨器時，使輸出電壓產生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值，高質量的運放可達

13V。

7。最大輸出電流Iomax

是指運放所能輸出的正向或負向的峰值電流。通常給出輸出端短路的電流。

第六章集成電路運算放大器第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8．開環(huán)差模電壓增益AVO

是指集成運放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負載，無負反饋情況下的直流差模電壓增益。AVO與輸出電壓VO的大小有關。通常是在規(guī)定的輸出電壓幅度（如VO=

10V）測得的值。AVO又是頻率的函數，頻率高于某一數值后，AVO的數值開始下降。圖XX_02表示741型運放AVO的頻率響應。9．開環(huán)帶寬BW（fH）

開環(huán)帶寬BW又稱為–3dB帶寬，是指開環(huán)差模電壓增益下降3dB時對應的頻率fH。741型集成運放的頻率響應AVO（f）如圖XX_02所示。由于電路中補償電容C的作用，它的fH約為7Hz。10．單位增益帶寬BWG（fT）

對應于開環(huán)電壓增益AVO頻率響應曲線上其增益下降到AVO=1時的頻率，即AVO為0dB時的信號頻率fT。它是集成運放的重要參數。741型運放的AVO=2

105時，它的。第六章集成電路運算放大器第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5專用型集成電路運算放大器簡介

1．高輸入阻抗型

該類型集成運放的差模輸入電阻rid>(109~1012)W，輸入偏置電流IIB為幾皮安~幾十皮安，故又稱為低輸入偏置電流型。實現這些指標的主要措施，一般是利用FET輸入阻抗高、BJT電壓增益高的優(yōu)點，由BJT與FET相結合而構成差分輸入級電路，常稱為BiFET型。

2．高精度、低漂移型

這種類型的運放，一般用于毫伏量級或更低的微弱信號的精密檢測、精密模擬計算、高精度穩(wěn)壓電源及自動控制儀表中。

第六章集成電路運算放大器第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3．高速型

對這種類型的運放，要求轉換速率SR>30V/ms，最高可達幾百伏/微秒，單位增益帶寬BWG>10MHz。一般用于快速A/D和D/A轉換器、有源濾波器、高速取樣-保持電路、鎖相環(huán)、精密比較器和視頻放大器中。實現高速的主要措施是，在信號通道中盡量采用NPN型管，以提高轉換速率；同時加大工作電流，以使電路中各種電容的電壓變化加快；或在電路結構上采用FET和BJT相兼容的BiFET，或用全MOSFET結構，使電路的輸入動態(tài)范圍加大，因而電路轉換速率也增加。目前產品有mA715、LH0032和AD9618等，其中mA715的SR<100V/ms，BWG=65MHz，而AD9618的SR高達1800V/ms，BWG=8GHz。

4．低功耗型

對于這種類型的運放，要求在電源電壓±15V時，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低電源電壓（如1.5~4V）時，具有低的靜態(tài)功耗和保持良好的電氣性能（如AVO=80~100dB）。為此，在電路結構上，一般采用外接偏置電阻和用有源負載代替高阻值的電阻