第9章 集成運算放大器基礎與集成電路設計導引
一、 集成運算放大器概述
集成運算放大器(簡稱集成運放)是一種高增益、直接耦合的多級模擬集成電路。其設計初衷是用于實現數學運算(如加、減、乘、除、積分、微分等),現已廣泛應用于信號處理、測量、控制等幾乎所有電子領域。其核心特點是:
- 高開環電壓增益:通常可達10^4 ~ 10^6倍(80dB ~ 120dB)。
- 高輸入阻抗:輸入端汲取的電流極小。
- 低輸出阻抗:帶負載能力強。
- 采用直接耦合:可放大直流信號和變化緩慢的信號。
二、 集成運放的內部結構與工作原理
典型集成運放內部是一個多級直接耦合放大器,通常包含:
- 輸入級:采用差分放大電路。這是運放的核心,主要作用是抑制零點漂移(溫漂),提供高輸入阻抗和高共模抑制比(CMRR)。
- 中間級(電壓放大級):主要任務是提供高電壓增益。通常采用帶有源負載(電流源)的共射(或共源)放大電路。
- 輸出級:通常采用互補對稱功率放大電路(如OCL電路)。主要作用是降低輸出阻抗,提高帶負載能力,并提供足夠的輸出功率。
- 偏置電路:為上述各級提供穩定、合適的靜態工作電流,通常由鏡像電流源、微電流源等構成。
三、 理想運算放大器模型
在分析和設計大多數應用電路時,常將運放理想化,其條件是:
- 開環電壓增益 Aod = ∞
- 輸入電阻 Rid = ∞
- 輸出電阻 Ro = 0
- 帶寬 fBW = ∞
- 共模抑制比 KCMR = ∞
- 無失調、無噪聲。
基于此模型,可推導出兩條極其重要的分析法則:
1. 虛短:由于Aod→∞,而輸出電壓為有限值,因此兩輸入端之間的電位差近似為零,即 u+ ≈ u-。
2. 虛斷:由于Rid→∞,因此流入兩個輸入端的電流近似為零,即 i+ = i- ≈ 0。
這兩條法則是分析由集成運放構成的線性應用電路(如各種運算電路、濾波器)的基本工具。
四、 基本線性運算電路
利用理想運放模型和負反饋網絡,可以構成多種運算電路:
- 反相比例運算電路:輸出電壓與輸入電壓相位相反,比例系數由反饋電阻與輸入電阻之比決定。輸入電阻較小。
- 同相比例運算電路:輸出電壓與輸入電壓相位相同,比例系數≥1。輸入電阻極高。
- 加法運算電路:基于反相比例電路擴展,實現多路輸入信號的加權求和。
- 減法運算電路(差分放大):可視為同相與反相輸入的疊加,能放大兩個輸入信號的差值。
- 積分與微分運算電路:將反饋或輸入網絡中的電阻換為電容,即可實現對輸入信號的積分或微分運算。
五、 集成電路設計基礎概念
本章也初步引入了模擬集成電路設計的一些核心思想:
- 直接耦合:集成電路中難以制作大容量電容和電感,因此級間采用直接耦合,這也帶來了零點漂移問題,通過差分輸入級來解決。
- 采用有源器件代替無源元件:在硅片上制作晶體管(尤其是MOSFET)比制作高精度大阻值電阻或電容更容易、面積更小。因此廣泛使用晶體管構成的有源負載(電流源)來替代大電阻,既提供高阻值,又不占用過大面積。
- 對稱設計:差分對管等對稱結構利用集成電路工藝上相鄰元件特性一致的特點,能有效提高電路性能(如CMRR,溫漂抑制)。
- 偏置技術:使用電流鏡電路為各級提供穩定、與電源電壓和溫度關系不大的偏置電流,是模擬IC設計的基石。
六、 重要參數與性能指標
理解運放性能需關注以下參數:
- 輸入失調電壓/電流:實際運放輸入為零時,為使輸出為零需要在輸入端施加的補償電壓/電流。
- 共模抑制比(CMRR):衡量對共模干擾信號的抑制能力。
- 轉換速率(SR):輸出電壓的最大變化率,決定運放處理高速信號的能力。
- 單位增益帶寬(GBW):開環增益降至1(0dB)時的頻率,表征小信號頻率響應。
本章小結:集成運算放大器是模擬集成電路的杰出代表。其內部精巧的多級結構和偏置設計體現了模擬IC設計的核心思想:用晶體管實現所有功能,利用匹配性和直接耦合。掌握其理想模型、分析方法和基本線性應用電路,是后續學習模擬電子系統分析與設計的重要基礎。實際應用中,需根據性能指標(速度、精度、功耗等)選擇合適的運放型號。