1、微电子技术教学部,集成电路原理及应用 (第二版) 谭博学、苗汇静主编 电子工业出版社,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 2,教材,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 3,参考教材,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 4,第一章 集成运算放大器的基础知识,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 5,集成运算放大器的基本组成,差分 输入级,高增益 放大级,输出级,偏置电路,输入,输出,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 6,差动输入电路（差动输入级） 基本放大电路（CE、CB、CC） 电平位移电路 恒
2、流源电路 基准电压（电流）产生电路 输出级电路,集成运放的基本单元电路,（CS、CG、CD）,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 7,双极晶体管的基本结构示意及符号图,双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT），由两个PN结组成，三个中性区组成。引出三个电极分别为基极（Base）、发射极(Emitter)、集电极(Collector)。三个中性区分别为发射区、基区、集电区。发射区与基区之间部分称做发射结，基区与集电区之间的部分称集电结。晶体三极管分PNP和NPN型两种。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 8,双极晶
3、体管的工作模式,右图所示npn的结构，其工作模式： (1)、饱和区 条件：发射结正偏、集电结也正偏。典型值为VBE=0.7V (硅管)，而饱和压降VCE(sat)=0.3V,(2)放大区条件：发射结正偏、集电结反偏。典型值VBE=0.7V,(3)截止区条件：发射结反偏、集电结反偏。,注意：在模拟电路中，双极晶体管工作在放大状态；在数字电路中双极晶体管工作在开关状态(不是截止就是饱和),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 9,双极晶体管的VBE与IC的关系,漏电流：IS10-15A， 101000,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 10,共发射电路的VB
4、E与输入电流IB之间的关系曲线,实际上VCE 0.3 V 以后，影响较小，对于一般工作于放大状态的三极管总满足条件 VCE 0.3 V ，这时诸输入特性靠得很近，通常只画出一条特性曲线。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 11,双极晶体管的放大作用,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 12,CE放大器的输入输出曲线,BJT工作在放大区的条件是什么？,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 13,例：判断下图晶体管处于何种工作状态（放大、截至、饱和或损坏），说明理由（05年中科院&中科大）。,=100,VBE(on)=0.7V,微电子技术
5、教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 14,例：在晶体管放大电路中，测得三集管各管脚电压如下图所示，试判断各三集管的类型（PNP还是NPN，硅管还是锗管）, 并判断e、b、c各是哪个管角。（03华科）,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 15,双极晶体管的低频小信号模型,VA为厄尔利电压,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 16,厄尔利电压,实际三极管的放大区特性并非严格的水平，而是略微向上翘，如下图所示。这意味着VCE的变化对IC仍存在一定的影响，三极管输出特性并非理想恒流源。实际输出特性的延长线与横坐标的交点它们将近似相交于公共点A 上。对应
6、的电压用VA表示，称为厄尔利电压(Early Voltage)。,实际放大区特性与理想特性的区别,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 17,双极晶体管H参数与常用小信号参数的关系,输入/输出回路电压/电流关系可表示为,全微分：,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 18,双极晶体管H参数与常用小信号参数的关系,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 19,hoe为输入端交流开路时的输出电导。ro为双极晶体管的小信号输出电阻,hie为输出端交流短路时的输入电阻，单位为欧姆,hfe为输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数,hre为输入端
7、交流开路时的反向电压传输比,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 20,双极晶体管H参数与常用小信号参数的关系,康华光版,童诗白版,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 21,三极管小信号完整模型,rbb是基区体电阻， rcs是集电区体电阻 res是发射区体电阻 一般: rbb=50300 res=13 rcs=20500,rbb,C为发射结电容，对小功率管，约在几十几百皮法范围 C为B与C之间的极间电容，约在210pF范围 Cjs为集电极电容，,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 22,三极管小信号完整模型,rbb,微电子技术教学部,集
8、成运算放大器的基础知识 Ch.1# 23,基本放大电路（CE、CB、CC、CE-CB）,（A）,（B）,（C）,（D）,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 24,电容耦合的CE放大器,上式中：rberbb+r,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 25,带发射极负反馈电阻的电容耦合CE放大器,上式中：,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 26,CC放大器（射极跟随器）,上式中：,解释该式同CE with RE数值上如此相似的原因,其中：,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 27,CC放大器用作缓冲输出级,微电子技术教
9、学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 28,CB放大器,你能根据我们前面的结果，直接写出左图中所示的Rin、Rout1吗？,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 29,例：下图中两管参数相同。100，hie1K， 求Av、Ri、RO （06中科院&中科大） 。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 30,基本放大电路的特性比较,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 31,密勒定理,密勒定理：设有一个具有n个节点的线性电路，其中节点0为参考点。而节点1和节点2之间有一电阻Z相接，如右图所示。,又设节点电位V1和V2的比值为一常数K，即V
10、2/V1=K，现在把Z从节点1和节点2之间移去，在节点1与参考节点0之间接另一个电阻Z1，如图2所示。如果Z1=Z/(1-K),Z2=Z/(1-1/K),则图1、2所示两电路，就各节点的KCL方程来说是完全等效的。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 32,密勒定理,密勒定理在分析某些电路时有着很重要的作用。但必须注意，只有K为已知或设法求出之后，才能使用密勒定理进行电路分析。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 33,密勒定理,密勒定理： 如果上图（a）的电路可以转换成图（b）的电路，则:,（a）,（b）,式中,，是在所关心的频率下,的小信号增益，通常
11、为简化计算，我们一般用低频增益来代替AV，这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 34,密勒电容,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 35,CE放大器的密勒效应,输入端等效于接了一个比C大(1+gmRC) 倍的电容，这就是密勒电容的倍增效应,rbb,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 36,CE、CB、CC的小信号等效电路比较,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 37,直接耦合与电容耦合放大器级联的差异,电容耦合,直接耦合,？,电容耦合放大器没有直流增益，直接耦合有直流增益。,
12、电容耦合时前后级放大器的静态工作点相互独立，直接 耦合时前后级放大器的静态工作点相互关联，为获得合适的静态工作点，常需电平位移电路。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 38,常见的电平位移电路,nVBE,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 39,直接耦合中的静态偏置问题,Vin的直流偏置电平会影响电路的静态工作点吗？,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 40,差动输入电路（1）,电阻负载差分输入级,有源负载差分输入级,差分对的优点是什么？,偏置简单，静态点与Vin的共模电平无关,非线性比单管CE放大器小,抗共模干扰能力强,相同增益时
13、功耗比单管CE放大器大一倍,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 41,差动输入电路（2）,达林顿管输入级,自举差分输入级,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 42,差动输入电路（3）,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 43,恒流源电路（1）,基本型恒流源,改进型恒流源,缓冲型恒流源,比例型恒流源,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 44,例:下图中三极管的1，VBE(on)0.7V，IR=1.5mA，,若要求I1=1.5mA, I2=1mA, I3=0.5mA, 问图中R1R4应各取多大？（中科院&中科大2003
14、）,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 45,例:下图中三集管的1, VBE(on)0.7V，求I1、 I4、 I5（中科院&中科大2006） 。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 46,恒流源电路（2）,IO有峰值条件：,有何差异？,两微电流镜,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 47,两种微电流镜的仿真结果,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 48,恒流源电路（3）,两种电流镜有何差异？,Q1,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 49,PNP电流镜的仿真结果,微电子技术教学部,集成运算放大
15、器的基础知识 Ch.1# 50,例：试比较下面两个差分对的差异,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 51,A741的内部电路,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 52,基准电压产生电路（齐纳基准）,齐纳基准源的特点是简单，但其内阻和噪声均较大，且VZ 6V，,不能获得低电压基准，在低电源电压中无法使用，实际中常用带隙基准电压源。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 53,基准电压产生电路（带隙基准）,当,时：,输出电压形如(1)式的基准称为带隙基准。,(1),Vg0=1.205V，是0K时硅的外推带隙电压，m为常数，其大小与工艺有关。
16、m1.52.2。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 54,运放的稳定性及其判断,A(s),F(s),Vin(s),Vd(s),V0(s),VFV0(s) ,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 55,系统的传输函数,令 Z(s)=0,得零点SZ，令 P(s)=0,得极点SP。零、极点都是复数，稳定系统要求RE(SP)0。 在A(S)令S=j，则| A(j) |模值的大小即是放大器的幅频特性，它是频率f的函数。 在A(S)令S=j，则| A(j) |的大小即是放大器的相频特性，它也是频率f的函数。,在线性系统中，电容C的阻抗用1/sC，电感L的阻抗用sL，
17、利用纯电阻分析方法求得输出电压与输入电压之比即为系统的传输,函数A(s)。即：A(s)=V0(s)/Vin(s),它是算子s的函数。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 56,运放的不稳定性条件,运放振荡的条件是AF(s)的分母为0，即：,A (s)F(s)=1 ，也即是：,幅值条件:,相位条件:,判断运放稳定性的有力工具是波特图！,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 57,波特图的画法,幅频曲线中，每经过一个极点P(零点Z)，曲线斜率以-20dB/dec (+20dB/dec )变化。 相频曲线中，相位在0.1P(0.1Z)处开始变化，每经过一个极点P
18、(零点Z)，相位变化-45 (45)，相位在10P(10Z)处变化-90 (90) 一般来讲，极点 (零点)对相位的影响比对幅频的影响要大一些。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 58,利用波特图判断运放稳定性的方法,先求得反馈系数F(F一般是一个实数)，在幅频曲线上作直线-20logF，交幅频曲线于点A。,过A作垂线交相频曲线于点B,若B点对应的相位B-180,则系统稳定, 反之不稳定。B与-180 的差值称为相位余度PM。,也可以在相频曲线上作直线交相频曲线于点D，过D作垂线交幅频曲线于E，若E点对应的增益AE-20logF，则系统稳定，,反之系统不稳定，AE与-20
19、logF的差值称为增益余度GM。,实际中取PM=60 ，此时放大器上升时间tS最小。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 59,运放的稳定性及其判断（例）,Vin,Vin,Vo,Vo,99k,1k,右图两个电路是否稳定？若需相位余度PM45 ，幅频特性应如何变化(及零、极点应如何变化)。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 60,例:下图为一运放的开环波特图,写出运放的传输函数,A(s), 运放若加上纯电阻负反馈网络, 且F0.05，问该运放能否稳定？若要求PM=45，问F应取多少？（中科院&中科大2003）,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识
20、Ch.1# 61,相位余度PM与运放闭环响应的关系,实际中取=60 ，此时放大器上升时间tS最小。,Vin,Vo,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 62,运放极点与单位增益带宽GW的关系,第一主极点越大，f3dB越宽。 第一、第二主极点相离越远，GW越宽。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 63,运放的常用补偿方法（1）,密勒电容补偿：利用电容的弥勒倍增效应使第一主极点向原点靠近，使增益曲线在相位到-180前提前降到0dB。,-180,A,Vin,A,(1+ A)Cc,Cc,AV(f),Vo,V(f),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch
21、.1# 64,运放的常用补偿方法（2）,利用前馈回路产生LHP零点以消除第二个主极点（Doublet Technique ），从而提高稳定性并获取更大带宽(超前相位补偿)。,Vo,A,A,gm,Vin,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 65,运放两种不同补偿方法的波特图比较,密勒补偿的优点是电路结构简单，由于利用密勒倍增效应可用较小电容(10 F 20 F)代替大电容，这样能节省大量的芯片面积，因此非常适合集成电路在片补偿。其缺点是带宽不大。零极点对消补偿的优点是带宽宽，缺点是电路复杂，若零极点失配，则运放的建立时间tS会大大增加。,零极点失配导致相频曲线下陷,微电子技术
22、教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 66,零、极点失配对建立tS时间的影响,tS=6.7 S,tS=12.8 S,tS=15.2S,tS=0.43 S,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 67,三级放大器的补偿方法,参考文献 A.D.Grasso,G.Palumbo and S.Pennisi. Analytical comparison of frequency compensation techniques in three-stage amplifiers. INTERNATIONAL JOURNAL OF CIRCUIT THEORY AND APPLIC
23、ATIONS,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 68,(1) NMC (nested miller compensation),稳定条件:,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 69,(2) NMCNR (NMC with nulling resistor),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 70,(3) DPZC (Double pole-zero cancellation),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 71,(4) MNMC (Multi-path nested Miller compensation
24、),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 72,(5) NGCC (Nested Gm-C compensation),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 73,(6) NMCF (Nested Miller compensation feed-forward) and NMCFNR (NMCF with nulling resistor),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 74,(7) DFCFC (Damping-factor control frequency compensation),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知
25、识 Ch.1# 75,(8) AFFC (Active-feedback frequency compensation),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 76,(9) ACBC (AC boosting compensation),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 77,集成运放的主要参数及分类,集成运放的直流参数 输入失调电压Vos：在运放零输入时为使输出为零需在输入端所加的直流电压。通常以BJT作为差分输入级的运放Vos较小，约几毫伏，MOSFET输入级的运放（常规结构）Vos相对较大。 输入失调电压的温度系数Vos/ T：在一确定的温度变化内
26、，失调电压的变化与温度变化的比值。通常运放失调电压系数为1020uV/，高精度、低漂移运放可做到1uV/ 以下,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 78,集成运放的直流参数（续）,输入偏置电流IIB：运放零输入、零输出时，其正、反向输入端偏置电流的平均值，即：,BJT输入级运放IIB约为10nA1uA，场效应管输入级运放IIB一般小于1nA。,输入失调电流Ios：运放零输入、零输出时，其正、反向输入端偏置电流的差值，即:Ios=|IIB+ -IIB-|，通常运放偏置电流越大，Ios也越大。 IIB 、 Ios都是温度的函数。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch
27、.1# 79,集成运放的直流参数（续）,差模开环增益Ad：运放工作于线性区时，其输出电压与差模输入电压之比，常用分贝表示，即：,（dB）,Ad是频率的函数，通常差模开环增益Ad均指直流（低频）开环增益，通用运放的Ad均在104以上。,共模抑制比CMRR：运放工作于线性区时，其差模增益Ad与共模增益ACM之比，也是频率的函数，即：,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 80,集成运放的直流参数（续）,电源电压抑制比PSRR：运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压改变的变化率，即：,输出峰-峰电压Vopp：指在特定负载条件下，运放能输出的最大电压幅度，即输出摆幅。 最大共模输
28、入电压VinCM：运放共模特性显著变坏时的共模输入电压。 最大差模输入电压VinDM：运放两输入端允许输入的最大电压差。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 81,集成运放的交流参数,开环带宽BW：开环增益下降3dB（或直流增益的0.707倍）时所对应的信号频率。也称3dB带宽。 单位增益带宽GW：开环增益下降到0dB （或直流增益为1）时所对应的信号频率。这是运放很重要的一个交流参数，它代表运放跟随器连接时的最高工作频率。 转换速率（压摆率）SR：运放跟随器连接时，在额定的负载条件下，当输入阶跃大信号时，运放输出电压的最大变化率。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知
29、识 Ch.1# 82,集成运放的交流参数（续）,全功率带宽BWP：运放跟随器连接时，当输入正弦大信号后，在额定负载、一定的失真条件下，运放输出电压幅度达到最大时所对应信号频率。 建立时间tS：运放跟随器连接时，在一定的负载条件下输入阶跃大信号后，运放输出电压达到某一特定值范围所需的时间。 tS是运放的小信号特性，与单位增益带宽GW关系密切，SR是运放的大信号特性，二者既有联系也有区别。一般情况下（但不绝对），SR越大， tS越小。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 83,集成运放的交流参数（续）,等效输入噪声电压：屏蔽良好、无信号输入的集成运放，在其输出端产生的任何交流无
30、规则的干扰电压。普通运放该值约为1020uV。 差模输入阻抗Zid：运放线性区工作时，两输入端的电压变化量与输入电流变化量之比。 共模输入阻抗Zic：运放线性区工作时，共模输入的电压变化量与对应的输入电流变化量之比。 输出阻抗Zc：运放线性区工作时，在其输出端加信号电压后，此电压变化量与对应的电流变化量之比。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 84,集成运放的分类,通用型：在不要求具有特殊的特性参数情况下所采用的运放。这类运放一般具有价格低、应用广泛的特点。 低输入偏置电流、高输入阻抗型：输入偏置电流一般为0.150pA，输入阻抗不低于10M。 低输入失调电压型：Vos一
31、般在50uV 1mV 低漂移高精度型：温漂5uV/ 高速型（SR5V/uS）和宽频带型 高压型：电源电压20V,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 85,集成运放的分类（续）,低功耗型：静态功耗5mW 高输出电流型（50mA）功率型（ 1A ） 低噪声型：等效输入噪声2uV 跨导型和程控型 单电源型 组件型：利用单片集成电路和分立元件组合成的一种具有独特性能的电路。如低漂移集成运放组件、静电型放大器、数据防盗器等。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 86,理想运放的特征,Ad=，即虚短特性，Vin+=Vin- Rid= ，即虚断特性，Iin+=Iin-
32、=0 CMRR= 、SR= 、ro=0 Vos、Ios及其温漂均为0 干扰和噪声均为0 具有无限大的带宽,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 87,运放的符号,右图是运放的符号,Vin+、Vin-分别是同向和反向输入端,Ad表示差模增益,则有: V0=Ad(Vin+=Vin-),假定静态时Vin+=Vin- =0, V0= 0, 若同向,输入端Vin+,则V0,反之, 若Vin+, V0,若反向输入端Vin-,则V0 ,反之, 若Vin-,则V0,当同向和反向输入端同时变化时,若(Vin+-Vin- ), 则V0, (Vin+-Vin- ), V0 ,显然, (Vin+-V
33、in- )0, V0 0, (Vin+-Vin- )0, V0 0。,假定共模增益ACM=0,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 88,运放差模(共模)信号、差模(共模)增益的关系,对于任意的输入信号Vin+、Vin-，均可写作：,根据线性系统的叠加定理,运放总的输出电压V0即是图(A)、 (B)两个输出的叠加, 即:V0=V01+V02,图(A),图(B),微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 89,运放差模(共模)信号、差模(共模)增益的关系,例:假定右图中的运放Ad=104,ACM=10-2,(即共模抑制比CMRR=120dB), 当Vin=2V时,
34、 求V0=?,若Ad=105,ACM=10-2, 此时V0=1.999980V,显然, Ad越大,跟随器的精度越高。,因V0Vin,故名跟随器,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 90,实际运放的等效模型,Vos为失调电压，Ios为失调电流，Rid为差模输入电阻，Ric为共模输入电阻。R0,为输出电阻，AVD为差模增益。,微电子技术教学部,集成运算放大器的基础知识 Ch.1# 91,本章基本要求,了解集成运放的基本组成结构、掌握各组成部分单元电路的特点，掌握理想运放的虚短、虚断特性以及理想运放与实际运放的差异。 理解并掌握运放稳定性条件，会用波特图判断运放的稳定性，了解运放的相位补偿技术。 理解并掌握运放的几个重要参数的意义：Ad、CMRR、PSRR、GW、BWP、SR、tS。,
