输入级|偏置电路|中间级 输出级 15V) R Ru 11 R 零 (-15v (1)A高;(2Ra大;(3低;(4)V1Dw,VoM大 特 点5过流保护;(正半周;负半周)(6)动态范围大 (7)内部有CC(相位补偿);(8)调零端①、⑤ 第五章 54MOS集成运放 541 MOS OPA的特点 1.电路结构简单、形式多样(VLSI中) 2.失调电压大(输入级增益低,系统失调不能忽略 3.相位补偿问题 4.输入电阻高,集成度高,电源适用范围宽 5.电源电压抑制比 2
1 1 清华大学电子工程系李冬梅 (1)AV高； 3 5 2 7 6 4 1 调零 T1 T2 T3 T4 T7 T5 T6 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T24 T20 T21 T22 T23 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 CC (+) (-) I0 IR (+15V) 输 出 VCC -VEE (-15V) A B 输入级 偏置电路 中间级 输出级 特 点 特 点 (2)Rid大； (3)fH低； (4)VIDM, VICM大 (5)过流保护；（正半周；负半周） (6)动态范围大 (7)内部有CC（相位补偿）； (8)调零端① 、⑤ 2 清华大学电子工程系李冬梅 5.4.1 MOS OPA的特点 1．电路结构简单、形式多样 （VLSI中） 2．失调电压大 (输入级增益低，系统失调不能忽略） 3．相位补偿问题 4．输入电阻高，集成度高，电源适用范围宽 5．电源电压抑制比 第五章 5.4 MOS 集成运放
第五章54-541MOS运放的特点 MOS集成运放的相位补偿 正值零点 C jw /w △ △p与极点同方向 P 正值零点使附加相移增加,相位裕度减小,不稳定性增加!」 Cngm低,w与W以Wn2距离小,影响不能忽略 g 五章54541MOS运放的特点 MOS集成运放的相位补偿(续) 正值零点产生原因:Cc直通效应 消除正值零点的办法 (1)增加单位增益级(消除直通电流) (2)增加电阻R(消零点电阻) (/8m2-R)o 正零点个 8m? →消零点 R 负零点 2
2 3 清华大学电子工程系李冬梅 ( ) ( )( ) 1 2 1 / 1 / 1 / ( ) p p z jw w jw w K jw w A jw + + − = p p z A w w tg w w tg w w tg 1 2 1 1 −1 − − −⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ϕ = − + 正值零点 正值零点 ∆ϕ∆ϕ与极点同方向 与极点同方向 正值零点使附加相移增加，相位裕度减小，不稳定性增加！ c m z C g w 2 = Cc gm2低，wz与wp1、wp2距离小，影响不能忽略 第五章- 5.4 –5.4.1 MOS运放的特点 MOS 集成运放的相位补偿 4 清华大学电子工程系李冬梅 第五章- 5.4 –5.4.1 MOS运放的特点 z 正值零点产生原因： Cc直通效应 z 消除正值零点的办法 （1）增加单位增益级（消除直通电流） （2）增加电阻R（消零点电阻） 1 vO vI I' CC vo vI I' CC R ( ) m c z g R C w − = 2 1/ 1 c m z C g w 2 = 2 1 gm R 负零点 消零点 正零点↑ MOS 集成运放的相位补偿（续）
第五章-54542CMOS运放 54.2CMOS运放 1.基本CMOS运放 Ts 5 算五章54CMOS集成运放 542CMOS运放(续) 2. Cascode运放 Ts 优点:高增益 A,∝gmN(gmNN)/(mph) n 缺点:动态范围小 T 又名: telescopic cascode
3 5 清华大学电子工程系李冬梅 1．基本CMOS运放 T12 T13 T3 T4 T1 T2 T5 T7 T9 T T8 10 T11 T6 CC vi1 vi2 VDD vO -VSS 第五章- 5.4 -5.4.2 CMOS运放 5.4.2 CMOS 运放 6 清华大学电子工程系李冬梅 2．Cascode 运放 第五章- 5.4 CMOS集成运放 T5 T7 T3 T4 T1 T2 ISS T8 T6 Vout vN vP VDD -VSS vb vb 优点: 高增益 [( )//( )] 2 2 v mN mN dsN mP dsP A ∝ g g r g r 缺点: 动态范围小 又名: telescopic cascode 5.4.2 CMOS 运放（续）
算五章54CMOS集成运放 542CMOS运放(续) 3. Folded cascode运放 原理: T TI 台h 第五章运放及其应用 55互导运算放大器 电压运算放大器(VOA) ■互导运算放大器(OTA)一一压控电流源 HT3 T, 4 K TI 实现电压放大时 T8 不需外加反馈
4 7 清华大学电子工程系李冬梅 3．Folded Cascode 运放 第五章- 5.4 CMOS集成运放 原理: T5 T7 T3 T4 T1 T2 ISS T8 T6 Vout vb4 vb4 VDD -VSS vb1 vb1 vb2 vb3 vin T1 T2 I1 Vout vin VDD -VSS vb I2 T1 T2 I1 Vout vin VDD -VSS vb 5.4.2 CMOS 运放（续） 8 清华大学电子工程系李冬梅 5.5 互导运算放大器 第五章 运放及其应用 电压运算放大器（VOA） 互导运算放大器（OTA）－－压控电流源 T5 T7 T3 T4 T1 T2 IB T8 T6 iO vN vP VDD -VSS 1 : 1 K : 1 1 : K gm = Kg m1 实现电压放大时 不需外加反馈 实现电压放大时 不需外加反馈
第五章 56OPA的应用分类及三种输入方式 5.6.1OPA的应用分类 1.线性应用 条件:Vm小;线性区 正向饱和区 方法:深度负反馈! 特点:(1)vm=0,vp=v;“虚短 2)i≈≈0,“虚断 2.非线性应用 负向饱和区 条件:|1D足够大;限幅区 方法:开环!(电压比较器 线性区 正反馈(指运放本身的工作状态,而 不是电路v与v之间的关系) 第五章56运放应用分类及三种输入方式 562OPA的三种输入方式 反相输入 )电压并联负反馈 (2)·v P=v≈0 R R i=i≈0∴1 v R (3)特点 RR R v=0,虚地 R Rit =r R vp=叭=0,vc=0(共模信号为0) (4)直流电阻平衡 5
5 9 清华大学电子工程系李冬梅 5.6.1 OPA的应用分类 1．线性应用 条件：vID小；线性区 方法：深度负反馈！ 特点:（1）vID = 0，vP = vN; “虚短” （2） iP≈ iN≈ 0, “虚断” 2. 非线性应用 条件：|vID|足够大；限幅区 方法：开环！（电压比较器） 正反馈（指运放本身的工作状态，而 不是电路vi 与vo之间的关系） 第五章 5.6 OPA的应用分类及三种输入方式 v0 v0H 0 vP－vN v0L 线性区 正向饱和区 负向饱和区 10 清华大学电子工程系李冬梅 i I N Rif ' Rif P R' R1 RF - + vO vI i 5.6.2 OPA的三种输入方式 f 1．反相输入 （3） 特点 z vN = 0，虚地 z Rifˊ= R1 Rof→ 0 z vP = vN = 0, vIC = 0 (共模信号为0) （4）直流电阻平衡 - + RN RP IP IN = ≈ 0 P N Qv v 1 1 R v i I ∴ = F O f R v i − = = ≈ 0 P N Qi i f ∴i = i 1 F I O R v R v − = 1 I F O v R R v 1 = − R1 R A F vf = − （1）电压并联负反馈 （2） 第五章- 5.6 运放应用分类及三种输入方式
第五章56运放应用分类及三种输入方式 2.同相输入 (1)电压串联负反馈 F r,+R ip=i≈0∴vp=vy≈v R (1+ )特点 R R R 不存在虚地点 A=1 Rr→ R vc=v1(共模信号不为0,要求KcNm高) R=0或R=∞时,A=1(电压跟随器) 第五章56运放应用分类及三种输入方式 电压跟随器 R A,=1+ R 3.差分输入 法 R 卩,≠0 R2+R3 R2+R3 R, R R3 R,=R R RI RR,+R REER R 6
6 11 清华大学电子工程系李冬梅 2．同相输入 （3） 特点 z 不存在虚地点 z Rif →∞ z vIC = vI (共模信号不为0，要求KCMR高) z Rf = 0 或 R1= ∞ 时，Avf=1 (电压跟随器) = ≈ 0 P N Qi i 1 1 R v i I ∴ = F O I f R v v i − = I F O v R R v (1 ) 1 = + 1 1 R R A F vf = + （1）电压串联负反馈 （2） i 1 R' R1 RF - + vO vI i F F 图 5.6.2 v R R R F + = 1 1 P N I ∴v = v ≈ v 第五章- 5.6 运放应用分类及三种输入方式 12 清华大学电子工程系李冬梅 R1 RF - + vO 图 5.6.4 R2 R3 vI1 vI2 电压跟随器 R' RF - + vO vI i F - + vO vI 1 1 R R A F vf = + 3. 差分输入 法1： 1 2 3 3 P I v R R R v + = = ≠ 0 P N v v 1 2 3 3 N I v R R R v + = F i = i 1 F I N O N R v v R v v − = − − 1 2 1 2 3 3 1 2 1 1 I F I F O v R R R R R v R R v + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − + + ( ) 1 2 1 I I F O v v R R v = − R1=R2 RF=R3 第五章- 5.6 运放应用分类及三种输入方式
第五章56运放应用分类及三种输入方式 3差分输入(续) 法2:叠加法 UR, R 1+ R, R +1+ RpR3 R R丿R2+R 第五章 5.8集成运放的模拟运算电路 81加法运算 反相加法器 REVIL ,R2可单独调节 2.同相加法器 P+当2P=P Rb R 14
7 13 清华大学电子工程系李冬梅 法2：叠加法 R1 RF - + vO 图 5.6.4 R2 R3 vI1 vI2 P F I F O v R R v R R v ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − + + 1 2 1 1 1 2 3 3 1 2 1 1 I F I F v R R R R R v R R + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − + + 3. 差分输入（续） 第五章- 5.6 运放应用分类及三种输入方式 14 清华大学电子工程系李冬梅 R1 RF - + vO 图 5.8.1 R2 R' vI1 vI2 i F i I i 2 N ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + = b I a I P b I a I a b P R v R v R R v R v R R R v 1 2 1 2 1 1 1 1 5.8 集成运放的模拟运算电路 R1, R2 可单独调节 ( ) 2 2 1 1 I F I F O v R R v R R v = − + 2．同相加法器 P F O v R R v (1 ) 1 = + R v R v v R v v P b I P a I P = − + 1 − 2 R1 RF - + vO 图 5.8.3 Rb R vI1 vI2 Ra P N vI1 vI2 第五章 5.8.1 加法运算 1．反相加法器
第五章-58集成运放的模拟运算电路 R vo=(1+)R R R Rp=Ra∥Rb∥R 调节R,R时相互影响 582减法运算 口… 差分放大 第五章58集成运放的模找运算电路 583积分电路 R dv dy R dt dt R "=RC()M+n) 图K4 V(s) A,(s) V(S) SRC V jaRC 限幅,对T有限制! 应用 1.正弦波的相移 2.方波→三角波
8 15 清华大学电子工程系李冬梅 R1 RF - + vO 图 5.8.3 Rb R vI1 vI2 Ra P N 调节Ra, Rb 时相互影响 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + b I a I P R v R v R 1 2 (1 ) R1 R v F O = + RP = Ra // Rb // R 5.8.2 减法运算 1．差分放大 2．Y = X1-X2 = -(( -X1) + X2) R1 RF - + vO 图 5.8.1 R2 R' vI1 vI2 i F i I i 2 N i I N Rif ' Rif P R' R1 RF - + vO v X I 1 X2 Y 第五章- 5.8 集成运放的模拟运算电路 16 清华大学电子工程系李冬梅 5.8.3 积分电路 i R R' R - + vO i C 图 5.8.4 N vI C 限幅，对T有限制！ dt dv C dt dv C R vI C O = = − ( ) ( ) ∫ ∴ = − + t t O I O v t dt v t RC v 0 0 1 T vO t vI t 0 Vt 应用: 1. 正弦波的相移 2. 方波 → 三角波 第五章- 5.8 集成运放的模拟运算电路 V s sRC V s A s i o v 1 ( ) ( ) ( ) = = − V j RC V A i o v ω 1 = = − & & &
第五章-58集成运放的模拟运算电路 58.4微分运算 积分的逆运算 问题 1.抗干扰能力差; 2.RC环节对反馈信号有滞 后作用可能引起自激; 3.V突变时,输入电流很大 时,输出可能超出最大输 出电压电路失常. R ri 解决办法 1.限流 2.相位补偿
9 17 清华大学电子工程系李冬梅 5.8.4 微分运算 积分的逆运算 i F R' R - + vO i C 图 5.8.10（a) vI C dt dv RC v Ri Ri I O f C = − = − = − 解决办法: 1. 限流 第五章- 5.8 集成运放的模拟运算电路 问题: 1. 抗干扰能力差; 2. RC环节对反馈信号有滞 后作用,可能引起自激; 3. VI突变时,输入电流很大 时, 输出可能超出最大输 出电压,电路失常. 2. 相位补偿