第 4章 集成运算放大器电路第 4章 集成运算放大器电路
4–1 集成运算放大器的特点
4–2 电流源电路
4–3 差动放大电路
4–4 集成运算放大器的输出级电路
4–5 集成运放电路举例
4–6 MOS集成运算放大器
4–7 集成运算放大器的主要性能指标第 4章 集成运算放大器电路
4–1 集成运算放大器的特点集成运放是一种多级放大电路,性能理想的运放应该具有电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,工作点漂移小等特点 。 与此同时,在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约 。 因此,集成运放在电路设计上具有许多特点,主要有：
(1) 级间采用直接耦合方式 。
(2) 尽可能用有源器件代替无源元件 。
(3) 利用对称结构改善电路性能 。
第 4章 集成运算放大器电路关于集成电路的制造工艺见附录 A。
集成运放电路形式多样,各具特色 。 但从电路的组成结构看,一般是由输入级,中间放大级,输出级和电流源四部分组成,如图 4–1所示 。
第 4章 集成运算放大器电路输入级中间级输出级电流源电路
U
i
U
o
图 4–1 集成运算放大器组成框图第 4章 集成运算放大器电路
4–2 电流源电路电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用 。 一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流,
另一方面可作为有源负载,提高单级放大器的增益 。
下面我们从晶体管实现恒流的原理入手,介绍集成运放中常用的电流源电路 。
第 4章 集成运算放大器电路一、单管电流源电路图 4–2(a)画出了晶体管基极电流为 IB的一条输出特性曲线 。 由图可见,当 IB一定时,只要晶体管不饱和也不击穿,IC就基本恒定 。 因此,固定偏流的晶体管,从集电极看进去相当于一个恒流源 。 由交流等效电路知,
它的动态内阻为 rce,是一个很大的电阻 。 为了使 IC更加稳定,可以采用分压式偏置电路 (即引入电流负反馈 )，
便得到图 4–2(b)所示的单管电流源电路 。 图 4–2(c)为该电路等效的电流源表示法,图中 Ro为等效电流源的动态内阻 。 利用图 4–2(b)电路的交流等效电路可以证明,Ro近似为第 4章 集成运算放大器电路
I
C
0
I
B
U
CE
R
1
R
2
I
C
R
3
－ U
EE
I
C
R
o
( a ) ( b ) ( c )
图 4–2
(a)晶体管的恒流特性； (b)恒流源电路；
(c)等效电流源表示法第 4章 集成运算放大器电路式中,RB=R1‖ R2。
需要指出,晶体管实现恒流特性是有条件的,即要保证恒流管始终工作在放大状态,否则将失去恒流作用 。 这一点对所有晶体管电流源都适用 。
)1( 3
3
Bbe
ceo RRr
RrR
(4–1)
第 4章 集成运算放大器电路二,镜像电流源在单管电流源中,要用三个电阻,所以不便集成 。
为此,用一个完全相同的晶体管 V1,将集电极和基极短接在一起来代替电阻 R2和 R3,便得到图 4–3所示的镜像电流源电路 。 由图可知,参考电流 Ir为
r
CC
r
BECC
r R
U
R
UUI
(4–2)
由于两管的 e结连在一起，所以 IB相同,IC也相同。
由图可知
1
2
112 22?
C
rBrCC
IIIIII (4–3)
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
r
I
r
I
C1
V
1
V
2
I
C2
图 4–3 镜像电流源第 4章 集成运算放大器电路如果 β11,则 IC2≈Ir。 可见,只要 Ir一定,IＣ 2就恒定；
改变 Ir,IC2也跟着改变 。 两者的关系好比物与镜中的物像一样,故称为镜像电流源 。
将上述原理推广,可得多路镜像电流源,如图 4–
4所示 。 图中为三路电流源,V5管是为了提高各路电流的精度而设置的 。 因为在没有 V5管时,IC1=Ir-4IB1,加了
V5管后,IC1 = Ir - 4IB1 /(1+β5),故此可得因此可得
1
1
2 2
r
C
II (4–3)
第 4章 集成运算放大器电路因 β1(1+β5)4容易满足,所以各路电流更接近 Ir,并且受 β的温度影响也小 。
在集成电路中,多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的,图 4–5(a)电路就是一个例子 。 它利用一个三集电极横向 PNP管组成双路电流源 (横向 PNP管是采用标准工艺,在制作 NPN管过程中同时制作出来的一种 PNP管,详见附录 A),其等价电路如图 4–5(b)所示 。
rCCC IIII 4)1(
)1(
51
51
432
(4–4)
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
r
I
r
V
1
I
C4
V
4
V
2
I
C2
V
3
I
C3
V
5
图 4–4 多路镜像电流源第 4章 集成运算放大器电路
I
r
R
r
I
C1
I
C2
U
CC
I
C3
R
r
I
r
I
C2
I
C3
V
3
V
2
V
1
U
CC
( a ) ( b )
图 4–5
(a)三集电极横向 PNP管电路； (b)等价电路第 4章 集成运算放大器电路三,比例电流源如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系,可采用图 4–6所示的比例电流源电路 。 由图可知
222111 RIURIU EBEEBE (4–5)
因为
1
2
2
1
21
2
2
1
2
2
2
1
1
1
lnln
ln
ln
E
E
T
E
E
TBEBE
S
E
S
S
E
TBE
S
E
TBE
I
I
U
I
I
UUU
I
I
I
I
I
UU
I
I
UU
所以
(4–6)
第 4章 集成运算放大器电路
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
R
2
U
CC
U
B E 1
U
B E 2
＋ ＋
－ －
R
1
I
E2
I
E1
I
B1
I
B2
图 4–6比例电流源第 4章 集成运算放大器电路即室温下,两管的 UBE相差不到 60mV,仅为此时两管 UBE电压 (>600mV) 的 10%。 因此,可近似认为
UBE1≈UBE2。 这样,式 (4–5)简化为当两管的射极电流相差 10倍以内时：
mVUIIUUU T
E
E
TBEBE 6010lnln
2
1
21
rC
EE
I
R
R
I
RIRI
2
1
2
2211
若 β1,则 IE1≈Ir,IE2≈IC2,由此得出
(4–8)
(4–7)
第 4章 集成运算放大器电路可见,IC2与 Ir成比例关系,其比值由 R1和 R2确定 。
参考电流 Ir现在应按下式计算：
11
1
RR
U
RR
UUI
r
CC
r
BECC
r
(4–9)
第 4章 集成运算放大器电路四,微电流电流源在集成电路中,有时需要微安级的小电流 。 如果采用镜像电流源,Rr势必过大 。 这时可令图 4–6电路中的 R1=0,便得到图 4–7所示的微电流电流源电路 。
由式 (4–5),(4–6)可知,在 R1=0时：
2
1
2
21
2
2 ln)(
1
E
ET
BEBEE I
I
R
UUU
RI
当 β1>>时,IE1≈Ir,IE2≈IC2,由此可得
22
2 ln
C
r
C
T
I
I
I
UR? (4–10)
第 4章 集成运算放大器电路
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
R
2
图 4–7微电流电流源第 4章 集成运算放大器电路此式表明,当 Ir和所需要的小电流一定时,可计算出所需的电阻 R2。 例如,已知 Ir=1mA,要求 IC2=10μA时,
则 R2为
kR 12101000ln1010 1026 6
3
2
如果 UCC=15V,要使 Ir=1mA,则 Rr≈15kΩ。
由此可见,要得到 10μA的电流,在 UCC=15V时,
采用微电流电流源电路,所需的总电阻不超过 27kΩ。
如果采用镜像电流源,则电阻 Rr要大到 1.5MΩ。
第 4章 集成运算放大器电路五,负反馈型电流源以上介绍的几种电流源,虽然电路简单,但有两个共同的缺点：一是动态内阻不够大,
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
I
E3
I
C3
I
C1
I
B3
V
3
图 4–8 威尔逊电流源第 4章 集成运算放大器电路
2
2
1
1
33
3
3
3
321
3
131
23
1
,
2
CC
CE
ECCC
C
CBCr
r
BECC
r
BEBECC
r
II
II
IIII
I
IIII
R
UU
R
UUU
I
又
(4–11)
若三管特性相同,则 β1=β2=β3=β,求解以上各式可得
rC II )22
21(
23
(4–12)
第 4章 集成运算放大器电路可见,威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻,而且输出电流受 β的影响也大大减小 。
图 4–9给出了另一种反馈型电流源电路 。 它由两个镜像电流源串接在一起组成,故称串接电流源 。 关于它的稳流原理留给读者自行分析 。
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
ceo rR 2
(4–13)
第 4章 集成运算放大器电路
R
r
I
r
V
3
V
4
U
CC
I
C2
V
2
V
1
图 4–9 串接电流源第 4章 集成运算放大器电路六、有源负载放大器集成运放要有极高的电压增益,这是通过多级放大器级联实现的 。 在电压增益一定时,为了减少级数,就必须提高单级放大器的电压增益 。 因此,在集成运放中,
放大器多以电流源作有源负载 。 典型的有源负载共射放大电路如图 4–10(a)所示 。 图中,V2,V3管构成镜像电流源作 V1管的集电极负载 。 由于该电流源的动态内阻为 rce3，
所以此时 V1管的电压增益只需将共射增益表达式中的 RC
用 rce3取代即可 。 当实际负载 RL通过射随器隔离后接入,
则该级放大器可获得极高的电压增益 。
第 4章 集成运算放大器电路
( a ) ( b )
U
CC
V
3
V
2
u
o
V
1
u
i
R
r
U
CC
V
3
V
2
Δ I
C1
V
1
u
i
Δ I
C3
Δ I
C2
u
o
I
图 4–10
(a)共射电路； (b)具有倒相功能的共射电路第 4章 集成运算放大器电路图 4–10(b)为另一种接法的有源负载共射电路 。
V3,V2管组成镜像电流源作 V1管的有源负载,而输出取自恒流管 V2的集电极 。
第 4章 集成运算放大器电路
4–3 差动放大电路
4–3–1零点漂移现象单级共射放大器如图 4–11所示 。 由前面讨论可知,
在静态时,由于温度变化,电源波动等因素的影响,
会使工作点电压 (即集电极电位 )偏离设定值而缓慢地上下漂动 。
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
C
Δ U
C
R
B
Δ U
ip
＋
－
图 4–11 放大器的零点漂移第 4章 集成运算放大器电路
4–3–2差动放大器的工作原理及性能分析基本差动放大器如图 4–12所示 。 它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成,通过两管射极连接并经公共电阻 RE将它们耦合在一起,所以也称为射极耦合差动放大器 。
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
C
U
C2
R
L
R
C
U
C1
U
i1
U
i2
R
E
－ U
EE
V
1
V
2
－＋
U
o
图 4–12 基本差动放大器第 4章 集成运算放大器电路首先来分析图 4–12电路的静态工作点 。 为了使差动放大器输入端的直流电位为零,通常都采用正,负两路电源供电 。 由于 V1,V2管参数相同,电路结构对称,
所以两管工作点必然相同 。 由图可知,当 Ui1=Ui2=0时：
VUU BEE 7.0
则流过 RE的电流 I为
E
EE
E
EEE
R
U
R
UU
I
7.0)(?
(4–14)
第 4章 集成运算放大器电路可见,静态时,差动放大器两输出端之间的直流电压为零 。 下面分析差动放大器的动态特性 。 分析过程中特别提醒读者注意射极公共电阻 RE的作用 。
CQCCCQCQC
CQCCCQEQE
QEQEQCQC
RIUUU
RIUUU
IIIII
121
121
2121
7.0
2
1
故有
(4–15)
(4–16)
(4–17)
第 4章 集成运算放大器电路一,差模放大特性如果在图 4–12差动电路的两个输入端加上一对大小相等,相位相反的差模信号,即 Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而
Uid1=-Uid2。 由图可知,这时一管的射极电流增大,另一管的射极电流减小,且增大量和减小量时时相等 。
因此流过 RE的信号电流始终为零,公共射极端电位将保持不变 。 所以对差模输入信号而言,公共射极端可视为差模地端,即 RE相当对地短路 。
第 4章 集成运算放大器电路通过上述分析,可得出图 4–12电路的差模等效通路如图 4–13所示 。 图中还画出了输入为差模正弦信号时,输出端波形的相位关系 。 利用图 4–13等效通路,
我们来计算差动放大器的各项差模性能指标 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4–13基本差动放大器的差模等效通路
－
＋
U
o d 1
＋
－
U
o d 2
＋
－
R
L
2
R
L
2
V
2
V
1
＋
＋
U
i d 1
U
i d 2
－
－
U
id
＋
－
R
C
R
C
U
od
第 4章 集成运算放大器电路
1,差模电压放大倍数差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比 。 在双端输出时,输出电压为
2121
2121
22
22
ididididid
ododododod
UUUUU
UUUUU
输入差模电压为所以
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
(4–18)
式中,R′L=RC‖ RL。 可见,双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数 。2
1
第 4章 集成运算放大器电路可见,这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半,且两输出端信号的相位相反 。 需要指出,若单端输出时的负载 RL接在一个输出端到地之间,则计算
Aud时,总负载应改为 R′L=RC‖ RL。
单端输出时，则
ud
id
od
id
od
ud
ud
id
od
id
od
ud
A
U
U
U
U
A
A
U
U
U
U
A
2
1
2
2
1
2
1
12
(
1
11
(
单）
单）
(4–19)
(4–20)
或第 4章 集成运算放大器电路
2,差模输入电阻差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比 。 由图 4–13可得
be
id
id
id
id
id rI
U
I
UR 22 1
3,差模输出电阻双端输出时为
(4–21)
Cod
Cod
RR
RR
单）(
2单端输出时为
(4–22a)
(4–22b)
第 4章 集成运算放大器电路二,共模抑制特性如果在图 4–12差动放大器的两个输入端加上一对大小相等,相位相同的共模信号,即 Ui1=Ui2=Uic,由图可知,此时两管的射极将产生相同的变化电流 ΔiE,使得流过 RE的变化电流为 2ΔiE,从而引起两管射极电位有 2 RE Δ iE的变化 。 因此,从电压等效的观点看,相当每管的射极各接有 2 RE的电阻 。
第 4章 集成运算放大器电路通过上述分析,图 4–12电路的共模等效通路如图
4–14所示 。 利用该电路,现在来分析它的共模指标 。
1.共模电压放大倍数双端输出时的共模电压放大倍数定义为
ic
icoc
ic
oc
uc U
UU
U
UA 21
当电路完全对称时,Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零,即 Auc=0。
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
U
o c2
R
C
U
o c1
U
ic
V
1
V
2
－＋
U
oc
＋
－
2 R
E
2 R
E
图 4–14 基本差动放大器的共模等效通路第 4章 集成运算放大器电路单端输出时的共模电压放大倍数定义为
Ebe
C
ic
oc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
Rr
R
U
U
U
U
A
U
U
A
U
U
A
2)1(
21
(
2
(
1
(
单）
单）单）
或
(4–23)
由图 4–14可得通常满足 (1+β)2RE>>rbe,所以上式可简化为
E
C
uc R
RA
2(单）
(4–24)
第 4章 集成运算放大器电路可见,由于射极电阻 2RE的自动调节 (负反馈 )作用,
使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小 。 在实际电路中,均满足 RE>RC,故 |Auc(单 )|<0.5,即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制 。 共模负反馈电阻 RE越大,则抑制作用越强 。
第 4章 集成运算放大器电路
2,共模输入电阻由图 4–14不难看出,共模输入电阻为
]2)1([212
1
Ebe
ic
ic
ic
ic
ic RrI
U
I
UR (4–25)
3.共模输出电阻单端输出时为
Coc RR?单）(
(4–26)
第 4章 集成运算放大器电路三,共模抑制比 KCMR
为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,我们引入参数共模抑制比 KCMR。 它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值,即
uc
ud
C M R A
AK? (4–27)
)(lg20 dBAAK
uc
ud
C M R?
KCMR也常用 dB数表示，并定义为
(4–28)
第 4章 集成运算放大器电路
KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性 。 在双端输出理想对称的情况下,因 Auc=0,所以 KCMR趋于无穷大 。 但实际的差动电路不可能完全对称,因此
KCMR为一有限值 。 在单端输出不对称的情况下,
KCMR必然减小,由式 (4–18),(4–19)和 (4–23)可求得
uc
ud
C M R A
AK? (4–29)
第 4章 集成运算放大器电路四,对任意输入信号的放大特性如果在图 4–12差动放大器的两个输入端分别加上任意信号 Ui1和 Ui2,即 Ui1和 Ui2既不是差模信号,也不是共模信号,这时可以把 Ui1和 Ui2写成如下形式：
22
2121
2
11
2121
1
22
22
icid
iiii
i
icid
iiii
i
UU
UUUU
U
UU
UUUU
U
(4–30)
(4–31)
第 4章 集成运算放大器电路不难看出,差动电路相当输入了一对共模信号
2121
21
21
21
21
2
2
iiididid
ii
icic
ic
ii
icic
UUUUU
UU
UU
U
UU
UU
和一对差模信号根据定义,这时的差模输入电压为
(4–32)
(4–33)
(4–34)
第 4章 集成运算放大器电路
4–3–3具有恒流源的差动放大电路图 4–12所示的基本差动放大器,存在两个缺点：
一是共模抑制比做不高,二是不允许输入端有较大的共模电压变化 。 对于前者,是因为差放管 V1,V2的 rbe与
RE相关,即 RE较大而忽略 rbb′时,由式 (4–15),rbe可近似为
EE
TE
EQ
T
be U
UR
I
Ur 2)1()1(
与 RE成正比 。 对于单端输出,将上式代入式
(4–29)可得
T
EE
CT
LEE
C M R U
U
RU
RUK
22(?
单）
(4–38)
第 4章 集成运算放大器电路若 UEE=15V,则室温下,KCMR(单 )的上限约为
300,而与 RE的取值无关 。 对于双端输出,在电路不对称时,也有类似情况 。 可见,不能单靠增大 RE来提高共模抑制比 。 对于后者,因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化,进而将影响差放管的静态工作电流,使 rbe改变 。 因此,输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化,这是我们不希望的 。
第 4章 集成运算放大器电路为此,用恒流源代替图 4–12电路中的 RE,可以有效地克服上述缺点 。 一种具有恒流源的差动放大电路如图 4–15(a)所示 。 图中,恒流源为单管电流源 。 这是分电流源,小电流电流源等 。
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
U
C2
R
C
U
C1
U
i1
V
1
V
2
－＋
U
oc
－ U
EE
V
3
U
B3
R
1
R
2
R
3
U
i2
( a ) ( b )
U
CC
R
C
R
C
U
i1
V
1
V
2
－＋
U
o
U
i2
－ U
EE
I
U
CC
图 4–15
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路； (b)电路的简化表示第 4章 集成运算放大器电路图 4–15(a)电路的静态工作点,可按以下方法估算：
CQCBECCQCEQCE
CQCQC
BER
EC
EER
RIUUUU
III
R
UU
II
U
RR
R
U
121
321
3
33
21
2
2
1
2
2
第 4章 集成运算放大器电路
4–3–4差动放大器的传输特性在图 4–16电路中,设恒流源电流 I小于差放管的集电极临界饱和电流,即 I<UCC/RC,从而使差放管的工作点偏向截止区 。 在此条件下,图中的两个对称差放管 V1,V2
TBETBE
TBETBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
Uu
SE
eIeIi
eIeIi
//
2
//
1
22
11
)1(
)1(
(4–39a)
(4–39b)
由图可知
21 EE iiI
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
R
C
i
C1
u
id
V
1
V
2
－＋
u
o
＋
－ U
EE
I
－
i
C2
U
CC
图 4-16 简化的差动放大器第 4章 集成运算放大器电路
21
12
2
11
1
1
22
2
( 1 ) 1
( 1 ) 1
B E B E
T
B E B E
T
uu
UE
EC
E
uu
UE
EC
E
i
I i i e
i
i
I i i e
i
(4-40a)
(4-40b)
由于,因而将其代入式（ 4-4a)可解的12BE BE i du u u
/ 2 /
1 / / 2 / ()1 2 2 2 2 2
i d T i d T
i d T i d T i d T
u U u U
id
C u U u U u U
T
I I I e e I I ui t h
e e e U
(4-41a)
第 4章 集成运算放大器电路用同样推导方法可得
2 / ()1 2 2i d T
id
C uU
T
I I ui t h
eU
(4-41b)
可见,iC1和 iC2与成双曲线正切函数关系。因为
uo=-ic1Rc+ ic2Rc=(ic1-ic2) Rc
12 ()2
id
CC
T
ui i I t h
U
(4-42)
12( ) ( )2
id
o C C C C
T
uu i i R R I th
U
(4-43)
故有第 4章 集成运算放大器电路由式（ 4-41）和（ 4-43），可绘出差动放大器输出电流 iC1,iC2和输出电压 uo与差模输入电压 uid之间的传输特性曲线，分别如图 4-17（ a),(b)所示。分析该曲线，可以得出如下结论。
第 4章 集成运算放大器电路
i
C1
,i
C2
I
i
C1i
C2
i
C1 i
C2
－ 6 U
T
/
－ 4 U
T
－ 2 U
T
0 2 U
T
4 U
T
6 U
T
u
id
( a )
Q
I
2
图 4–17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4–17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线
u
o
IR
C
－ 6 U
T
/
－ 4 U
T
－ 2 U
T
0
2 U
T
4 U
T
6 U
T
u
id
－ I R
C
( b )
第 4章 集成运算放大器电路一,两管集电极电流之和恒等于 I
当 uid=0 时,差 动 电 路 处 于 静 态,这时
iC1=iC2=ICQ=I/2。 当差模电压输入时,一管电流增大,
另一管电流减小,且增大量等于减小量,两管电流之和恒等于 I。
第 4章 集成运算放大器电路二,传输特性具有非线性特性由图 4–17不难看出,在静态工作点附近,当
|uid|≤UT,即室温下,uid在 26mV以内时,传输特性近似为一段直线 。 这表明 iC1,iC2和 uo与 uid成线性关系 。 当 |
uid |≥4 UT,即 uid超过 100mV时,传输特性明显弯曲,而后趋于水平,说明 | uid |继续增大时,iC1,iC2和 uo将保持不变 。 这表明差动电路在大信号输入时,具有良好的限幅特性或电流开关特性 。 此时,一管截止,恒流源电流全部流入另一管 。
第 4章 集成运算放大器电路为了扩展传输特性的线性区范围,可在每个差放管的射极串接负反馈电阻 R(或在基极串接电阻 RB),如图 4–18(a)所示 。 扩展后的电流传输特性曲线见图
4---18(b)。 显然,R(RB)越大,扩展的线性区范围将越大,如图 (b)曲线 ①,② 所示 。 不过,随着线性区范围的扩大,曲线的斜率减小,表明差动放大器的增益将随之降低 。
第 4章 集成运算放大器电路
( R
B
) ( R
B
)
V
1
V
2
R R
－ U
EE
I
( a )
图 4–18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4–18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线
i
C1
,i
C2
I
①
②
I /2 R ↑ ( R
B
↑ )
0 u
id
( b )
第 4章 集成运算放大器电路三,差动放大器的增益与 I成正比由图 4–17(a)所示曲线可知,小信号工作时,在工作点处,iC受 uid的线性控制,其控制作用的大小可以用跨导 gm来衡量 。 gm定义为工作点处,双端输出电流的变化量 ΔiC与输入差模电压变化量 Δuid之比,即
1
22
mQ
id
C
m
Q
id
C
m
g
u
i
g
u
i
g
因为 ΔiC=ΔiＣ１ -ΔiＣ 2=2ΔiＣ１,所以上式变为
(4–44)
第 4章 集成运算放大器电路式中,gm1=ΔiＣ１ /Δuid,为 Q点处单端输出时的跨导,
反映在传输特性上,是图 4–17(a)曲线在 uid =0处的斜率 。
在 uid =0处,对式 (4–41a)求导,可得
T
mm U
Igg
22 1
T
u
id
c
m U
I
du
dig
id 4
1
1
(4–45)
(4–46)
故
I
U
R
RgA
Rg
du
di
R
du
du
A
T
C
Cmud
CmQ
id
C
CQ
id
o
ud
2
(4–47)
(4–48)
第 4章 集成运算放大器电路
4–3–5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调理想对称的差动放大器,当输入信号为零时,双端输出电压应为零 。 但是在实际电路中,由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称,因而使得输出不为零 。 我们把这种零输入时输出电压不为零的现象,
称为差动放大器的失调 。
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
＋ Δ R
C
R
C
U
i
V
1
V
2
－＋
U
o
－ U
EE
I
U
CC
I
B
＋
－
－ ＋
I
IO
2
I
IO
2
U
IO
I
B
图 4–19差动电路的失调电压和失调电流第 4章 集成运算放大器电路
S
CS
S
S
C
CC
C
C
CCCCC
S
S
C
C
TBEBE
BEBEIO
I
RI
I
I
R
RR
I
I
RRIRI
I
I
I
I
UUU
UUU
1
2
2
1
21
1
2
2
1
21
21
)(
)l n (
(4–49)
(4–50)
(4–51)
(4–52)
第 4章 集成运算放大器电路
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU
(4–53)
)(
C
C
BIO R
RII
(4–54)
第 4章 集成运算放大器电路由于差动放大器存在失调,因而实际电路中应设法进行补偿 。 具体的办法是在电路中加入调零措施 。
一种方法是在集成电路的制造过程中,采用电阻版图激光处理技术,调整集电极电阻,使零输入时零输出 。
这种方法效果好,但成本高 。 另一种方法是在外电路中加调零电位器,通过实地调整,作到零输入时零输出 。 图 4–20示出了两种常用的调零电路,分别称为射极调零和集电极调零电路 。
第 4章 集成运算放大器电路
( b )
R
C
V
1
V
2
－＋
U
o
－ U
EE
I
U
CC
R
W
R
S
R
S
( a )
R
C
R
C
V
1
V
2
－＋
U
o
－ U
EE
I
U
CC
R
W
R
S
R
S
R
C
图 4–20
(a)射极调零 ; (b)集电极调零第 4章 集成运算放大器电路二,失调的温度漂移差动放大器虽然可以通过调零措施,在某一时刻补偿失调,作到零输入时零输出,但是失调会随温度的改变而发生变化 。 对这种随机的变化,任何调零措施还作不到理想跟踪调整 。 因此,差动放大器仍有零点的温度漂移 (简称温漂 )现象 。 那么失调的温漂有多大呢?
失调电压 UIO的温漂,可以通过式 (4–53)对温度 T求导得出,并考虑到 ΔRC/RC,ΔIS/ IS在很宽的温度范围内基本恒定,则第 4章 集成运算放大器电路
IOIOB
IO
IOT
S
S
C
CT
S
S
C
CIO
CII
dT
d
dT
d
I
dT
dU
T
U
T
U
I
I
R
R
dT
dU
I
I
R
R
dT
dU
11
)()(
(4–57)
(4–58)
第 4章 集成运算放大器电路
4–4 集成运算放大器的输出级电路图 4–21示出了互补型射随器的原理图 。 V1,V2是两个特性相同的异型输出管,其中 V1为 NPN管,V2为
PNP管,它们分别与负载 RL构成射极输出器 。
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
U
o
V
1
V
2
R
L
－ U
CC
－
＋＋
U
i
－
图 4–21
第 4章 集成运算放大器电路由图 4–21可知,当忽略管子饱和压降时,最大输出电压幅度近似为 ± UCC,而最大输出电流幅度近似为
± UＣＣ /RL。 由于晶体管实际存在导通电压,硅管约为
0.7V,因而在正负半周内,只有当信号的绝对值大于
0.7V时,管子才导通 。 而在 0.7～ -0.7V之间,两管的输出电流近似为零 。 因此,输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真,如图 4–22所示 。 这种失真通常称为交越失真 。 图 4–22是利用两管的合成转移特性曲线
(即 iC与 uBE的关系曲线 ),形象地来说明交越失真产生的原因 。
第 4章 集成运算放大器电路交越失真
i
C1
0
u
BE
0
i
o
,u
o
i
C2
u
i
0
ω
t
ω
t
图 4–22 交越失真产生的原因及波形第 4章 集成运算放大器电路为了克服交越失真,可以分别给两管发射结加一正向偏压,其值等于或稍大于导通电压 。 因而只要有信号输入,V1,V2即可轮流导通,从而消除交越失真 。
在集成运放中,常用的偏置方式如图 4–23所示 。
第 4章 集成运算放大器电路
( a ) ( b )
R
C
V D
1
V D
2
V
1
V
2
V
3
U
CC
U
i
＋
－
R
C
V
1
V
2
V
3
U
CC
U
i
＋
－
A
I
1
I
2
R
1
R
2
B
R
L
R
L
－ U
EE
－ U
EE
V
4
图 4–23
(a)二极管偏置方式； (b)模拟电压源偏置方式第 4章 集成运算放大器电路
)1(
2
1
4 R
RUU
BEAB
(4–59)
可见,UAB是某一倍数的 UBE4,所以该电路也称为 UBE
的倍增电路 。 调整 R1,R2的比值,可以得到所需的偏压值 。
由于 R1从集电极反接到基极,具有负反馈作用,因而使 A、
B间的动态电阻很小,近似为一个恒压源第 4章 集成运算放大器电路
4–5 集成运放电路举例
4–5–1集成运算放大器 F007
双极型集成运放 F007是一种通用型运算放大器 。
由于它性能好,价格便宜,所以是目前使用最为普遍的集成运放之一 。 F007的电路原理图如图 4–24所示 。
图中各引出端所标数字为组件的管脚编号 。 F007由三级放大电路和电流源等组成,下面分别作一介绍 。
第 4章 集成运算放大器电路
V
8
V
9
2V
1
V
2
3
V
3
V
4
V
7
Δ I
C3
Δ I
C4
Δ I
C5
V
5
V
6
Δ I
C6
1
R
1
1k
R
3
5 0 k
R
2
1k
5
R
4
3,2 k
V
10
V
12
V
13
V
11
4,5 k
C
3 0 p
R
5
3 9 k
R
7
R
6
7,5 k
V
16
V
17
V
15
V D
1
V D
2
V
19
V
18
R
8
50
R
9
25
V
14
7
( ＋ 1 5 V )
6
4
( － 1 5 V )
Δ I
0
图 4–24 F007电路原理图第 4章 集成运算放大器电路参照图 4–24,V8～ V13,R4和 R5构成电流源组 。 其中,
V11,V5和 V12产生整个电路的基准电流 。 V10和 V11组成小电流电流源,作镜像电流源 V8,V9的参考电流,并为
V3,V4提供基极偏流 。 V8的输出电流为输入级提供偏置 。
V12,V13组成镜像电流源,作中间放大级的有源负载 。
有关 F007和部分集成运放的性能指标见表 4-1。
第 4章 集成运算放大器电路第 4章 集成运算放大器电路
4–5–2专用型集成运算放大器简介由于种种原因,要想得到各项性能指标都接近理想的集成运放很困难 。 目前,随着集成工艺的改进和某些新工艺的出现,并采用新颖的电路设计,可以有针对性地改善集成运放的某些性能,制造出性能指标有所侧重的专用型集成运放 。
一,高输入电阻型集成运放二,高精度集成运放三,高速宽带型集成运放第 4章 集成运算放大器电路四,高压型集成运放五,低功耗型集成运放第 4章 集成运算放大器电路
4–6 MOS集成运算放大器图 4–25示出了 CMOS工艺中互补器件的结构示意图 。 其中,P沟道管直接作在 N型衬底上,并将衬底接电路的最高电位,而 N沟道管制作在 P阱中,P阱接电路的最低电位 。
第 4章 集成运算放大器电路 S D
G
S
G
D
P
＋
N
＋
N
＋
P
＋
P
＋
P
＋
P 阱
N 型衬底图 4–25CMOS结构示意图第 4章 集成运算放大器电路
4–6–1MOS集成运放中的基本单元电路
MOS运放电路的组成与双极型运放相同,各部分电路的作用及构成形式也基本相似 。
一,MOS有源负载放大器第 4章 集成运算放大器电路
( a ) ( b ) ( c )
V
2
U
DD
＋
－
V
1
U
o
U
i
＋
－
V
2
U
DD
＋
－
V
1
U
o
U
i
＋
－
E
G
U
DD
＋
－
V
1
U
o
U
i
＋
－
V
2
图 4–26三种 MOS
(a)E/E型 NMOS电路； (b)E/D型 NMOS电路；
(c)CMOS电路第 4章 集成运算放大器电路
( a )
g
m1
U
i
r
ds1
r
ds2
1
g
m2
1
g
m B 2
＋
－
U
o
＋
－
U
i
( b )
g
m1
U
i
r
ds1
r
ds2
1
g
m B 2
＋
－
U
o
＋
－
( c )
U
i
g
m1 r
ds1
r
ds2
＋
－
U
o
＋
－
U
i
U
i
图 4–27三种 MOS
(a)E/E型； (b)E/D型； (c)CMOS
第 4章 集成运算放大器电路
22
1
2
1
2
21
1
2
1
2
22
1
22
1
22
21
1
11
)/(
)/(
1
1
)1(
11
m
m
mB
m
mB
dsds
m
i
o
u
u
m
m
mBm
m
u
mBm
dsds
m
i
o
u
g
g
g
g
g
rr
g
U
U
A
LW
LW
A
g
g
gg
g
A
gg
rr
g
U
U
A
(4–60)
(4–61)
(4–62)
(4–63)
第 4章 集成运算放大器电路
1
1
21
211
2
)
11
(
1
)(
L
WCu
I
A
rrg
U
U
A
oxn
DQ
u
dsdsm
i
o
u
(4–64)
(4–65)
第 4章 集成运算放大器电路二,MOS管镜像电流源基本 MOS管镜像电流源如图 4–28所示 。 图中 V1,
V２ 为两个性能匹配的 ENMOS管,Ir为参考电流 。 若两管工作在饱和区,则有
rDo
DS
DS
D
D
I
LW
LW
II
U
U
LW
LW
I
I
1
22
2
1
2
1
22
1
2
/
/
1
1
/
/
(4–66)
第 4章 集成运算放大器电路
U
DD
I
r
I
V
1
V
2
图 4–28 MOS管镜像电流源第 4章 集成运算放大器电路三,MOS管差动放大器在 MOS集成运放中,作为输入级的差动放大器,
一般是由两个对称的有源负载 MOS放大器经电流源耦合构成,因而有 E/E,E/DMOS和 CMOS三种基本形式 。
其中,CMOS差动放大器如 MOS差动放大器具有前述差动电路的性能特点,对差模电压增益而言,即为单边 CMOS放大器的电压增益 。 由于图 4–29电路采用镜像电流为负载,因而,从 Ud2输出的电压增益为
)( 42 dsdsm
id
o
ud rrgU
UA (4–67)
第 4章 集成运算放大器电路
U
DD
V
4
＋
U
o
V
3
V
1
V
2
＋
U
id
－
－
U
GG
－ U
SS
V
0
图 4–29CMOS差动放大器第 4章 集成运算放大器电路四,MOS管输出级电路与双极型运放一样,MOS集成运放的输出级要有较小的输出电阻和较大的输出电压幅度 。 下面介绍两种常用的 MOS管输出级电路 。
1,源极输出器具有恒流负载的 NMOS源极输出器如图 4–30(a)所示,图 4–30(b)为其小信号交流等效电路 。 由图 (b)可求得电压放大倍数为第 4章 集成运算放大器电路
)1(
1
11
1
1
1
11
11
21
11
111
1
21
11
1
m
dsds
mBm
o
mBm
m
u
dsds
mBm
m
i
o
u
g
rr
gg
r
gg
g
A
rr
gg
g
U
U
A
(4–68)
(4–69)
(4–70)
第 4章 集成运算放大器电路
( a )
V
1
U
DD
＋
－
V
2
U
o
U
GG
U
i
＋
－
( b )
U
gs1
g
m1
r
ds1
r
ds2
＋
－
U
o
＋
－
U
i
1
g
m B 1
U
gs1
＋ －
G
1
S
1
D
2
D
1
G
2
S
2
图 4–30NMOS
(a)电路； (b)交流等效电路第 4章 集成运算放大器电路
2,低阻输出级电路图 4–31示出了 MOS集成电路中常用的低阻输出级电路 。 图中管侧标出了该管导电沟道的宽长比 W/L。
输入信号 Ui经两路传送到输出端,其中一路是直接加到源极输出器 V6的栅极,从源极输出到负载 RL上；另一路是 Ui从 V1的源极输出再经镜像电流源 V3和 V4反相后加到 V7的栅极,倒相放大后从 V7漏极输送到 RL上 。 两路输出信号在 RL上同相叠加 。 V2为反馈管,它将输出信号经源极反馈到 V7管栅极,构成并联电压负反馈,
从而使输出电阻由原来 1/gm6降低到约为 1/(gm6+gm7)。
第 4章 集成运算放大器电路
V
1
1 4 0
80
V
2
1 4 0
80
V
3
V
4
1 1 4
8
1 1 4
8
V
7
2 0 0
8
V
5
94
8
V
6
28
12
＋
－
U
i
＋
－
U
o
R
L
－ U
SS
U
DD
图 4-31 底阻输出级电路第 4章 集成运算放大器电路
4–6–2CMOS集成运算放大器 5G14573
5G14573是一种通用型 CMOS集成运放,它包含有四个相同的运放单元 。 由于四个运放按相同工艺流程做在一块芯片上,因而具有良好的匹配及温度一致特性,为多运放应用的场合提供了方便 。 5G14573中一个运放单元的原理电路图如图 4–32所示,它由两级放大器组成 。 输入级是类似于图 4–29的 CMOS差动放大器,
只是 PMOS管 V3,V4组成差放管,而 NMOS管 V3,V4接成镜像电流源作有源负载 。
第 4章 集成运算放大器电路
V
0
4 0 / 2 0
V
1
8 0 / 2 0
V
2
1 5 8 / 2 0
V
3
3 0 / 2 0
V
4
3 0 / 2 0
I
V2
＋
－
U
i
－
+
I
V 0
I
r
R
V
5
5 0 / 1 2
V
6
5 0 / 1 2
V
7
1 9 8 / 1 2
I
V 1
＋ U
DD
( ＋ 7,5 V )
U
o
－ U
SS
( － 7,5 V )
C
图 4–32 5 G14573运放电路原理图第 4章 集成运算放大器电路
4–7 集成运算放大器的主要性能指标一,输入失调电压 UIO和输入失调电流 IIO
输入失调主要反映运放输入级差动电路的对称性 。
欲使静态时输出端为零电位,运放两输入端之间必须外加的直流补偿电压,称为输入失调电压,用 UIO表示；
必须外加的直流补偿电流,称为输入失调电流,用 IIO
表示 。
第 4章 集成运算放大器电路二,失调的温漂在规定的工作温度范围内,UIO随温度的平均变化率称为输入失调电压温漂,以 d UIO /dT表示 。 在规定的工作温度范围内,IIO随温度的平均变化率称为输入失调电流温漂,以 d IIO /dT表示 。
第 4章 集成运算放大器电路三、输入偏置电流 IIB
静态时,输入级两差放管基极电流 IB1,IB2的平均值,
即
2
21 BB
IB
III
第 4章 集成运算放大器电路四、开环差模电压放大倍数 Aud
五、共模抑制比 KCMR
六、差模输入电阻 Rid
七、共模输入电阻 Ric
八、输出电阻 Ro
九,输入电压范围十、带宽十一、转换速率 (压摆率 )SR
十二、静态功耗 Pc
十三、电源电压抑制比 PSRR
4–1 集成运算放大器的特点
4–2 电流源电路
4–3 差动放大电路
4–4 集成运算放大器的输出级电路
4–5 集成运放电路举例
4–6 MOS集成运算放大器
4–7 集成运算放大器的主要性能指标第 4章 集成运算放大器电路
4–1 集成运算放大器的特点集成运放是一种多级放大电路,性能理想的运放应该具有电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,工作点漂移小等特点 。 与此同时,在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约 。 因此,集成运放在电路设计上具有许多特点,主要有：
(1) 级间采用直接耦合方式 。
(2) 尽可能用有源器件代替无源元件 。
(3) 利用对称结构改善电路性能 。
第 4章 集成运算放大器电路关于集成电路的制造工艺见附录 A。
集成运放电路形式多样,各具特色 。 但从电路的组成结构看,一般是由输入级,中间放大级,输出级和电流源四部分组成,如图 4–1所示 。
第 4章 集成运算放大器电路输入级中间级输出级电流源电路
U
i
U
o
图 4–1 集成运算放大器组成框图第 4章 集成运算放大器电路
4–2 电流源电路电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作用 。 一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流,
另一方面可作为有源负载,提高单级放大器的增益 。
下面我们从晶体管实现恒流的原理入手,介绍集成运放中常用的电流源电路 。
第 4章 集成运算放大器电路一、单管电流源电路图 4–2(a)画出了晶体管基极电流为 IB的一条输出特性曲线 。 由图可见,当 IB一定时,只要晶体管不饱和也不击穿,IC就基本恒定 。 因此,固定偏流的晶体管,从集电极看进去相当于一个恒流源 。 由交流等效电路知,
它的动态内阻为 rce,是一个很大的电阻 。 为了使 IC更加稳定,可以采用分压式偏置电路 (即引入电流负反馈 )，
便得到图 4–2(b)所示的单管电流源电路 。 图 4–2(c)为该电路等效的电流源表示法,图中 Ro为等效电流源的动态内阻 。 利用图 4–2(b)电路的交流等效电路可以证明,Ro近似为第 4章 集成运算放大器电路
I
C
0
I
B
U
CE
R
1
R
2
I
C
R
3
－ U
EE
I
C
R
o
( a ) ( b ) ( c )
图 4–2
(a)晶体管的恒流特性； (b)恒流源电路；
(c)等效电流源表示法第 4章 集成运算放大器电路式中,RB=R1‖ R2。
需要指出,晶体管实现恒流特性是有条件的,即要保证恒流管始终工作在放大状态,否则将失去恒流作用 。 这一点对所有晶体管电流源都适用 。
)1( 3
3
Bbe
ceo RRr
RrR
(4–1)
第 4章 集成运算放大器电路二,镜像电流源在单管电流源中,要用三个电阻,所以不便集成 。
为此,用一个完全相同的晶体管 V1,将集电极和基极短接在一起来代替电阻 R2和 R3,便得到图 4–3所示的镜像电流源电路 。 由图可知,参考电流 Ir为
r
CC
r
BECC
r R
U
R
UUI
(4–2)
由于两管的 e结连在一起，所以 IB相同,IC也相同。
由图可知
1
2
112 22?
C
rBrCC
IIIIII (4–3)
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
r
I
r
I
C1
V
1
V
2
I
C2
图 4–3 镜像电流源第 4章 集成运算放大器电路如果 β11,则 IC2≈Ir。 可见,只要 Ir一定,IＣ 2就恒定；
改变 Ir,IC2也跟着改变 。 两者的关系好比物与镜中的物像一样,故称为镜像电流源 。
将上述原理推广,可得多路镜像电流源,如图 4–
4所示 。 图中为三路电流源,V5管是为了提高各路电流的精度而设置的 。 因为在没有 V5管时,IC1=Ir-4IB1,加了
V5管后,IC1 = Ir - 4IB1 /(1+β5),故此可得因此可得
1
1
2 2
r
C
II (4–3)
第 4章 集成运算放大器电路因 β1(1+β5)4容易满足,所以各路电流更接近 Ir,并且受 β的温度影响也小 。
在集成电路中,多路镜像电流源是由多集电极晶体管实现的,图 4–5(a)电路就是一个例子 。 它利用一个三集电极横向 PNP管组成双路电流源 (横向 PNP管是采用标准工艺,在制作 NPN管过程中同时制作出来的一种 PNP管,详见附录 A),其等价电路如图 4–5(b)所示 。
rCCC IIII 4)1(
)1(
51
51
432
(4–4)
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
r
I
r
V
1
I
C4
V
4
V
2
I
C2
V
3
I
C3
V
5
图 4–4 多路镜像电流源第 4章 集成运算放大器电路
I
r
R
r
I
C1
I
C2
U
CC
I
C3
R
r
I
r
I
C2
I
C3
V
3
V
2
V
1
U
CC
( a ) ( b )
图 4–5
(a)三集电极横向 PNP管电路； (b)等价电路第 4章 集成运算放大器电路三,比例电流源如果希望电流源的电流与参考电流成某一比例关系,可采用图 4–6所示的比例电流源电路 。 由图可知
222111 RIURIU EBEEBE (4–5)
因为
1
2
2
1
21
2
2
1
2
2
2
1
1
1
lnln
ln
ln
E
E
T
E
E
TBEBE
S
E
S
S
E
TBE
S
E
TBE
I
I
U
I
I
UUU
I
I
I
I
I
UU
I
I
UU
所以
(4–6)
第 4章 集成运算放大器电路
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
R
2
U
CC
U
B E 1
U
B E 2
＋ ＋
－ －
R
1
I
E2
I
E1
I
B1
I
B2
图 4–6比例电流源第 4章 集成运算放大器电路即室温下,两管的 UBE相差不到 60mV,仅为此时两管 UBE电压 (>600mV) 的 10%。 因此,可近似认为
UBE1≈UBE2。 这样,式 (4–5)简化为当两管的射极电流相差 10倍以内时：
mVUIIUUU T
E
E
TBEBE 6010lnln
2
1
21
rC
EE
I
R
R
I
RIRI
2
1
2
2211
若 β1,则 IE1≈Ir,IE2≈IC2,由此得出
(4–8)
(4–7)
第 4章 集成运算放大器电路可见,IC2与 Ir成比例关系,其比值由 R1和 R2确定 。
参考电流 Ir现在应按下式计算：
11
1
RR
U
RR
UUI
r
CC
r
BECC
r
(4–9)
第 4章 集成运算放大器电路四,微电流电流源在集成电路中,有时需要微安级的小电流 。 如果采用镜像电流源,Rr势必过大 。 这时可令图 4–6电路中的 R1=0,便得到图 4–7所示的微电流电流源电路 。
由式 (4–5),(4–6)可知,在 R1=0时：
2
1
2
21
2
2 ln)(
1
E
ET
BEBEE I
I
R
UUU
RI
当 β1>>时,IE1≈Ir,IE2≈IC2,由此可得
22
2 ln
C
r
C
T
I
I
I
UR? (4–10)
第 4章 集成运算放大器电路
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
R
2
图 4–7微电流电流源第 4章 集成运算放大器电路此式表明,当 Ir和所需要的小电流一定时,可计算出所需的电阻 R2。 例如,已知 Ir=1mA,要求 IC2=10μA时,
则 R2为
kR 12101000ln1010 1026 6
3
2
如果 UCC=15V,要使 Ir=1mA,则 Rr≈15kΩ。
由此可见,要得到 10μA的电流,在 UCC=15V时,
采用微电流电流源电路,所需的总电阻不超过 27kΩ。
如果采用镜像电流源,则电阻 Rr要大到 1.5MΩ。
第 4章 集成运算放大器电路五,负反馈型电流源以上介绍的几种电流源,虽然电路简单,但有两个共同的缺点：一是动态内阻不够大,
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
I
E3
I
C3
I
C1
I
B3
V
3
图 4–8 威尔逊电流源第 4章 集成运算放大器电路
2
2
1
1
33
3
3
3
321
3
131
23
1
,
2
CC
CE
ECCC
C
CBCr
r
BECC
r
BEBECC
r
II
II
IIII
I
IIII
R
UU
R
UUU
I
又
(4–11)
若三管特性相同,则 β1=β2=β3=β,求解以上各式可得
rC II )22
21(
23
(4–12)
第 4章 集成运算放大器电路可见,威尔逊电流源不仅有较大的动态内阻,而且输出电流受 β的影响也大大减小 。
图 4–9给出了另一种反馈型电流源电路 。 它由两个镜像电流源串接在一起组成,故称串接电流源 。 关于它的稳流原理留给读者自行分析 。
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
ceo rR 2
(4–13)
第 4章 集成运算放大器电路
R
r
I
r
V
3
V
4
U
CC
I
C2
V
2
V
1
图 4–9 串接电流源第 4章 集成运算放大器电路六、有源负载放大器集成运放要有极高的电压增益,这是通过多级放大器级联实现的 。 在电压增益一定时,为了减少级数,就必须提高单级放大器的电压增益 。 因此,在集成运放中,
放大器多以电流源作有源负载 。 典型的有源负载共射放大电路如图 4–10(a)所示 。 图中,V2,V3管构成镜像电流源作 V1管的集电极负载 。 由于该电流源的动态内阻为 rce3，
所以此时 V1管的电压增益只需将共射增益表达式中的 RC
用 rce3取代即可 。 当实际负载 RL通过射随器隔离后接入,
则该级放大器可获得极高的电压增益 。
第 4章 集成运算放大器电路
( a ) ( b )
U
CC
V
3
V
2
u
o
V
1
u
i
R
r
U
CC
V
3
V
2
Δ I
C1
V
1
u
i
Δ I
C3
Δ I
C2
u
o
I
图 4–10
(a)共射电路； (b)具有倒相功能的共射电路第 4章 集成运算放大器电路图 4–10(b)为另一种接法的有源负载共射电路 。
V3,V2管组成镜像电流源作 V1管的有源负载,而输出取自恒流管 V2的集电极 。
第 4章 集成运算放大器电路
4–3 差动放大电路
4–3–1零点漂移现象单级共射放大器如图 4–11所示 。 由前面讨论可知,
在静态时,由于温度变化,电源波动等因素的影响,
会使工作点电压 (即集电极电位 )偏离设定值而缓慢地上下漂动 。
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
C
Δ U
C
R
B
Δ U
ip
＋
－
图 4–11 放大器的零点漂移第 4章 集成运算放大器电路
4–3–2差动放大器的工作原理及性能分析基本差动放大器如图 4–12所示 。 它由两个性能参数完全相同的共射放大电路组成,通过两管射极连接并经公共电阻 RE将它们耦合在一起,所以也称为射极耦合差动放大器 。
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
R
C
U
C2
R
L
R
C
U
C1
U
i1
U
i2
R
E
－ U
EE
V
1
V
2
－＋
U
o
图 4–12 基本差动放大器第 4章 集成运算放大器电路首先来分析图 4–12电路的静态工作点 。 为了使差动放大器输入端的直流电位为零,通常都采用正,负两路电源供电 。 由于 V1,V2管参数相同,电路结构对称,
所以两管工作点必然相同 。 由图可知,当 Ui1=Ui2=0时：
VUU BEE 7.0
则流过 RE的电流 I为
E
EE
E
EEE
R
U
R
UU
I
7.0)(?
(4–14)
第 4章 集成运算放大器电路可见,静态时,差动放大器两输出端之间的直流电压为零 。 下面分析差动放大器的动态特性 。 分析过程中特别提醒读者注意射极公共电阻 RE的作用 。
CQCCCQCQC
CQCCCQEQE
QEQEQCQC
RIUUU
RIUUU
IIIII
121
121
2121
7.0
2
1
故有
(4–15)
(4–16)
(4–17)
第 4章 集成运算放大器电路一,差模放大特性如果在图 4–12差动电路的两个输入端加上一对大小相等,相位相反的差模信号,即 Ui1=Uid1,Ui2=Uid2,而
Uid1=-Uid2。 由图可知,这时一管的射极电流增大,另一管的射极电流减小,且增大量和减小量时时相等 。
因此流过 RE的信号电流始终为零,公共射极端电位将保持不变 。 所以对差模输入信号而言,公共射极端可视为差模地端,即 RE相当对地短路 。
第 4章 集成运算放大器电路通过上述分析,可得出图 4–12电路的差模等效通路如图 4–13所示 。 图中还画出了输入为差模正弦信号时,输出端波形的相位关系 。 利用图 4–13等效通路,
我们来计算差动放大器的各项差模性能指标 。
第 4章 集成运算放大器电路图 4–13基本差动放大器的差模等效通路
－
＋
U
o d 1
＋
－
U
o d 2
＋
－
R
L
2
R
L
2
V
2
V
1
＋
＋
U
i d 1
U
i d 2
－
－
U
id
＋
－
R
C
R
C
U
od
第 4章 集成运算放大器电路
1,差模电压放大倍数差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比 。 在双端输出时,输出电压为
2121
2121
22
22
ididididid
ododododod
UUUUU
UUUUU
输入差模电压为所以
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
(4–18)
式中,R′L=RC‖ RL。 可见,双端输出时的差模电压放大倍数等于单边共射放大器的电压放大倍数 。2
1
第 4章 集成运算放大器电路可见,这时的差模电压放大倍数为双端输出时的一半,且两输出端信号的相位相反 。 需要指出,若单端输出时的负载 RL接在一个输出端到地之间,则计算
Aud时,总负载应改为 R′L=RC‖ RL。
单端输出时，则
ud
id
od
id
od
ud
ud
id
od
id
od
ud
A
U
U
U
U
A
A
U
U
U
U
A
2
1
2
2
1
2
1
12
(
1
11
(
单）
单）
(4–19)
(4–20)
或第 4章 集成运算放大器电路
2,差模输入电阻差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流之比 。 由图 4–13可得
be
id
id
id
id
id rI
U
I
UR 22 1
3,差模输出电阻双端输出时为
(4–21)
Cod
Cod
RR
RR
单）(
2单端输出时为
(4–22a)
(4–22b)
第 4章 集成运算放大器电路二,共模抑制特性如果在图 4–12差动放大器的两个输入端加上一对大小相等,相位相同的共模信号,即 Ui1=Ui2=Uic,由图可知,此时两管的射极将产生相同的变化电流 ΔiE,使得流过 RE的变化电流为 2ΔiE,从而引起两管射极电位有 2 RE Δ iE的变化 。 因此,从电压等效的观点看,相当每管的射极各接有 2 RE的电阻 。
第 4章 集成运算放大器电路通过上述分析,图 4–12电路的共模等效通路如图
4–14所示 。 利用该电路,现在来分析它的共模指标 。
1.共模电压放大倍数双端输出时的共模电压放大倍数定义为
ic
icoc
ic
oc
uc U
UU
U
UA 21
当电路完全对称时,Uoc1=Uoc2,所以双端输出的共模电压放大倍数为零,即 Auc=0。
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
U
o c2
R
C
U
o c1
U
ic
V
1
V
2
－＋
U
oc
＋
－
2 R
E
2 R
E
图 4–14 基本差动放大器的共模等效通路第 4章 集成运算放大器电路单端输出时的共模电压放大倍数定义为
Ebe
C
ic
oc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
ic
oc
uc
Rr
R
U
U
U
U
A
U
U
A
U
U
A
2)1(
21
(
2
(
1
(
单）
单）单）
或
(4–23)
由图 4–14可得通常满足 (1+β)2RE>>rbe,所以上式可简化为
E
C
uc R
RA
2(单）
(4–24)
第 4章 集成运算放大器电路可见,由于射极电阻 2RE的自动调节 (负反馈 )作用,
使得单端输出的共模电压放大倍数大为减小 。 在实际电路中,均满足 RE>RC,故 |Auc(单 )|<0.5,即差动放大器对共模信号不是放大而是抑制 。 共模负反馈电阻 RE越大,则抑制作用越强 。
第 4章 集成运算放大器电路
2,共模输入电阻由图 4–14不难看出,共模输入电阻为
]2)1([212
1
Ebe
ic
ic
ic
ic
ic RrI
U
I
UR (4–25)
3.共模输出电阻单端输出时为
Coc RR?单）(
(4–26)
第 4章 集成运算放大器电路三,共模抑制比 KCMR
为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,我们引入参数共模抑制比 KCMR。 它定义为差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值,即
uc
ud
C M R A
AK? (4–27)
)(lg20 dBAAK
uc
ud
C M R?
KCMR也常用 dB数表示，并定义为
(4–28)
第 4章 集成运算放大器电路
KCMR实质上是反映实际差动电路的对称性 。 在双端输出理想对称的情况下,因 Auc=0,所以 KCMR趋于无穷大 。 但实际的差动电路不可能完全对称,因此
KCMR为一有限值 。 在单端输出不对称的情况下,
KCMR必然减小,由式 (4–18),(4–19)和 (4–23)可求得
uc
ud
C M R A
AK? (4–29)
第 4章 集成运算放大器电路四,对任意输入信号的放大特性如果在图 4–12差动放大器的两个输入端分别加上任意信号 Ui1和 Ui2,即 Ui1和 Ui2既不是差模信号,也不是共模信号,这时可以把 Ui1和 Ui2写成如下形式：
22
2121
2
11
2121
1
22
22
icid
iiii
i
icid
iiii
i
UU
UUUU
U
UU
UUUU
U
(4–30)
(4–31)
第 4章 集成运算放大器电路不难看出,差动电路相当输入了一对共模信号
2121
21
21
21
21
2
2
iiididid
ii
icic
ic
ii
icic
UUUUU
UU
UU
U
UU
UU
和一对差模信号根据定义,这时的差模输入电压为
(4–32)
(4–33)
(4–34)
第 4章 集成运算放大器电路
4–3–3具有恒流源的差动放大电路图 4–12所示的基本差动放大器,存在两个缺点：
一是共模抑制比做不高,二是不允许输入端有较大的共模电压变化 。 对于前者,是因为差放管 V1,V2的 rbe与
RE相关,即 RE较大而忽略 rbb′时,由式 (4–15),rbe可近似为
EE
TE
EQ
T
be U
UR
I
Ur 2)1()1(
与 RE成正比 。 对于单端输出,将上式代入式
(4–29)可得
T
EE
CT
LEE
C M R U
U
RU
RUK
22(?
单）
(4–38)
第 4章 集成运算放大器电路若 UEE=15V,则室温下,KCMR(单 )的上限约为
300,而与 RE的取值无关 。 对于双端输出,在电路不对称时,也有类似情况 。 可见,不能单靠增大 RE来提高共模抑制比 。 对于后者,因为输入共模电压的变化将引起差放管公共射极电位的变化,进而将影响差放管的静态工作电流,使 rbe改变 。 因此,输入共模电压变化将直接造成差模电压放大倍数的变化,这是我们不希望的 。
第 4章 集成运算放大器电路为此,用恒流源代替图 4–12电路中的 RE,可以有效地克服上述缺点 。 一种具有恒流源的差动放大电路如图 4–15(a)所示 。 图中,恒流源为单管电流源 。 这是分电流源,小电流电流源等 。
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
U
C2
R
C
U
C1
U
i1
V
1
V
2
－＋
U
oc
－ U
EE
V
3
U
B3
R
1
R
2
R
3
U
i2
( a ) ( b )
U
CC
R
C
R
C
U
i1
V
1
V
2
－＋
U
o
U
i2
－ U
EE
I
U
CC
图 4–15
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路； (b)电路的简化表示第 4章 集成运算放大器电路图 4–15(a)电路的静态工作点,可按以下方法估算：
CQCBECCQCEQCE
CQCQC
BER
EC
EER
RIUUUU
III
R
UU
II
U
RR
R
U
121
321
3
33
21
2
2
1
2
2
第 4章 集成运算放大器电路
4–3–4差动放大器的传输特性在图 4–16电路中,设恒流源电流 I小于差放管的集电极临界饱和电流,即 I<UCC/RC,从而使差放管的工作点偏向截止区 。 在此条件下,图中的两个对称差放管 V1,V2
TBETBE
TBETBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
Uu
SE
eIeIi
eIeIi
//
2
//
1
22
11
)1(
)1(
(4–39a)
(4–39b)
由图可知
21 EE iiI
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
R
C
i
C1
u
id
V
1
V
2
－＋
u
o
＋
－ U
EE
I
－
i
C2
U
CC
图 4-16 简化的差动放大器第 4章 集成运算放大器电路
21
12
2
11
1
1
22
2
( 1 ) 1
( 1 ) 1
B E B E
T
B E B E
T
uu
UE
EC
E
uu
UE
EC
E
i
I i i e
i
i
I i i e
i
(4-40a)
(4-40b)
由于,因而将其代入式（ 4-4a)可解的12BE BE i du u u
/ 2 /
1 / / 2 / ()1 2 2 2 2 2
i d T i d T
i d T i d T i d T
u U u U
id
C u U u U u U
T
I I I e e I I ui t h
e e e U
(4-41a)
第 4章 集成运算放大器电路用同样推导方法可得
2 / ()1 2 2i d T
id
C uU
T
I I ui t h
eU
(4-41b)
可见,iC1和 iC2与成双曲线正切函数关系。因为
uo=-ic1Rc+ ic2Rc=(ic1-ic2) Rc
12 ()2
id
CC
T
ui i I t h
U
(4-42)
12( ) ( )2
id
o C C C C
T
uu i i R R I th
U
(4-43)
故有第 4章 集成运算放大器电路由式（ 4-41）和（ 4-43），可绘出差动放大器输出电流 iC1,iC2和输出电压 uo与差模输入电压 uid之间的传输特性曲线，分别如图 4-17（ a),(b)所示。分析该曲线，可以得出如下结论。
第 4章 集成运算放大器电路
i
C1
,i
C2
I
i
C1i
C2
i
C1 i
C2
－ 6 U
T
/
－ 4 U
T
－ 2 U
T
0 2 U
T
4 U
T
6 U
T
u
id
( a )
Q
I
2
图 4–17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4–17
(a)电流传输特性曲线； (b)电压传输特性曲线
u
o
IR
C
－ 6 U
T
/
－ 4 U
T
－ 2 U
T
0
2 U
T
4 U
T
6 U
T
u
id
－ I R
C
( b )
第 4章 集成运算放大器电路一,两管集电极电流之和恒等于 I
当 uid=0 时,差 动 电 路 处 于 静 态,这时
iC1=iC2=ICQ=I/2。 当差模电压输入时,一管电流增大,
另一管电流减小,且增大量等于减小量,两管电流之和恒等于 I。
第 4章 集成运算放大器电路二,传输特性具有非线性特性由图 4–17不难看出,在静态工作点附近,当
|uid|≤UT,即室温下,uid在 26mV以内时,传输特性近似为一段直线 。 这表明 iC1,iC2和 uo与 uid成线性关系 。 当 |
uid |≥4 UT,即 uid超过 100mV时,传输特性明显弯曲,而后趋于水平,说明 | uid |继续增大时,iC1,iC2和 uo将保持不变 。 这表明差动电路在大信号输入时,具有良好的限幅特性或电流开关特性 。 此时,一管截止,恒流源电流全部流入另一管 。
第 4章 集成运算放大器电路为了扩展传输特性的线性区范围,可在每个差放管的射极串接负反馈电阻 R(或在基极串接电阻 RB),如图 4–18(a)所示 。 扩展后的电流传输特性曲线见图
4---18(b)。 显然,R(RB)越大,扩展的线性区范围将越大,如图 (b)曲线 ①,② 所示 。 不过,随着线性区范围的扩大,曲线的斜率减小,表明差动放大器的增益将随之降低 。
第 4章 集成运算放大器电路
( R
B
) ( R
B
)
V
1
V
2
R R
－ U
EE
I
( a )
图 4–18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线第 4章 集成运算放大器电路图 4–18
(a)串接 R(RB)的线性区扩展电路； (b)线性区扩展后的电流传输特性曲线
i
C1
,i
C2
I
①
②
I /2 R ↑ ( R
B
↑ )
0 u
id
( b )
第 4章 集成运算放大器电路三,差动放大器的增益与 I成正比由图 4–17(a)所示曲线可知,小信号工作时,在工作点处,iC受 uid的线性控制,其控制作用的大小可以用跨导 gm来衡量 。 gm定义为工作点处,双端输出电流的变化量 ΔiC与输入差模电压变化量 Δuid之比,即
1
22
mQ
id
C
m
Q
id
C
m
g
u
i
g
u
i
g
因为 ΔiC=ΔiＣ１ -ΔiＣ 2=2ΔiＣ１,所以上式变为
(4–44)
第 4章 集成运算放大器电路式中,gm1=ΔiＣ１ /Δuid,为 Q点处单端输出时的跨导,
反映在传输特性上,是图 4–17(a)曲线在 uid =0处的斜率 。
在 uid =0处,对式 (4–41a)求导,可得
T
mm U
Igg
22 1
T
u
id
c
m U
I
du
dig
id 4
1
1
(4–45)
(4–46)
故
I
U
R
RgA
Rg
du
di
R
du
du
A
T
C
Cmud
CmQ
id
C
CQ
id
o
ud
2
(4–47)
(4–48)
第 4章 集成运算放大器电路
4–3–5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调理想对称的差动放大器,当输入信号为零时,双端输出电压应为零 。 但是在实际电路中,由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称,因而使得输出不为零 。 我们把这种零输入时输出电压不为零的现象,
称为差动放大器的失调 。
第 4章 集成运算放大器电路
R
C
＋ Δ R
C
R
C
U
i
V
1
V
2
－＋
U
o
－ U
EE
I
U
CC
I
B
＋
－
－ ＋
I
IO
2
I
IO
2
U
IO
I
B
图 4–19差动电路的失调电压和失调电流第 4章 集成运算放大器电路
S
CS
S
S
C
CC
C
C
CCCCC
S
S
C
C
TBEBE
BEBEIO
I
RI
I
I
R
RR
I
I
RRIRI
I
I
I
I
UUU
UUU
1
2
2
1
21
1
2
2
1
21
21
)(
)l n (
(4–49)
(4–50)
(4–51)
(4–52)
第 4章 集成运算放大器电路
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU
(4–53)
)(
C
C
BIO R
RII
(4–54)
第 4章 集成运算放大器电路由于差动放大器存在失调,因而实际电路中应设法进行补偿 。 具体的办法是在电路中加入调零措施 。
一种方法是在集成电路的制造过程中,采用电阻版图激光处理技术,调整集电极电阻,使零输入时零输出 。
这种方法效果好,但成本高 。 另一种方法是在外电路中加调零电位器,通过实地调整,作到零输入时零输出 。 图 4–20示出了两种常用的调零电路,分别称为射极调零和集电极调零电路 。
第 4章 集成运算放大器电路
( b )
R
C
V
1
V
2
－＋
U
o
－ U
EE
I
U
CC
R
W
R
S
R
S
( a )
R
C
R
C
V
1
V
2
－＋
U
o
－ U
EE
I
U
CC
R
W
R
S
R
S
R
C
图 4–20
(a)射极调零 ; (b)集电极调零第 4章 集成运算放大器电路二,失调的温度漂移差动放大器虽然可以通过调零措施,在某一时刻补偿失调,作到零输入时零输出,但是失调会随温度的改变而发生变化 。 对这种随机的变化,任何调零措施还作不到理想跟踪调整 。 因此,差动放大器仍有零点的温度漂移 (简称温漂 )现象 。 那么失调的温漂有多大呢?
失调电压 UIO的温漂,可以通过式 (4–53)对温度 T求导得出,并考虑到 ΔRC/RC,ΔIS/ IS在很宽的温度范围内基本恒定,则第 4章 集成运算放大器电路
IOIOB
IO
IOT
S
S
C
CT
S
S
C
CIO
CII
dT
d
dT
d
I
dT
dU
T
U
T
U
I
I
R
R
dT
dU
I
I
R
R
dT
dU
11
)()(
(4–57)
(4–58)
第 4章 集成运算放大器电路
4–4 集成运算放大器的输出级电路图 4–21示出了互补型射随器的原理图 。 V1,V2是两个特性相同的异型输出管,其中 V1为 NPN管,V2为
PNP管,它们分别与负载 RL构成射极输出器 。
第 4章 集成运算放大器电路
U
CC
U
o
V
1
V
2
R
L
－ U
CC
－
＋＋
U
i
－
图 4–21
第 4章 集成运算放大器电路由图 4–21可知,当忽略管子饱和压降时,最大输出电压幅度近似为 ± UCC,而最大输出电流幅度近似为
± UＣＣ /RL。 由于晶体管实际存在导通电压,硅管约为
0.7V,因而在正负半周内,只有当信号的绝对值大于
0.7V时,管子才导通 。 而在 0.7～ -0.7V之间,两管的输出电流近似为零 。 因此,输出波形在两管轮流工作的衔接处呈现出失真,如图 4–22所示 。 这种失真通常称为交越失真 。 图 4–22是利用两管的合成转移特性曲线
(即 iC与 uBE的关系曲线 ),形象地来说明交越失真产生的原因 。
第 4章 集成运算放大器电路交越失真
i
C1
0
u
BE
0
i
o
,u
o
i
C2
u
i
0
ω
t
ω
t
图 4–22 交越失真产生的原因及波形第 4章 集成运算放大器电路为了克服交越失真,可以分别给两管发射结加一正向偏压,其值等于或稍大于导通电压 。 因而只要有信号输入,V1,V2即可轮流导通,从而消除交越失真 。
在集成运放中,常用的偏置方式如图 4–23所示 。
第 4章 集成运算放大器电路
( a ) ( b )
R
C
V D
1
V D
2
V
1
V
2
V
3
U
CC
U
i
＋
－
R
C
V
1
V
2
V
3
U
CC
U
i
＋
－
A
I
1
I
2
R
1
R
2
B
R
L
R
L
－ U
EE
－ U
EE
V
4
图 4–23
(a)二极管偏置方式； (b)模拟电压源偏置方式第 4章 集成运算放大器电路
)1(
2
1
4 R
RUU
BEAB
(4–59)
可见,UAB是某一倍数的 UBE4,所以该电路也称为 UBE
的倍增电路 。 调整 R1,R2的比值,可以得到所需的偏压值 。
由于 R1从集电极反接到基极,具有负反馈作用,因而使 A、
B间的动态电阻很小,近似为一个恒压源第 4章 集成运算放大器电路
4–5 集成运放电路举例
4–5–1集成运算放大器 F007
双极型集成运放 F007是一种通用型运算放大器 。
由于它性能好,价格便宜,所以是目前使用最为普遍的集成运放之一 。 F007的电路原理图如图 4–24所示 。
图中各引出端所标数字为组件的管脚编号 。 F007由三级放大电路和电流源等组成,下面分别作一介绍 。
第 4章 集成运算放大器电路
V
8
V
9
2V
1
V
2
3
V
3
V
4
V
7
Δ I
C3
Δ I
C4
Δ I
C5
V
5
V
6
Δ I
C6
1
R
1
1k
R
3
5 0 k
R
2
1k
5
R
4
3,2 k
V
10
V
12
V
13
V
11
4,5 k
C
3 0 p
R
5
3 9 k
R
7
R
6
7,5 k
V
16
V
17
V
15
V D
1
V D
2
V
19
V
18
R
8
50
R
9
25
V
14
7
( ＋ 1 5 V )
6
4
( － 1 5 V )
Δ I
0
图 4–24 F007电路原理图第 4章 集成运算放大器电路参照图 4–24,V8～ V13,R4和 R5构成电流源组 。 其中,
V11,V5和 V12产生整个电路的基准电流 。 V10和 V11组成小电流电流源,作镜像电流源 V8,V9的参考电流,并为
V3,V4提供基极偏流 。 V8的输出电流为输入级提供偏置 。
V12,V13组成镜像电流源,作中间放大级的有源负载 。
有关 F007和部分集成运放的性能指标见表 4-1。
第 4章 集成运算放大器电路第 4章 集成运算放大器电路
4–5–2专用型集成运算放大器简介由于种种原因,要想得到各项性能指标都接近理想的集成运放很困难 。 目前,随着集成工艺的改进和某些新工艺的出现,并采用新颖的电路设计,可以有针对性地改善集成运放的某些性能,制造出性能指标有所侧重的专用型集成运放 。
一,高输入电阻型集成运放二,高精度集成运放三,高速宽带型集成运放第 4章 集成运算放大器电路四,高压型集成运放五,低功耗型集成运放第 4章 集成运算放大器电路
4–6 MOS集成运算放大器图 4–25示出了 CMOS工艺中互补器件的结构示意图 。 其中,P沟道管直接作在 N型衬底上,并将衬底接电路的最高电位,而 N沟道管制作在 P阱中,P阱接电路的最低电位 。
第 4章 集成运算放大器电路 S D
G
S
G
D
P
＋
N
＋
N
＋
P
＋
P
＋
P
＋
P 阱
N 型衬底图 4–25CMOS结构示意图第 4章 集成运算放大器电路
4–6–1MOS集成运放中的基本单元电路
MOS运放电路的组成与双极型运放相同,各部分电路的作用及构成形式也基本相似 。
一,MOS有源负载放大器第 4章 集成运算放大器电路
( a ) ( b ) ( c )
V
2
U
DD
＋
－
V
1
U
o
U
i
＋
－
V
2
U
DD
＋
－
V
1
U
o
U
i
＋
－
E
G
U
DD
＋
－
V
1
U
o
U
i
＋
－
V
2
图 4–26三种 MOS
(a)E/E型 NMOS电路； (b)E/D型 NMOS电路；
(c)CMOS电路第 4章 集成运算放大器电路
( a )
g
m1
U
i
r
ds1
r
ds2
1
g
m2
1
g
m B 2
＋
－
U
o
＋
－
U
i
( b )
g
m1
U
i
r
ds1
r
ds2
1
g
m B 2
＋
－
U
o
＋
－
( c )
U
i
g
m1 r
ds1
r
ds2
＋
－
U
o
＋
－
U
i
U
i
图 4–27三种 MOS
(a)E/E型； (b)E/D型； (c)CMOS
第 4章 集成运算放大器电路
22
1
2
1
2
21
1
2
1
2
22
1
22
1
22
21
1
11
)/(
)/(
1
1
)1(
11
m
m
mB
m
mB
dsds
m
i
o
u
u
m
m
mBm
m
u
mBm
dsds
m
i
o
u
g
g
g
g
g
rr
g
U
U
A
LW
LW
A
g
g
gg
g
A
gg
rr
g
U
U
A
(4–60)
(4–61)
(4–62)
(4–63)
第 4章 集成运算放大器电路
1
1
21
211
2
)
11
(
1
)(
L
WCu
I
A
rrg
U
U
A
oxn
DQ
u
dsdsm
i
o
u
(4–64)
(4–65)
第 4章 集成运算放大器电路二,MOS管镜像电流源基本 MOS管镜像电流源如图 4–28所示 。 图中 V1,
V２ 为两个性能匹配的 ENMOS管,Ir为参考电流 。 若两管工作在饱和区,则有
rDo
DS
DS
D
D
I
LW
LW
II
U
U
LW
LW
I
I
1
22
2
1
2
1
22
1
2
/
/
1
1
/
/
(4–66)
第 4章 集成运算放大器电路
U
DD
I
r
I
V
1
V
2
图 4–28 MOS管镜像电流源第 4章 集成运算放大器电路三,MOS管差动放大器在 MOS集成运放中,作为输入级的差动放大器,
一般是由两个对称的有源负载 MOS放大器经电流源耦合构成,因而有 E/E,E/DMOS和 CMOS三种基本形式 。
其中,CMOS差动放大器如 MOS差动放大器具有前述差动电路的性能特点,对差模电压增益而言,即为单边 CMOS放大器的电压增益 。 由于图 4–29电路采用镜像电流为负载,因而,从 Ud2输出的电压增益为
)( 42 dsdsm
id
o
ud rrgU
UA (4–67)
第 4章 集成运算放大器电路
U
DD
V
4
＋
U
o
V
3
V
1
V
2
＋
U
id
－
－
U
GG
－ U
SS
V
0
图 4–29CMOS差动放大器第 4章 集成运算放大器电路四,MOS管输出级电路与双极型运放一样,MOS集成运放的输出级要有较小的输出电阻和较大的输出电压幅度 。 下面介绍两种常用的 MOS管输出级电路 。
1,源极输出器具有恒流负载的 NMOS源极输出器如图 4–30(a)所示,图 4–30(b)为其小信号交流等效电路 。 由图 (b)可求得电压放大倍数为第 4章 集成运算放大器电路
)1(
1
11
1
1
1
11
11
21
11
111
1
21
11
1
m
dsds
mBm
o
mBm
m
u
dsds
mBm
m
i
o
u
g
rr
gg
r
gg
g
A
rr
gg
g
U
U
A
(4–68)
(4–69)
(4–70)
第 4章 集成运算放大器电路
( a )
V
1
U
DD
＋
－
V
2
U
o
U
GG
U
i
＋
－
( b )
U
gs1
g
m1
r
ds1
r
ds2
＋
－
U
o
＋
－
U
i
1
g
m B 1
U
gs1
＋ －
G
1
S
1
D
2
D
1
G
2
S
2
图 4–30NMOS
(a)电路； (b)交流等效电路第 4章 集成运算放大器电路
2,低阻输出级电路图 4–31示出了 MOS集成电路中常用的低阻输出级电路 。 图中管侧标出了该管导电沟道的宽长比 W/L。
输入信号 Ui经两路传送到输出端,其中一路是直接加到源极输出器 V6的栅极,从源极输出到负载 RL上；另一路是 Ui从 V1的源极输出再经镜像电流源 V3和 V4反相后加到 V7的栅极,倒相放大后从 V7漏极输送到 RL上 。 两路输出信号在 RL上同相叠加 。 V2为反馈管,它将输出信号经源极反馈到 V7管栅极,构成并联电压负反馈,
从而使输出电阻由原来 1/gm6降低到约为 1/(gm6+gm7)。
第 4章 集成运算放大器电路
V
1
1 4 0
80
V
2
1 4 0
80
V
3
V
4
1 1 4
8
1 1 4
8
V
7
2 0 0
8
V
5
94
8
V
6
28
12
＋
－
U
i
＋
－
U
o
R
L
－ U
SS
U
DD
图 4-31 底阻输出级电路第 4章 集成运算放大器电路
4–6–2CMOS集成运算放大器 5G14573
5G14573是一种通用型 CMOS集成运放,它包含有四个相同的运放单元 。 由于四个运放按相同工艺流程做在一块芯片上,因而具有良好的匹配及温度一致特性,为多运放应用的场合提供了方便 。 5G14573中一个运放单元的原理电路图如图 4–32所示,它由两级放大器组成 。 输入级是类似于图 4–29的 CMOS差动放大器,
只是 PMOS管 V3,V4组成差放管,而 NMOS管 V3,V4接成镜像电流源作有源负载 。
第 4章 集成运算放大器电路
V
0
4 0 / 2 0
V
1
8 0 / 2 0
V
2
1 5 8 / 2 0
V
3
3 0 / 2 0
V
4
3 0 / 2 0
I
V2
＋
－
U
i
－
+
I
V 0
I
r
R
V
5
5 0 / 1 2
V
6
5 0 / 1 2
V
7
1 9 8 / 1 2
I
V 1
＋ U
DD
( ＋ 7,5 V )
U
o
－ U
SS
( － 7,5 V )
C
图 4–32 5 G14573运放电路原理图第 4章 集成运算放大器电路
4–7 集成运算放大器的主要性能指标一,输入失调电压 UIO和输入失调电流 IIO
输入失调主要反映运放输入级差动电路的对称性 。
欲使静态时输出端为零电位,运放两输入端之间必须外加的直流补偿电压,称为输入失调电压,用 UIO表示；
必须外加的直流补偿电流,称为输入失调电流,用 IIO
表示 。
第 4章 集成运算放大器电路二,失调的温漂在规定的工作温度范围内,UIO随温度的平均变化率称为输入失调电压温漂,以 d UIO /dT表示 。 在规定的工作温度范围内,IIO随温度的平均变化率称为输入失调电流温漂,以 d IIO /dT表示 。
第 4章 集成运算放大器电路三、输入偏置电流 IIB
静态时,输入级两差放管基极电流 IB1,IB2的平均值,
即
2
21 BB
IB
III
第 4章 集成运算放大器电路四、开环差模电压放大倍数 Aud
五、共模抑制比 KCMR
六、差模输入电阻 Rid
七、共模输入电阻 Ric
八、输出电阻 Ro
九,输入电压范围十、带宽十一、转换速率 (压摆率 )SR
十二、静态功耗 Pc
十三、电源电压抑制比 PSRR
