1-2运算放大器的内部操作

图1-2显示了运算放大器的简化等效电路。如您所见，运算放大器由多个MOSFET组成。为使CMOS运算放大器正常工作，这些MOSFET必须在饱和区工作。图1-3显示了MOSFET的饱和区。
MOSFET在该区域内的工作方式如下：

  1. 随着栅极-源极电压的升高，漏极电流增大。
  2. 随着漏极-源极电压的升高，漏极电流略微增大。
    漏极电流的细微变化会引起漏极-源极电压的显著变化。
图1-2：运算放大器的简化等效电路
图1-2：运算放大器的简化等效电路
图1-3：N沟道MOSFET的I<sub>D</sub>-V<sub>DS</sub>曲线
图1-3：N沟道MOSFET的ID-VDS曲线

运算放大器各部分的功能如下：

  • 差分输入对：放大VIN (+)输入端与VIN (-)输入端之间的电压差
  • 电流镜：为构成差分输入对的Qp1和Qp2提供等量电流。电流镜用作差分输入对的负载电阻。电流镜的输出端（即差分输入对的漏极端子）通常具有高阻抗，很难用典型电阻器获得这么高的阻抗。因此，第一级差分放大器具有高增益。这种由晶体管构成的电阻负载称为有源负载。
  • 电流源：确定流向差分输入对和共源放大器的电流量。电流源用作共源放大器的有源负载。
  • 共源放大器：为连接至输出端的外部负载提供驱动电流，并补偿第一段差分放大器的增益。

在介绍运算放大器的操作之前，我们先讨论电流镜中Qn1的漏极电压。Qn1的漏源电压（VDS_n1）与漏极-栅极电压（VDG_n1）相等。图1-4显示了满足VDS = VDG的条件。由于生成的曲线看似二极管的IF-VF曲线，故Qn1的连接称为二极管连接。在图1-4中，漏极电流较大，因为它是具有大沟道面积的分立N沟道MOSFET的ID-VDS曲线。IC的内部MOSFET的漏极电流比该电流低两至三个数量级。
如图1-4所示，当漏极电流超过某点（当VDS为1.5V或更高时）后，漏极电流的细微变化几乎不会影响漏源电压。

图1-4：Q<sub>n1</sub>的I<sub>D</sub>-V<sub>DS</sub>曲线（二极管连接）
图1-4：Qn1的ID-VDS曲线（二极管连接）
图1-5：MOSFET二极管连接
图1-5：MOSFET二极管连接
图1-6：无恒流源的电路
图1-6：无恒流源的电路

接下来，我们来看下电流源的工作原理。首先，我们来考察一个无电流源的电路，如图1-6所示。后续共源放大器与先前的运算放大器相同。
对差分输入端VIN(+)和VIN(-)施加相等的电压（VDD – VIN）。故VSG = VIN。此时，当漏极电流（ID_p1）导通时，Qp1的漏极电压稳定在VSD_p1＋VDS_n1＝VDD的电压处。由于ID_p1被电流镜复制，由Qp2和Qn1组成的电路与其具有相同的电压关系。
假设施加于VIN(+)和VIN(-)的电压升高了ΔV，增至（VDD – VIN + ΔV）。由于图1-6的电路有一个电流镜，故等量电流流向差分输入对。但如果没有电流源，流向差分输入对的电流会等量减少。因此，连接至共源极放大器的Qn2的漏源电压也相应降低。
相当于降低了共源放大器Qn3的栅极-源极电压（VGS_n3）。共源放大器有一个电流源（Qp4），该电流源使漏源电压（VDS_n3）升高以抵抗VGS_n3的下降，从而保持电流恒定。换言之，即使VIN(+)和VIN(-)输入端具有相同电压和相位，输出电压（VOUT）也会升高。当数据表中所示范围内的共模输入（相同输入电压）施加于VIN(+)和VIN(-)时，运算放大器必须具有恒定输出。图1-6所示的电路无法满足此要求。

接下来，我们来看下带有恒流源（Qp3）的电路（图1-2所示的电路）。例如，假设施加于VIN(-)和VIN(-)的输入电压升高了ΔV，增至（VDD – VIN + ΔV）。由于此电路有一个电流源，故流入差分输入对的电流保持不变。因此，Qn1的漏源电压（VDS_n3）保持不变。同理，VDS_n2保持不变。因此，对于共模输入电压，输出电压均保持恒定。
（Qp3的VSD_p3补偿ΔV。由于电流源的源漏电压发生变化，故流向差分输入对的电流也会相应变化。由于电流源的漏源电压发生变化，故漏极电流（ID）也相应变化。但ID仅随VDS略微变化。故ID无显著变化。）
因此，当共模输入电压施加于VIN(+)和VIN(-)时，电流源的作用就是保持输出电压恒定。

图1-7：运算放大器的内部运行
图1-7：运算放大器的内部运行

接下来，我们来看下对VIN(+)和VIN(-)施加不同电压的情况。

  1. 假设VIN(+)和VIN(-)最初具有相同电压（VDD – VIN），然后VIN(-)电压升高了ΔV。
  2. VSG_p1降低，导致ID_p1减小了ΔIp1。然而，如上所述，Qn1具有二极管连接。因此，VDS_n1保持不变。故Qp1的漏极电压保持不变。
  3. 电流镜将减少的ID_p1复制到Qn2的漏极电流（ID_n2）。
  4. 这自相矛盾，因为电流源中Qn3的漏极电流（ID_p3）保持不变。因此，Qn2的漏极电压（VDS_n2）升高，以增大流经Qn2的电流。
  5. 您可能认为VDS_n2的升高会导致VSD_p2降低，从而导致ID_p2减小。但请注意，来自电流源（ID_p3）的电流保持不变。由于ID_p1减小了ΔIp1，故ID_p2应增大而非减小。因此，Qp2的源极电压升高。
  6. Qp1的源极-栅极电压（VSG_p1）升高，导致其漏极电流（ID_p1）增大。
  7. ID_p1被复制到Qn2（ID_n2）的漏极电流。随后，运行返回至步骤3。

最终，Qn2的漏极电压（VD_n2）从初始电压开始升高。
增加的VD_n2被转移至后续的共源放大器。
共源放大器的VGS_n3升高，导致ID_n3增大。但ID_n3的增大受到电流源的Qp4的限制。由于VGS_n3的升高不会导致ID_n3增大，故Qn3的漏源电压（VDS_n3）降低。
这意味着当VIN(-)电压升高时，VOUT电压会降低。

相关信息

■FAQ

第Ⅰ章：什么是运算放大器（op-amp）？

1、什么是运算放大器（op-amp）
详细信息
1-1运算放大器的特性（什么是理想的运算放大器？）
详细信息

相关信息

返回运算放大器基础知识页面

在新窗口打开