孙肖子-谢松云-第四章-集成运放内部电路设计

模拟电子技术基础孙肖子第四章集成运算放大器内部电路设计《模拟电子电路与技术基础》课程的特点是“概念性、工程性、实践性“强！“注重物理概念，采用工程观点；重视实验技术，善于总结对比；理论联系实际，注意应用背景；寻求内在规律，增强抽象能力。”4.1集成运放电路电路概述集成电路(IC：IntegratedCircuit)是在同一块微小的硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺，将电阻、二极管、晶体管、场效应管及小电容和它们之间的连线组成的完整电路制作在一起，最后再进行封装，形成的一个实现特定功能的完整电路。集成电路分类：通用型运放：专用型运放：高阻型、高速型、高精度型、低温漂型、低/微功耗型、高压大功率型特定功能运放：仪表用放大器、缓冲放大器、隔离放大器等。4.1集成运放电路电路概述1.高增益直接耦合放大器2.尽量用有源器件代替无源元件3.利用对称结构改善电路性能集成运放的特点：4.广泛采用复合管5.温度稳定性较高6.集成度高，功耗小4.1集成运放电路电路概述集成运放的组成：1.输入级输入电阻高、差模电压放大倍数大、共模信号抑制能力强、静态电流和失调偏差小。差动输入级中间放大级输出级偏置电路反向输入同向输入ui1uoui22.中间级提供足够大的电压放大倍数，多采用共发射极(或共源极)3.输出级提高输出功率、降低输出电阻(即提高带负载能力)、减小非线性失真和增大输出电压的动态范围。4.偏置电路采用恒流源电路.4.1集成运放电路电路概述1.高增益直接耦合放大器2.尽量用有源器件代替无源元件3.利用对称结构改善电路性能集成运放的特点：4.广泛采用复合管5.温度稳定性较高6.集成度高，功耗小4.2集成运放电路中的电流源电路1.单管电流源电路33121||OcebeORURrrRRRIBBECE3UUIIR2BCC12RUURR2.镜像电流源RUUIBECCREF121222CCCREFBREFIIIIII)21(12REFCII12CCBECCCREFUUUIIRR镜像电流源的温度补偿作用多路镜像电流源2311cccnREFIIIIN多集电极晶体管电流源3.比例电流源111222BEEBEEUIRUIR12BEBEUU1122EEIRIR1122122EECEEREFEERRIIIIRR11CCBEREFUUIRR4.微电流电流源122122221()lnTECEBEBEEEEUIIIUURRI222lnTREFECCUIRII222lnTREFCECUIIRI5.威尔逊电流源—负反馈型电流源C1REFB3REFC3IIIII/E3C2B1B2C2IIIII1因为E3C31II所以2C3REF2222II1()2222REFREFII32REFICCBEBEUUUR6.改进型电流源-----加射随器隔离的电流源3T1BI2BIREFI利用的隔离和电流放大和作用，减少了基极电流和对基准电流的分流作用，32132212211ECCREFBREFCBREFREFIIIIIIIIIIREFREFCIII1212改进的多输出镜像电流源4.2.2场效应晶体管组成的电流源T1一定工作于恒流区T1、T2的电性能完全相同12DDGSREFDDUUIIIR2()()2nOXDGSGSthCWIUUL111222//DDIWLIWL111111111222333444///,,///DDDDDDIWLIWLIWLIWLIWLIWLMOS多输出电流源电路例22OREFII35OREFII对于N沟道FET组成的电流镜，宽长比的比值为2：4：10＝1：2：5，所以有，435OOREFIII53525OOREFIII63210OOREFIIIP沟道FET电流镜的宽长比的比值为2：10：4＝1：2：5，所以有4.2.3电流源的主要应用----有源负载有源负载的特点(1)采用有源负载的放大器具有很高的电压增益。(2)有源负载放大器的增益与电源电压无关。(3)可以大大节约芯片面积。4.2.3电流源的主要应用----有源负载有源负载共射放大电路112u1////AceceLBberrRRr有源负载射级跟随器4.3.1零点漂移现象4．3差分放大电路所谓的零点漂移，就是当输入信号为零时，输出信号是一个随时间变化，漂移不定的非零信号结构特点:结构高度对称,有两个输入端,两个输出端,4.3.2一般差分放大电路的特性分析1、抑制零漂原理()TC1CI1CI2CI2CI1EI2EI1BEU2BEU1BI2BIgRU2EI2、差模信号和共模信号两端输入信号大小相同、极性相反的信号称差模信号idu两端输入完全相同的信号称为共模信号icu1212idiiiuuuu122iiicuuu任意信号：当时，称它们为任意信号，任意信号可以分解为差模信号和共模信号之和21iiuu121211212212221222iiiiiicidiiiiiiciduuuuuuuuuuuuuu12122idiiiiicuuuuuu式中3、差模增益和共模增益差模电压增益定义共模电压增益定义oddiduAuoccicuAuicidocodouuuuucdAA总的输出电压4、共模抑制比dCMRcAKA20lgdCMRcAKdBA差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制能力越强，抑制零漂的能力愈强，放大电路的性能越优良。5、典型差分放大电路及四种工作方式（a）双端输入、双端输出（b）单端输入、双端输出（c）双端输入、单端输出（d）单端输入、单端输出6、基本工作原理(1)静态分析12()0.71222REEEEEEEQEQEeIUUUIIRR1212CQCQEQEQIIIIC1QC2QCC1UUUCQCIRCE1QCE2QCC1UUU0.7CQCIR(2)动态分析1)双端输入，双端输出工作方式。①双端输入，双端输出差模电压增益。差摸输入交流等效电路小信号等效电路ER等效为对地短路负载电阻LR中点的交流信号电位为零'odo1o2o1idi1i2i1uu-u2uuuu2uLdBbeRARr'//2LLCRRRbeBbidbididrRiuiuR221CodRR2差模输出电阻差模输入电阻②双端输入，双端输出共模电压增益。共模输入差分放大电路共模输入信号的交流通路共模电压增益为OCOC1OC2Cicicuu-uA0uu共模抑制比dCMRCAKA共模输入电阻112(1)22iciciCBbeEcbuuRRrRii共模输出电阻2occRR2)双端输入，单端输出工作方式。①双端输入，单端输出差模电压增益。双入单出差模交流通路双入单出共模交流通路'o1o1o1d1idi1i2i1uuu1Auuu2u2()2LdBbeRARr'//LCLRRR)(2beBidrRRCodRR其中差模输入电阻差模电压增益为差模输出电阻②双端输入，单端输出共模电压增益EbeBLCiCOCCRrRRRuuA)1(2//11112(1)2()dBbeECMRCBbeARrRKARr2(1)BbeeRrR1C1//A2CLERRR共模放大倍数一般情况下且共模输入电阻12(1)2icbeErrR共模输出电阻COCRr3）单端输入的差分放大电路单端输入单端输出可看作是任意输入的一个特例1222idiididuuuu：差模信号1222iiiicuuuu共模信号4.3.3带恒流源的差分放大电路ER3T1R2R3R、、、组成恒流源电路，1、3Tce3r管C--E极之间的交流等效电阻用取代典型差分放大电路中的ER2、恒流源的电流3()OCII计算EEBBBBURRRU211113333EEBBEOCEEUUUIIIR1231122EECOIIII恒流源的动态电阻333333121(//)ABOcebeRRRrrRRR4.3.4有源负载的差分放大电路用镜像电流源作差分放大电路的有源集电极负载电阻，可以使单端输出具有与双端输出相同的差模放大倍数及共模抑制比4.3.5MOS差分放大器采用有源负载的MOS差分放大器242112odddddiiiiii1112dmidmidigugu12odmidiigu''oLudmLidiRAgRu'24////LdsdsLRrrR1.差模电压增益2.共模电压增益由于电路两边对称420oddiii=共模增益为0，CMR K趋于无穷大。共模输入时的有源负载MOS差分放大器2.共模电压增益共模输入时的有源负载MOS差分放大器12ddii=34ddii=24ddii=420oddiii=由于电路两边对称，必有1、有源负载差分放大器的共模增益为0，CMR K2、趋于无穷大4.3.6差分放大电路的传输特性及应用1、差分放大器的传输特性2121BEBEiiiduuuuu()BEEESTuiIEXPU021IiiEE0110221()1()CEidESTCEidESTIiiuIEXPUIiiuIEXPU)2()(11)(110021TidTidESTidESCCUuthIUuEXPIUuEXPIIii晶体管发射极电流与BE结电压之间的关系)2(021TidCCCCOUuthRIiiRu输出电压1）当0uid时，差分放大器处于平衡状态12m0g20(/)2idCCOOidTudIIIImAVduU12()()()2ccCudCmCOidTdiiRARgRIduU2）差模电压TTUUidu输入与输出可保持线性关系时3）idu4TUOu时，输出差模电压基本上保持不变2、展宽输入动态范围及差分放大器的其它应用(1)展宽输入动态范围引入串联电流负反馈电阻R，展宽输入线性动态范围(2)倒相器()OCIfU（3）自动增益控制电路（4）波形变换电路3双平衡模拟乘法器125()2xcccTuiiithU346()2xcccTuiiithU12123456()()2oooccccxccTiiiiiiiuiithU252xTuUmV22xxTTuuthUU1()2oxyETiuuRUou12()()()2CoooCoCxyxyETRuiiRiRuuKuuRU当时由此可求得输出电压K称为标度因子(1/)2CETRKVRU4．4集成运算放大器的输出电路1、BJT管输出级互补原理电路交越失真波形简单互补电路4．5集成运算放大器内部电路举例4.5.1BJT通用运算放大器F0071、差分输入级(1)差模输入范围大(3)电压增益和输入阻抗高。(2)共模输入范围大，共模抑制比高16T17T、组成中间电压放大级2、中间级3、输出级：互补对称输出级由T14、T18、T19组成。4、保护电路D1、D2、R8、R9组成输出级的过载保护电路。4.5.2C14573集成运算放大电路C14573是四个独立的运放制作在一个芯片上的器件。•第一级是采用共源形式的双端输入、单端输出差分放大电路。P沟道管T3和T4构成源极输出的差分放大电路，N沟道管T5和T6管组成镜像电流源，作为差分放大电路有源负载。•第二级是由T7与T8组成一个高增益共源放大电路，•T7为有源负载