第16章集成運算放

1、 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。模擬集成電路。集成電路分類集成電路分類模擬集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路集成運算放大器、集成集成運算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成A/DD/A等。等。 在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容量在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容量大于大于200pF的電容也比較困難，因而放大器各級之間都的電容也比較困難，因而放大器各級之間都采采（1）級間采用直接

2、耦合方式）級間采用直接耦合方式用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采用外接用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采用外接的方法。的方法。（2）電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有對稱性）電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有對稱性 集成電路中的電阻是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，集成電路中的電阻是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值大約為阻值大約為100 30K，且阻值精度不高，因此常常，且阻值精度不高，因此常常用晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；用晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；必須使用直必須使用直流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。 由于集成電路中的各個元件是通過同一工藝過程由于集成電路中的各個元

3、件是通過同一工藝過程制作在同一硅片上，同一片內(nèi)的元件參數(shù)絕對值有同制作在同一硅片上，同一片內(nèi)的元件參數(shù)絕對值有同向的偏差，溫度均一性好向的偏差，溫度均一性好（3）用有源器件代替無源器件）用有源器件代替無源器件中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路輸入級：輸入級：要求輸入電阻高，差模放大倍數(shù)高，抑制要求輸入電阻高，差模放大倍數(shù)高，抑制零點漂移和共模干擾信號的能力強。都采用差分放零點漂移和共模干擾信號的能力強。都采用差分放大電路。大電路。中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。偏置電路：偏置電

4、路：為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路構(gòu)成。構(gòu)成。+UCC+-+-一、鏡像電流源一、鏡像電流源RUVIBE1CCREFC2C1B2B1II,II由電路對稱由電路對稱I2I2IIIIC2REFBREFC1C221IIIC2REFC2當(dāng)滿足當(dāng)滿足2 2時，時，REFC2III IC2C2作為提供給某個放大器的作為提供給某個放大器的偏置電流。偏置電流。二、比例電流源二、比例電流源2E2BE21E1BE1RIURIUREF21C2IRRI缺點：缺點：I IC C受電源電壓波動的影響

5、。受電源電壓波動的影響。不適用提供微安級的電流。不適用提供微安級的電流。+UCC+UCC三、微電流源三、微電流源2E2BE2BE1RIUU2BEBE2BE1E2RUUUI2R中間級：中間級： 提供足夠的電壓放大倍數(shù)，本身還應(yīng)有高的提供足夠的電壓放大倍數(shù)，本身還應(yīng)有高的輸入電阻，以減小對前級的影響。輸入電阻，以減小對前級的影響。+UCC+UCC-UEE 輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。+UCCUEEuu+輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級同相同相輸入端輸

6、入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端16.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損

7、壞。運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB1. 理想運算放大器理想運算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0時，時，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的的信號順利通過，衰減很小，信

8、號順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號不易通過，的信號不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低通階有源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時信號衰減得時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo頻率頻率角角稱為截止稱為截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+

9、 R1+設(shè)輸入為正弦波信號，則有設(shè)輸入為正弦波信號，則有故：故： 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 的信號通過的信號通過 ，而小于，而小于 0 的信號被阻止，稱為的信號被阻止，稱為有源高通濾波器有源高通濾波器。 ,0時時當(dāng)當(dāng) ,時時當(dāng)當(dāng) 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時時當(dāng)當(dāng) 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O模擬開關(guān)模擬開關(guān)模擬輸入信號模擬輸入信號電路電路 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用

10、于模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之）之前。由于前。由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足存一段時間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。采樣存儲采樣存儲電容電容控制信號控制信號電壓跟隨器電壓跟隨器 uG為高電平，為高電平， S 閉合閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通場效應(yīng)管導(dǎo)通)， ui對存儲電容對存儲電容C充電，充電， uo= uC = ui 。 uG為為 0， S 斷開斷開(場效應(yīng)管截止場效應(yīng)管截止)，輸出，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變

11、。保持該階段開始瞬間的值不變。uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 SuC+ui+uo+ 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及

12、變換等場合 。 uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓動畫動畫uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 當(dāng)當(dāng) ui 單方向變化時，單方向變化時， uo 只變化一次。只變化一次。URuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo=

13、Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURURuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat)RF UUoF 2 2uRRRu 當(dāng)當(dāng) uo = + Uo(sat)， 則則 )(o(sat)F 2 2URRRUu 當(dāng)當(dāng) uo =

14、 Uo(sat)， 則則iuu )(o(sat)F 2 2 URRRUu 門限電壓受輸門限電壓受輸出電壓的控制出電壓的控制R2uoui+ R1+ uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U兩次跳變之間具有遲兩次跳變之間具有遲滯特性滯特性滯回比較器滯回比較器RFR2uoui+ R1+)(o(sat)F 2 2RF 2FRURRRURRRu 可見：可見：傳輸特性不再對稱于縱軸，傳輸特性不再對稱于縱軸， UU +URRFR2uoui+ R1+ U Uo(sat)F 2 2 2URRRUUU V2V6201010 U

15、 V 2V6201010 U V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020 UU o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU 動畫動畫 RCtCCCCeuuutu 0RU RU o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC A1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u- = 0 ，所以當(dāng)，所以當(dāng)

16、u+ = 0時時，A1狀態(tài)狀態(tài)改變改變0o2111o2121 uRRRuRRRu當(dāng)當(dāng) 時時，即即當(dāng)當(dāng) Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1動畫動畫TT1T2T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2RCRRTf2141 tRCUuio uo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改變比較器的輸出改變比較器的輸出 uo1、電阻、電阻R1 、R2 即可改即可改變?nèi)遣ǖ姆?。變?nèi)遣ǖ姆怠?(2) 改變積分常數(shù)改變積分常數(shù)RC 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。即可改變?nèi)遣ǖ念l率。動畫動畫Z12URRZ12URR O動畫動畫12i1i212o1o2RuuRRuu )(2o1o46ouuRRu )21 (12462i1ioiofRRRRuuuuuAu ui1+R2+uo2uo1