【正文】 第 1章 集成運(yùn)放的基礎(chǔ)知識(shí) 集成運(yùn)放的基本組成電路 集成運(yùn)放的基本構(gòu)成和表示符號(hào) 集成運(yùn)放的主要參數(shù)和分類 集成運(yùn)放的等效模型 實(shí)際運(yùn)放與理想運(yùn)放的誤差 運(yùn)放電路的穩(wěn)定性及其判斷 集成運(yùn)放的相位補(bǔ)償技術(shù)Date 1集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院運(yùn)放電路是各種電子電路中最基本的組成部分。 引言? 集成運(yùn)算放大器 IC Operational Amplifer（縮寫(xiě)為 OPAmp）簡(jiǎn)稱為 集成運(yùn)放 ，它是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來(lái)的一種 高增益直接耦合放大器。 ? 集成運(yùn)放與其它集成電路一樣，經(jīng)歷了小、中、大和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展階段。 ? 集成運(yùn)放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種最多、 應(yīng)用最廣泛一種模擬集成電子器件。 ? 集成運(yùn)放配上不同的外圍器件，可構(gòu)成功能和特性完全不同各種的集成運(yùn)放電路，簡(jiǎn)稱 運(yùn)放電路。Date 2集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 集成運(yùn)放的基本組成電路 差動(dòng)輸入電路 恒流源電路 有源負(fù)載電路 雙端變單端電路 直流電平位移電路 互補(bǔ)推挽輸出電路Date 3集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 差動(dòng)輸入電路1. 差動(dòng)放大電路的基本特性圖 111 差動(dòng)放大電路 的基本形式圖 112 差模輸入交 流等效電路Date 4集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院(1)輸入差模信號(hào)時(shí)（即 ui1 = ? ui2）電壓增益為 若是單端輸出時(shí)，該電路的電壓增益將減半：電壓增益為 RL是放大器的負(fù)載電阻。 Date 5集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院?jiǎn)喂芄采浞糯笃鞯?源電壓增益為?差模輸入時(shí)，放大器兩輸入端之間的差模入電阻 Rd是單管放大器的兩倍，即圖 113 單管共射放大器的低頻小信號(hào)等效電路us1Rs1+?+?ui1 Rbrbeib ?ibRc RL+?uo1b ceRd =2(Rd//rbe) ≈2rbe當(dāng) ?很大時(shí)當(dāng)工作電流很小時(shí) Date 6集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院由三極管射極電流與 e－ b結(jié)電壓的關(guān)系式 晶體管的 跨導(dǎo)為同理可得雙極型差動(dòng)放大器的等效跨導(dǎo)表示式為 式中 Ic為每單邊三極管的集電極電流 Date 7集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院差動(dòng)放大器在 差動(dòng)輸入時(shí) ，其 跨導(dǎo) 與單管時(shí)相同 由此，可得到 差動(dòng)放大器電壓增益 的近似式為在室溫情況下，可進(jìn)一步近似為 上式中， Io1為差動(dòng)放大器的恒流源電流。 顯然， 放大器電壓增益是與其工作電流成正比。 Date 8集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院(2)共模輸入信號(hào)時(shí)圖 114 共模輸入的差動(dòng)放大器當(dāng)差動(dòng)輸出時(shí)， 共模抑制比 （即差動(dòng)放大器差模增益與共模增益之比）表示式為Date 9集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 多數(shù)集成運(yùn)放的輸入級(jí)都采用差動(dòng)放大器形式。輸入級(jí)的失調(diào)是整個(gè)運(yùn)放輸入失調(diào)的主要來(lái)源， 因此，減小差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)是很重要的。(1)差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電壓及其漂移 在實(shí)際的差動(dòng)放大器中，當(dāng)差動(dòng)輸出電壓為零時(shí)，輸入端所加的直流補(bǔ)償電壓的大小稱為差動(dòng)放大器的 輸入失調(diào)電壓 。Date 10集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院圖 115 分析差動(dòng)放大器 失調(diào)電壓的示意圖 引起差動(dòng)放大器輸出電壓不平衡的因素有三個(gè) : 對(duì)差動(dòng)放大器，當(dāng)差動(dòng)輸出電壓為零時(shí)，應(yīng)有① VT VT2的 UBE相同時(shí)，它們的射極電流不相等。是由于 VT VT2的反向飽和電流Is Is2不匹配的結(jié)果。② VT VT2的集電極電阻 Rc Rc2的不匹配。③ VT VT2的電流增益 β β2的 不匹配。Date 11集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院計(jì)算可得，差動(dòng)放大器的 輸入失調(diào)電壓 Uos為：上式的三項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于上述 三項(xiàng)因素 ，一般情況下，時(shí) VT VT2的 UBE之差 很小，可忽略。稱為差分對(duì)管本身的輸入失調(diào)電壓表示： 忽略電阻溫度系數(shù)差值時(shí)， Uos的溫漂主要決定于 的溫漂。 式中第一項(xiàng)可用相等射極電流Date 12集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院差動(dòng)放大器的 輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù) 為 對(duì)應(yīng) 1mV的 Uos，室溫時(shí)它的溫度系數(shù)約 ℃ 。(2)差動(dòng)放大器的輸入失調(diào)電流及其漂移差動(dòng)放大器的輸出直流電壓等于零時(shí)，兩輸入端所加偏置電流的差值即為其 輸入失調(diào)電流 Ios。 引起 Ios的原因是：為使這些偏差等于零，差分對(duì)管的基極注入電流將發(fā)生偏差。① 晶體管的 ?不對(duì)稱，使基極注入電流產(chǎn)生偏差；② 集電極負(fù)載電阻不對(duì)稱，引起輸出電壓偏差。Date 13集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院Ios的表示式為 當(dāng)不考慮電阻溫度的偏差時(shí)， Ios的溫度系數(shù)表示為：當(dāng)工作溫度大于 25℃ 時(shí)，其值約 ?℃ 。當(dāng)工作溫度小于 25℃ 時(shí)，其值約 ?℃ 。注意： 上述討論中均假設(shè)差分對(duì)管處于同樣溫度環(huán)境中。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 因電路中有些元件功耗較大，芯片存在溫度梯度，故輸入差分對(duì)管溫度環(huán)境可能有差別，它 將使差動(dòng)放大級(jí)輸入失調(diào)增加。Date 14集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院集成運(yùn)放的許多性能指標(biāo)主要取決于差動(dòng)輸入級(jí)。(1)普通差動(dòng)放大電路普通差放電路作為集成運(yùn)放的輸入級(jí)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易匹配，因此輸入失調(diào)電壓小。例如：輸入失調(diào)及其漂移、輸入阻抗、共模抑制比、最大差模輸入電壓和共模輸入電壓范圍等。輸入級(jí)的改進(jìn)便成為各代集成運(yùn)放的重要標(biāo)志。它廣泛用于早期產(chǎn)品和第一代集成運(yùn)放中。 Date 15集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院第一代集成運(yùn)放?如國(guó)產(chǎn)的 F001（ 5G922）、 F004（ 5G23）以及國(guó)外的 ?A709等。? 輸入阻抗低，約為 50k?到 300k?；? 失調(diào)電流，約為 100nA；? 最大差模輸入電壓低，不超過(guò) 7V；? 差模輸入電壓范圍也較小，常為 ?10V；? 電壓增益不高，約為 30到 100倍。缺點(diǎn)是：Date 16集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院(2) 共集－共基差動(dòng)放大器圖 116 共集－共基 差動(dòng)放大器由兩級(jí)差動(dòng)放大電路組成第 1級(jí) 由高 ?的 NPN管 VTVT2接成共集組態(tài)差動(dòng)放大電路， VT VT4為其發(fā)射極負(fù)載。第 2級(jí) 由高反壓的橫向 PNP管 VT VT6接成共基組態(tài)差動(dòng)放大電路。 Date 17集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院用于第二代集成運(yùn)放中。 如：國(guó)產(chǎn)的 F005G2 F741，國(guó)外的 ?A74 AD741等。特點(diǎn)：? 因輸入為共集電路，所以 提高了輸入阻抗；? VT VT4為共基電路，由于輸出阻抗高，因此可用大負(fù)載以 提高電壓增益。? 由于 VT3和 VT4的 IB以及 VT1和 VT2的 IC合用一個(gè)恒流源，即 IB + IC = 常數(shù)， 提高了共模抑制比。216。最 突出的特點(diǎn)是 采用了高反壓的橫向管，使得最大差模輸入電壓 UdM 可達(dá) ?30V。Date 18集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院(3) 超 ?管差動(dòng)放大電路圖 117 超 β管差動(dòng)放大電路?用 ? =2022? 10000超 ?管作差動(dòng)放大電路，使差動(dòng)輸入級(jí)的基極偏置電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)， 這是集成運(yùn)放在低漂移性能上重大突破。216。第三代集成運(yùn)放主要特點(diǎn)是采用了超 ? 管的差動(dòng)輸入級(jí)。如：國(guó)產(chǎn)的 4E325； 國(guó)外的 AD508L。Date 19集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院(4) 場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大電路圖 118 場(chǎng)效應(yīng)管差動(dòng)放大電路 因場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電流比三極管的基極電流小三、四個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在需要高輸入阻抗和低偏置電流等的情況下，常采用場(chǎng)效應(yīng)管作差動(dòng)輸入級(jí)。 輸入阻抗高達(dá) 1012?。 例如：國(guó)外的 ?A740等。 缺點(diǎn)： 輸入失調(diào)電壓較大。 Date 20集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 恒流源電路 在集成運(yùn)放中，廣泛采用恒流源電路，作為各級(jí)電路的恒流偏置和有源負(fù)載。1. 鏡像恒流源基本電路圖 119 鏡像恒流源 的基本電路VT VT2是匹配對(duì)管 即 ?足夠大時(shí)有Io≈ Ir，所以稱為電流鏡電路。Date 21集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院圖 1110 減小 β對(duì) Io影響的恒流源輸出電流為： ?1≈?2 2. 改進(jìn)型鏡像恒流源電路(1) 減小 ?對(duì) Io影響的恒流源? 與基本電路相比，此處 ? 的變化對(duì) Io的影響要小得多。Date 22集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院圖 1111 Io與 Ir不同 比例的恒流源即（ 2） Io與 Ir不同比例的恒流源? 當(dāng) VT VT2中電流是同數(shù)量級(jí)時(shí)，其 UBE可認(rèn)為近似相等，故有（假設(shè)三極管的 ?足夠大）：?調(diào)節(jié) R R2的比值，可獲得不同的 Io輸出。Date 23集成電