集成電路運(yùn)算放大器及應(yīng)用

1、第五章第五章 集成電路運(yùn)集成電路運(yùn)算放大器及應(yīng)用算放大器及應(yīng)用基本要求：基本要求：n理解差動(dòng)放大電路的工作原理；理解差動(dòng)放大電路的工作原理；n掌握運(yùn)算放大器的分析方法。掌握運(yùn)算放大器的分析方法?；緝?nèi)容：基本內(nèi)容：n差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路n復(fù)合管電路復(fù)合管電路 n集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器n集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)用5. 1 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路n集成電路集成電路運(yùn)算放大器是一種具有運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍高放大倍數(shù)數(shù)的的多級(jí)直接耦合多級(jí)直接耦合放大電路。放大電路。n當(dāng)多級(jí)直接耦合放大電路的輸入端短路當(dāng)多級(jí)直接耦合放大電路的輸入端短路( ui0 )，輸出端電壓

2、它并不保持恒值，輸出端電壓它并不保持恒值，而在緩慢地、無(wú)規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象而在緩慢地、無(wú)規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為就稱(chēng)為零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移。n產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。的影響。 抑制零點(diǎn)漂移有效的措施之一是抑制零點(diǎn)漂移有效的措施之一是采用采用差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路。n本節(jié)主要內(nèi)容：n5.1.1 基本差分電路n5.1.2 長(zhǎng)尾式差分電路n5.1.3 長(zhǎng)尾式差分電路的工作原理分析n5.1.4 差分放大電路四種接法的分析與比較特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。差動(dòng)放大電路的工作情況差動(dòng)放大電路的工作情況vi1vi2voRCR1T1RBRCR1

3、T2RB+VCC5.1.1 基本差分電路1、基本差分電路的組成n基本差分電路如圖5-1-1和圖5-1-2。n其工作原理是利用對(duì)稱(chēng)性來(lái)解決和克服零漂問(wèn)題。n電路左右兩邊對(duì)稱(chēng)，指電路結(jié)構(gòu)及元件的特性與參數(shù)完全相同，使T1、T2在同一個(gè)直流電源供電情況下具有相同的靜態(tài)工作點(diǎn)。 輸入信號(hào)： 輸出信號(hào)：電壓放大倍數(shù)： 當(dāng)輸出信號(hào)當(dāng)輸出信號(hào)從其中任一個(gè)集電極輸出時(shí)，稱(chēng)為從其中任一個(gè)集電極輸出時(shí)，稱(chēng)為單端輸出單端輸出。當(dāng)輸出信號(hào)當(dāng)輸出信號(hào)從兩個(gè)集電極之間輸出時(shí)，稱(chēng)為從兩個(gè)集電極之間輸出時(shí)，稱(chēng)為雙端輸出雙端輸出或或浮動(dòng)輸出浮動(dòng)輸出。21iiivvv02010vvv2102010iiivvvvvvvAn若差分電

4、路兩個(gè)輸入 端的電壓分別為vi1和vi2。n 當(dāng)輸入信號(hào)vi1和vi2大小相等、極性相反時(shí)，定義為差分輸入信號(hào)或差模輸入信號(hào)vd 。 vi1 = - vi2 ，n此時(shí)，放大電路的輸入電壓為：n或：n 式中，vd稱(chēng)為差分輸入電壓或差動(dòng)輸入電壓。n 當(dāng)輸入信號(hào)vi1和vi2大小相等、極性相同時(shí)，定義為共模輸入信號(hào)vc 。則：n或： 212122iiiidivvvvvv22211iidivvvv22212iidivvvv21iicvvv2211iicivvvv2212iicivvvv2、基本差分電路的工作原理 當(dāng)輸入信號(hào)中既有差模信 號(hào)，又有共模信號(hào)時(shí)，則 基本差分電路輸入端的信號(hào)可分解為二種信號(hào)的

5、疊加，即n n n根據(jù)兩式可得出如下結(jié)論：n在差分放大電路輸入端施加的任意形式的信號(hào)都可以分解為差模信號(hào)與共模信號(hào)的疊加，輸出端的響應(yīng)都可視為差模信號(hào)與共模信號(hào)共同作用的結(jié)果。22221211iiiidcivvvvvvv22221212iiiidcivvvvvvv例 已知基本差分放大電路如圖5-1-1所示vi1=5V，vi2 =3V，求此時(shí)作用于放大電路輸入端的差模電壓為多少？共模電壓為多少？n解：根據(jù)差模信號(hào)的定義，總的差模輸入信號(hào)為：n由電路的對(duì)稱(chēng)性可知，每個(gè)輸入端的輸入電壓為：n根據(jù)共模信號(hào)的定義有：于是，兩個(gè)實(shí)際的輸入信號(hào)電壓可等效為圖 (a)或圖 (b)的形式。VVVvvviid23

6、521VvvVvvdidi121221Vvvviic4235221 由圖可見(jiàn)，對(duì)于差 模輸入信號(hào)，由于vi1= -vi2 則 根據(jù)共射放大電路輸出與輸入反相的特點(diǎn)： 得，差模輸入信號(hào)作用下的電壓放大倍數(shù)為：Ad稱(chēng)為差模電壓放大倍數(shù)。n對(duì)于共模輸入信號(hào)： 由于電路對(duì)稱(chēng)，則 AC稱(chēng)為共模電壓放大倍數(shù)。1212iiidivvvvv01020102vvvvbeLCiidrRRvvvvA)2/(22101021iicivvvv00201vvvo000iiCvvvA3、放大倍數(shù)的計(jì)算：3、放大倍數(shù)的計(jì)算：n基本差分放大電路只對(duì)差模輸入信號(hào)進(jìn)行放大，而不對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行放大。在雙端輸出的情況下，放大電路的差模

7、電壓放大倍數(shù)等于一個(gè)單級(jí)共射放大電路的電壓放大倍數(shù)。n在理想對(duì)稱(chēng)的條件下，如果共模信號(hào)能夠模擬溫度的變化，則不難看出，無(wú)論溫度怎么變化，輸出端皆為零，從而達(dá)到了抑制輸出信號(hào)電壓的零點(diǎn)漂移。5.1.2 長(zhǎng)尾式差分電路n前面介紹的基本差分放大電路中，依靠電路對(duì)稱(chēng)，利用兩個(gè)放大電路的輸出之差，抑制了零點(diǎn)漂移電壓的輸出，但是并沒(méi)有消除單級(jí)放大電路本身的零漂。n為了進(jìn)一步減小或消除零漂，提高抑制零點(diǎn)漂移的效果，需要在基本差分放大電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，減小單級(jí)放大電路自身的零點(diǎn)漂移。n在基本差分放大電路的發(fā)射極 接入一個(gè)射極電阻RE，以便引 入電流負(fù)反饋，穩(wěn)定輸入電壓， 減小零漂。n發(fā)射極電阻RE猶如在基

8、本差分電路中多了一條尾巴，RE愈大，穩(wěn)定性愈好，相當(dāng)于尾巴愈長(zhǎng)，故稱(chēng)為長(zhǎng)尾式差分電路。n射極電阻RE愈大，對(duì)共模信號(hào)的反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，抑制零漂的效果愈好，但同時(shí)，RE上的直流壓降也愈大，三極管放大的動(dòng)態(tài)范圍愈小。n解決辦法是增加一個(gè)負(fù)電源VEE，用以增加三極管的動(dòng)態(tài)范圍。如圖5-1-3所示。1、長(zhǎng)尾式差分電路的組成2、長(zhǎng)尾式差分電路的幾種接法（1）雙端輸入雙端輸出n輸入信號(hào)分別在三極管T1、 T2的基極輸入，從T1、T2的 集電極之間輸出。這種接法 稱(chēng)為雙端輸入雙端輸出電路。 如圖5-1-3所示。4.5.2 長(zhǎng)尾式差分電路（2）雙端輸入單端輸出n輸入信號(hào)分別在三極管T1、 T2的基極輸入，但輸出

9、卻 只從T1或T2的集電極單獨(dú) 對(duì)地之間輸出，稱(chēng)為雙端輸入單端輸出。n如果從T1的集電極輸出，稱(chēng)為左側(cè)輸出，電壓放大倍數(shù)為單級(jí)共射放大電路的一半，且輸出與輸入反相，如圖5-1-4所示。n如果從T2的集電極輸出，稱(chēng)為右側(cè)輸出，電壓放大倍數(shù)也為單級(jí)共射放大電路的一半，但輸出與輸入同相。4.5.2 長(zhǎng)尾式差分電路T1T2T1T24.5.2 長(zhǎng)尾式差分電路（4）單端輸入單端輸出n輸入信號(hào)只從三極管T1或 T2的基極一端輸入，只從 三極管T1或T2的集電極一 端對(duì)地輸出。n在長(zhǎng)尾式差分電路的幾種接法中，值得注意的是：在單端輸入時(shí)（包括單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出），由于對(duì)稱(chēng)，輸入的差模信號(hào)在圖5-

10、1-5和圖5-1-6的虛線所示的輸入回路中，將被對(duì)半分配到兩側(cè)的輸入端，相當(dāng)于雙端輸入；可以說(shuō)單端輸入等同于雙端輸入。4.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 前面就長(zhǎng)尾式差分放大電路 的幾種接法進(jìn)行了介紹。下面以 圖4-5-4所示的長(zhǎng)尾式差分放大電 路為例，對(duì)雙端輸入雙端輸出電 路的工作原理進(jìn)行分析。1、靜態(tài)分析n靜態(tài)時(shí)，輸入信號(hào)vi1和vi2均為零，等效處理方法是將兩個(gè)輸入端分別對(duì)地短路。由于電路左右對(duì)稱(chēng)，T1和T2特性相同，則有IC1=IC2、VC1=VC2n得到：V0=VC1-VC2=I0RL=0 (1) I0=0 (2)n式(2)表明，在靜態(tài)時(shí)，RL電阻中沒(méi)有電流流過(guò),相當(dāng)于開(kāi)路，

11、也就是說(shuō)，RL可以拿掉。RL拿掉后的直流通路如圖5-1-7所示。5.1.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析n對(duì)于輸入回路： n由于在設(shè)計(jì)時(shí)，RE通常選得比較大，使得IBQ非常小，一般可以忽略，則 (約為-0.7V) n根據(jù)電路的對(duì)稱(chēng)性可知，每個(gè)管子的集電極電流為IEQ的一半，即 n說(shuō)明T1的工作點(diǎn)電壓VCEQ近似為它的集電極對(duì)地電位。0EEEEQBEQBBQVRIVRIEBBEQEEBQRRVVI12BEQBEQBBQEEEEQEQVVRIVRIV0EBEQEEEQRVVI221EQQCQCIII11121CCQCCCEQCQCCCQCEQCEVRIVVRIVVV 當(dāng)差分放大電路兩輸入端加上任

12、意 信號(hào)vi1、vi2時(shí)，都可以等效為差模 和共模信號(hào)的疊號(hào)，根據(jù)疊加原理， 可以分別進(jìn)行分析。（1）差模信號(hào)vidn由于電路的對(duì)稱(chēng)性使vi均分給兩個(gè)輸入端，即n 即在輸出端RL兩端有信號(hào)輸出。221iiivvvcCQccCQciIiiIi21CcCQcCcCQcRiVvRiVv210210CCvvv2、動(dòng)態(tài)分析4.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析n此時(shí)，在RE上的電流約為，n即RE上的差模交流電流為零。n則RE上的差模交流電壓也為0。 使VE點(diǎn)對(duì)交流信號(hào)而言相當(dāng)于接地，n得：差模交流通路 如圖5-1-9所示。CQccIii2214.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 差模電壓增益n

13、由于電路對(duì)稱(chēng)，RL接在兩管集 電極之間，兩端電壓變化量相 等，極性相反，所以，負(fù)載電 阻RL的中點(diǎn)電位不變，相當(dāng)于交流接地。因此，可以將RL分為相等的兩部分，對(duì)T1、T2各取RL/2。n在雙入雙出時(shí)，兩管基極之間的輸入是單邊的兩倍，兩管集電極之間的輸出也是單邊的兩倍。所以，此時(shí)差放的差模電壓放大倍數(shù)與單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同。即： 其中beBbRCbvvrRiRiAAL21beBLrRR2/LRCLRR4.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 差模輸入電阻：n為差模輸入信號(hào)電壓與差模 輸入信號(hào)電流之比，即從兩 個(gè)輸入端看進(jìn)去的總差模輸入電阻。 差模輸出電阻：n雙端輸出時(shí)，兩輸出端之間呈

14、現(xiàn)的差模輸出電阻為n beBidrRR 2CodRR24.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析（2）共模分析 n雙入雙出電路加共模信號(hào) 如圖5-1-11所示。 加共模信號(hào)時(shí)：vic1=vic2=vic 由于電路兩邊對(duì)稱(chēng)，RE上的電流變化是每個(gè)三極管電流變化的兩倍。n從電壓等效的觀點(diǎn)來(lái)看，對(duì)共模信號(hào)而言，每個(gè)晶體管發(fā)射極相當(dāng)于各接2RE電阻。 如圖5-1-12所示。n畫(huà)出共模信號(hào)作用下的交流通路如圖5-1-13所示。 共模電壓增益n由于電路對(duì)稱(chēng)，ic1=ic2=ic,n則vc1=vc2n voc=vc1-vc2=0n n結(jié)論：雙入雙出差分放大電路對(duì)共模信號(hào)不會(huì)放大。n如果干擾信號(hào)屬于共模信號(hào)，

15、則可以用這種放大電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。000iciccvcvvvA 共模抑制比n差分放大電路對(duì)差模信號(hào)有較高的放大能力，對(duì)共模信號(hào)有抑制作用，這種抑制作用用“共模抑制比”來(lái)評(píng)價(jià)，定義為：n雙端輸出時(shí)，Avc=0，KCMR=n通常CMR用dB數(shù)來(lái)表示，即 vcvdCMRAAKvcvdAAdBCMRlg204.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 共模輸入電阻n由圖5-1-14可見(jiàn)，從輸入端看進(jìn)去的共模輸入電阻為 共模輸出電阻 EbeBicRrRR2121CocRR25.1.4 差分放大電路四種 接法的分析與比較 n差分電路四種接法： 雙入雙出 雙入單出 單入雙出 單入單出n前面已經(jīng)對(duì)“雙入雙

16、出”進(jìn)行了分析，下面對(duì)另外三種接法進(jìn)行分析和比較。1、雙入單出電路n與雙入雙出的圖相比較， 只是輸出負(fù)載RL接在T1的C 與地之間。 輸入差模信號(hào)時(shí)，由于T1、T2 對(duì)稱(chēng)，IEQ不變，對(duì)差模輸入信號(hào) 而言E點(diǎn)電位沒(méi)有變化，相當(dāng)于交流接地，只是輸出電壓從半邊輸出。因此，放大倍數(shù)將為雙端輸出電路的一半，即n其中n以上單端輸出又稱(chēng)為左側(cè)輸出。beBLidvdrRRvvA210LCLRRR 1、雙入單出電路n如果從T2管的C極輸出，則稱(chēng)為右側(cè)輸出。 n電路的差模輸入電阻為 （由于電路的輸入回路沒(méi)有變）n n電路的輸出電阻 beBLvdrRRA21beBidrRR 2CodRR1、雙入單出電路n現(xiàn)在來(lái)討

17、論這種電路的溫漂情況，n由于溫度漂移相當(dāng)于輸入共模信 號(hào)的情況，可以用共模放大倍數(shù) 來(lái)表示。n輸入共模信號(hào)時(shí)，由于T1、T2對(duì)稱(chēng)， RE上流過(guò)的電流為2IE1，對(duì)于每個(gè)管子來(lái)說(shuō)，可等效為IE1流過(guò)阻值為2RE的電阻，如圖5-1-16所示。由圖可得： n由于式中的(1+)2RE一般很大，所以單端輸出的溫漂也不是很大（Avc不是很大）。 EbeBLvcRrRRA2 1此電路的共模抑制比為： EbeBLbeBLRrRRrRRvcvdCMRAAK212beBErRR1beBEbeBEbeBrRRrRRrR121221 由上式可見(jiàn)，增大RE對(duì)減小共模 放大倍數(shù)和提高共模抑制比都有 好處，所以RE越大，對(duì)

18、抑制溫漂 越有利。1、雙入單出電路例5-1，雙入單出差分電路中， 已知VCC=10V、-VEE=-10V，RC=10k， =100，RB=5k，RE=5k，rbe=1k， RL=10k。 求：Avd，Avc，KCMR。解：n 倍7 .411510101002121beBLvdrRRA倍5 . 01010015510021EbeBLvcRrRRA4 .835 . 07 .41vcvdCMRAAKdBAAdBCMRvcvd4 .38lg202、單入雙出電路n如圖5-1-17所示。 可以把信號(hào)等效為一個(gè)共模 信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)。n變換后的電路如圖5-1-18所示。 變換為雙端輸入雙端輸出。22222

19、222212121iidciiidciiiidiiicvvvvvvvvvvvvvvvvvv2、單入雙出電路n由于輸入信號(hào)中有差模和共模兩部分 信號(hào)，所以輸出信號(hào)也由兩部分組成：n n前面已計(jì)算過(guò)雙入雙出的Avc、Avdn其中： Avc=0 ， ，n電路的差模輸入電阻為： n電路的差模輸出電阻為：n由于差分放大電路只放大差模信號(hào)，不放大共模信號(hào)，所以在分析放大電路單端輸入時(shí)，可以將單端輸入等同于雙端輸入看待。cidicicdidoAvAvAvAvv2beBLvdrRRA2/LCLRRRbeBidrRR 2CodRR23、單入單出電路n如圖5-1-19所示。n由于單端輸入可等效為 雙端輸入看待。

20、因此，“單入單出”的分析計(jì)算過(guò)程與“雙入單出”時(shí)是一樣的。4、差分電路幾種接法的性能比較對(duì)于差模信號(hào)：n（1）差模輸入電阻Rid與輸入方式無(wú)關(guān)，它們都是：Rid=2(RB+rbe)n（2）差模輸出電阻Rod只與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無(wú)關(guān)。 單端輸出時(shí)：Rod =RC 雙端輸出時(shí)：Rod =2RC n（3）差模增益（放大倍數(shù)）只與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無(wú)關(guān)。n 雙端輸出時(shí)： 其中 n 單端輸出時(shí)： 其中n （輸入與輸出在同一側(cè)時(shí)為負(fù)，對(duì)方一側(cè)時(shí)為正）BbeLvdRrRA2LCLRRR BbeLvdRrRA21LCLRRR 4、差分電路幾種接法的性能比較對(duì)于共模信號(hào)：n（1）共模輸入電阻R

21、ic與輸入方式無(wú)關(guān)，它們都是 n（2）共模輸出電阻Roc只與輸出方式有關(guān)。n 單端輸出時(shí)：Roc =RC n 雙端輸出時(shí)：Roc =2RC EbeBicRrRR12214、差分電路幾種接法的性能比較對(duì)于共模信號(hào)： n（3）共模增益（放大倍數(shù)）只與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無(wú)關(guān)。n雙端輸出時(shí)：Avc=0 n單端輸出時(shí)： 其中n（4）共模抑制比只與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無(wú)關(guān)。n雙端輸出時(shí)：KCMR= n單端輸出時(shí)： n掌握了以上這些特點(diǎn)和規(guī)律，也就掌握了長(zhǎng)尾式差分放大電路。EbeBLvcRrRRA12LCLRRR beBEbeBEbeBvcvdCMRrRRrRRrRAAK1212VDA4. 幾

22、種方式指標(biāo)比較幾種方式指標(biāo)比較VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/(rRR 0oLc2/rRR 0oLc2/rRR beorr beorr 輸出方式輸出方式雙出雙出單出單出雙出雙出單出單出 idRicRoR4. 幾種方式指標(biāo)比較幾種方式指標(biāo)比較輸出方式輸出方式雙出雙出單出單出雙出雙出單出單出be2rbe2r2)1(21oberr 2)1(21oberr c2RcRc2RcR重要結(jié)論重要結(jié)論在各種組態(tài)差分放大器分析比較和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，可以知道：要盡可能的提高差分放大器的共模抑制比，兩個(gè)關(guān)鍵因素是：電路對(duì)稱(chēng)性；共射極電阻。VCVD

23、CMRAAK雙端輸出，理想情況雙端輸出，理想情況 KCMR。CMRK可使單端輸出的當(dāng)Re 時(shí)， 但是rbe(1+)VT IEIEVEE2Re rbe 2Re(1+)VT VEE 如果IE 恒定， 而Re；則可能使KCMR。注意，此處Re 只要是在交流時(shí)即可。beBErRR121 恒流源差動(dòng)放大電路恒流源差動(dòng)放大電路理想電流源具有：電流恒定；交流等效電阻無(wú)窮大的特點(diǎn)。帶恒流源的差分放大器恒流源的作用：1.提供放大電路的偏置電流； 2.替代交流大電阻；（提高共模抑制比）n長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路，長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路，因有因有Re提高了共模信號(hào)提高了共模信號(hào)的抑制能力，且的抑制能力，且Re愈大，愈大，抑制

24、能力愈強(qiáng)。抑制能力愈強(qiáng)。n若若Re增大，則增大，則Ue增大，增大，對(duì)靜態(tài)有影響。對(duì)靜態(tài)有影響。n為此由為此由T3構(gòu)成的恒流源，構(gòu)成的恒流源，輸出電阻輸出電阻r ro3o3取代取代Re，由由微變等效電路計(jì)算。微變等效電路計(jì)算。 oooiur 3321331ceberRRRrR / 5.2 復(fù)合管電路復(fù)合管電路n為獲得高放大倍數(shù)，可以利用多個(gè)晶體管組成復(fù)為獲得高放大倍數(shù)，可以利用多個(gè)晶體管組成復(fù)合管，以得到較大的電流放大系數(shù)。合管，以得到較大的電流放大系數(shù)。 1.1.復(fù)合管的組成形式復(fù)合管的組成形式 n一般復(fù)合管由兩個(gè)晶體管組成，兩個(gè)晶體管的類(lèi)一般復(fù)合管由兩個(gè)晶體管組成，兩個(gè)晶體管的類(lèi)型可以相同，

25、也可不同。型可以相同，也可不同。n組成后的復(fù)合管應(yīng)滿足復(fù)合起來(lái)的管子都處于導(dǎo)組成后的復(fù)合管應(yīng)滿足復(fù)合起來(lái)的管子都處于導(dǎo)通狀態(tài)的條件，即滿足發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)通狀態(tài)的條件，即滿足發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置。反向偏置。n復(fù)合管的類(lèi)型與第一個(gè)晶體管的類(lèi)型相同。復(fù)合管的類(lèi)型與第一個(gè)晶體管的類(lèi)型相同。 2.2.復(fù)合管的主要參數(shù)復(fù)合管的主要參數(shù) n復(fù)合管的主要參數(shù)是等效電流放大系效復(fù)合管的主要參數(shù)是等效電流放大系效和等效和等效輸入電阻輸入電阻rbe。n由上圖四種接法的復(fù)合管各極電流關(guān)系可以推由上圖四種接法的復(fù)合管各極電流關(guān)系可以推出：復(fù)合管的等效電流放大系數(shù)是兩管電流放出：復(fù)合管的等效電流放大系數(shù)

26、是兩管電流放大系數(shù)的乘積，即大系數(shù)的乘積，即12。n（a a）(b)(b)兩種接法的復(fù)合管中，兩種接法的復(fù)合管中，T T1 1管是共集電極管是共集電極組態(tài)，組態(tài)，而而r rbe2be2是是T T1 1管的射極電阻，所以復(fù)合管等管的射極電阻，所以復(fù)合管等效輸入電阻為效輸入電阻為r rbebe= r= rbe1be1 + +（1+1+）r rbe2be2，。，。 n （c）(d)兩種接法的復(fù)合管中兩種接法的復(fù)合管中, rbe= rbe1。 5.3 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器一一. 集成運(yùn)算放大器組成集成運(yùn)算放大器組成 輸輸入入級(jí)級(jí)輸輸出出級(jí)級(jí)偏置電路偏置電路中中間間級(jí)級(jí)UiUo集成電路集成電路運(yùn)

27、算放大器框圖運(yùn)算放大器框圖二二. 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod 是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無(wú)負(fù)反是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無(wú)負(fù)反饋情況下的直流差模電壓放大倍數(shù)。饋情況下的直流差模電壓放大倍數(shù)。2最大輸出電壓最大輸出電壓Uop-p 最大輸出電壓是指在額定的電壓下，集成運(yùn)放的最大不最大輸出電壓是指在額定的電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰一峰值。失真輸出電壓的峰一峰值。用集成運(yùn)放的傳輸特性曲線用集成運(yùn)放的傳輸特性曲線表示表示Uop-p的的 影響。影響。3最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uid

28、max 所指的是集成運(yùn)放的反相和所指的是集成運(yùn)放的反相和 同相輸入端所能承受的最大同相輸入端所能承受的最大 電壓值。電壓值。4最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Uic max 這是指運(yùn)放所能承受的最大這是指運(yùn)放所能承受的最大 共模輸入電壓。共模輸入電壓。UoUidUOM= Uop- p/ 2- -UOM0線性區(qū)線性區(qū)三三. 集成運(yùn)算放大器的低頻等效電路集成運(yùn)算放大器的低頻等效電路1.1.低頻等效電路低頻等效電路n集成運(yùn)放作為完整的獨(dú)立集成運(yùn)放作為完整的獨(dú)立器件，只畫(huà)出三個(gè)信號(hào)端，器件，只畫(huà)出三個(gè)信號(hào)端，即即2 2個(gè)輸入端，個(gè)輸入端，1 1個(gè)輸出端。個(gè)輸出端。n因?yàn)檩斎胍驗(yàn)檩斎雞i1與輸出與輸出u

29、o反相，反相，所以稱(chēng)所以稱(chēng)u-端為反相輸入端。端為反相輸入端。而輸入而輸入ui2 與電壓與電壓uo同相，同相，所以稱(chēng)所以稱(chēng) u+端為同相輸入端。端為同相輸入端。ui稱(chēng)為凈輸入電壓，稱(chēng)為凈輸入電壓，ii稱(chēng)稱(chēng)為凈輸入電流。為凈輸入電流。u+u- -u0ui+_- - + +A0dUid r0ii2. 集成運(yùn)算放大器的理想模型集成運(yùn)算放大器的理想模型理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是：理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大Au；輸入電阻為無(wú)窮大輸入電阻為無(wú)窮大ri；輸出電阻為零輸出電阻為零ro=0，共模抑制比無(wú)窮大共模抑制比無(wú)窮大KCMR；。；。3. 線性應(yīng)用的兩個(gè)重要概念線性

30、應(yīng)用的兩個(gè)重要概念由于由于uo有限，如果有限，如果Au，則，則ui=u+u-0；兩輸入端；兩輸入端的電位相等，好象短接了一樣，這一概念稱(chēng)之為的電位相等，好象短接了一樣，這一概念稱(chēng)之為“虛虛短短”。即。即u+u- 由于由于ui=0，而，而ri ，故凈輸入電流，故凈輸入電流ii 0 ，輸入端好，輸入端好象斷開(kāi)了一樣，但又不是真正的斷開(kāi)，這一概念稱(chēng)之象斷開(kāi)了一樣，但又不是真正的斷開(kāi)，這一概念稱(chēng)之為為“虛斷虛斷”。即。即ii0 5.4 集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)用 “虛短虛短” 和和“虛斷虛斷”的概念是分析集成運(yùn)算放大器的概念是分析集成運(yùn)算放大器線性應(yīng)用的理論根據(jù)線性應(yīng)用的理論根據(jù)

31、。一一. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路n對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算的電路稱(chēng)比例運(yùn)算電路。根據(jù)對(duì)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算的電路稱(chēng)比例運(yùn)算電路。根據(jù)輸入信號(hào)端鈕不同，比例運(yùn)算電路可分為反相比例運(yùn)算輸入信號(hào)端鈕不同，比例運(yùn)算電路可分為反相比例運(yùn)算電路和同相比例運(yùn)算電路。電路和同相比例運(yùn)算電路。1. 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路圖反相比例運(yùn)算電路圖ii= ii - if 0, ii = ifu+= u0， u-端稱(chēng)為端稱(chēng)為“虛虛地地”。1iiRui FofRuiiFouRRu11RRuuAFioufrif=ui /ii=R1 r0=0 反相比例運(yùn)算電路的反相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)：特點(diǎn)：存在存在“

32、虛地虛地”，共摸輸入分量近似為零。，共摸輸入分量近似為零。u0與與ui成比例關(guān)系成比例關(guān)系,相位相反相位相反,比值是比值是RF/R1與運(yùn)算放大與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)，其精度和穩(wěn)定性都很高。器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)，其精度和穩(wěn)定性都很高?？梢赃M(jìn)行可以進(jìn)行y=ax的運(yùn)算，運(yùn)算式中的系數(shù)的運(yùn)算，運(yùn)算式中的系數(shù)a0。當(dāng)。當(dāng)R1=Rf時(shí)，時(shí)，uo=ui，此電路稱(chēng)為反相器。，此電路稱(chēng)為反相器。 由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)非常大，需要引入負(fù)反由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)非常大，需要引入負(fù)反饋，且是深度負(fù)反饋。電路中引入的是并聯(lián)電壓負(fù)反饋，且是深度負(fù)反饋。電路中引入的是并聯(lián)電壓負(fù)反饋。饋。R2為平衡電阻，為保證集成

33、運(yùn)算放大器第一級(jí)差動(dòng)放為平衡電阻，為保證集成運(yùn)算放大器第一級(jí)差動(dòng)放大電路中結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，應(yīng)選擇大電路中結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，應(yīng)選擇R2=R1/Rf。 2. 2. 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路ii=0, 有有 ii=if u-= u+=ui ,有有FofRuuiFoRuuRu11RuiiuRRuFo)(1111RRuuAFioufi1F1Fou)RR1(u)RR1(u同相輸入運(yùn)算電路同相輸入運(yùn)算電路特點(diǎn)特點(diǎn)：u-=u+=ui，引入共摸輸入信號(hào)，要求引入共摸輸入信號(hào)，要求CMRR大。大。u0與與u+成比例關(guān)系成比例關(guān)系,相位相同相位相同,比值是比值是(1+RF/R1)1與運(yùn)與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)，

34、其精度和穩(wěn)定性都較高。算放大器本身的參數(shù)無(wú)關(guān)，其精度和穩(wěn)定性都較高。當(dāng)當(dāng)R1或或Rf=0時(shí)，時(shí)，Auf=1，此時(shí)稱(chēng)為跟隨器。，此時(shí)稱(chēng)為跟隨器。同相比例運(yùn)算電路可以進(jìn)行同相比例運(yùn)算電路可以進(jìn)行y=ax的運(yùn)算，且運(yùn)算式中的運(yùn)算，且運(yùn)算式中的系數(shù)的系數(shù)a1。電路中引入了電路中引入了深度串聯(lián)深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，電壓負(fù)反饋，故同相輸入運(yùn)算故同相輸入運(yùn)算電路的閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻為電路的閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻為 rif=ui/ii ， ro=0 R2為平衡電阻，為平衡電阻，R2=R1/Rf，作用與反相輸入運(yùn)算電路，作用與反相輸入運(yùn)算電路相同相同 二二. 加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路 1. 反相加法運(yùn)算電路反

35、相加法運(yùn)算電路 ii=0， u+= u- 0 i i1 + i i2 + i i3 = i fFoiiiRuRuRuRu133122111)(313212111iFiFiFouRRuRRuRRun特點(diǎn)：特點(diǎn)：只調(diào)整某一路的只調(diào)整某一路的Ri，就可改變?cè)撀返谋壤禂?shù)。，就可改變?cè)撀返谋壤禂?shù)。平衡電阻：平衡電阻：R2 = R11 / R12 / R13 / RF反相反相求和求和電路可以實(shí)現(xiàn)如下運(yùn)算：電路可以實(shí)現(xiàn)如下運(yùn)算： y = - -(a0 x0+ a1 x1.+an x2), an0 2. 同相加法運(yùn)算電路同相加法運(yùn)算電路利用同相比例公式有：利用同相比例公式有：）（得：得：2i21i3321

36、F1ouRuRRR1RRRu221323iiiuuuRRRu）（）（2213321iiuRuRRRuRRuFo)(11)()/)(32213211RuRuRRRRiiF特點(diǎn)特點(diǎn)：可以進(jìn)行可以進(jìn)行y = ( a1 x1+a2 x2 + an xn), an0若改變某一路的輸入電阻，將影響輸出表達(dá)式所若改變某一路的輸入電阻，將影響輸出表達(dá)式所有系數(shù)項(xiàng)，與反相有系數(shù)項(xiàng)，與反相求和求和電路比較，同相電路比較，同相求和求和電路電路調(diào)試比較麻煩。調(diào)試比較麻煩。引入共摸輸入分量，使同相引入共摸輸入分量，使同相求和求和電路的應(yīng)用受到電路的應(yīng)用受到限制。限制。三三. 減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路 采用雙端輸入可實(shí)現(xiàn)

37、減法運(yùn)算。采用雙端輸入可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。 n因運(yùn)放工作在線性區(qū)，可應(yīng)因運(yùn)放工作在線性區(qū)，可應(yīng)用疊加原理。用疊加原理。11223211iFiFooouRRRuRRRRuuu )/)(ui1單獨(dú)作用時(shí)單獨(dú)作用時(shí)1i1FouRRuui2單獨(dú)作用時(shí)單獨(dú)作用時(shí)22321322311111RuRRRRRRuRRRuRRuiFiFFo)/)()()( 特點(diǎn)特點(diǎn)：可以進(jìn)行可以進(jìn)行y=a1x1a2x2的運(yùn)算，故又稱(chēng)減法運(yùn)算的運(yùn)算，故又稱(chēng)減法運(yùn)算電路。電路。 若改變某一路的輸入電阻，將影響輸出表達(dá)式所若改變某一路的輸入電阻，將影響輸出表達(dá)式所有系數(shù)項(xiàng)，與反相有系數(shù)項(xiàng)，與反相求和求和電路比較，同相電路比較，同相求和求

38、和電路電路調(diào)試比較麻煩。調(diào)試比較麻煩。當(dāng)當(dāng): RF/R1=R3/R2 ，則則uo= RF/R1(ui2-ui1);當(dāng)當(dāng): RF = R1時(shí)，時(shí)， 得：得：uo = ui2 ui1同樣存在共模輸入電壓，所以，影響其運(yùn)算精度同樣存在共模輸入電壓，所以，影響其運(yùn)算精度的因素與同相輸入運(yùn)算放大電路完全相同。的因素與同相輸入運(yùn)算放大電路完全相同。 四四. 積分電路與微分電路積分電路與微分電路1. 積分電路積分電路 i1 = if ；u-=u+=0 if =ui / R1dtiCuufFco1dtuCRiF11若若ui為圖中所示電壓，為圖中所示電壓，uc(0)=0,則則t0, uo uoL 時(shí)，時(shí)，uoL

39、0 tuotRCEEdtRCuFFo1當(dāng)當(dāng)uo=uoL時(shí)，積分作用停止。時(shí)，積分作用停止。2. 2. 微分電路微分電路 i1 = if ；u-=u+=0FofRuidtduCic11icuu FiRudtduC01dtduCRuiFo1當(dāng)輸入信號(hào)為一系列方當(dāng)輸入信號(hào)為一系列方波時(shí)，微分電路可將方波時(shí)，微分電路可將方波變成尖頂波。波變成尖頂波。 五五. 測(cè)量放大器測(cè)量放大器n根據(jù)根據(jù)u-=u+，ii=0，對(duì)于，對(duì)于A1、A2有有 UB=Ui1 UC=Ui2 RUURUUIIIiiCB2121)()(2121iiADUURRRIU)()(12121iiADfOUUUURRU特點(diǎn)特點(diǎn)：當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸

40、入電壓Ui1、Ui2不變時(shí)，調(diào)節(jié)不變時(shí)，調(diào)節(jié)便可調(diào)整輸便可調(diào)整輸出電壓出電壓UO。此電路具有非常高的輸入電阻，對(duì)被測(cè)量的影此電路具有非常高的輸入電阻，對(duì)被測(cè)量的影響很小。響很小。當(dāng)電路其它參數(shù)一定時(shí)，輸出電壓正比于當(dāng)電路其它參數(shù)一定時(shí)，輸出電壓正比于Ui1與與Ui2的差值。的差值。六六. 電壓比較器電壓比較器n電壓比較器是用來(lái)判斷輸入電壓和基準(zhǔn)電壓之間數(shù)值大小電壓比較器是用來(lái)判斷輸入電壓和基準(zhǔn)電壓之間數(shù)值大小的電路。通常由集成運(yùn)算放大器組成。的電路。通常由集成運(yùn)算放大器組成。n作為電壓比較器時(shí)，集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。由于其自作為電壓比較器時(shí)，集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。由于其自身的電壓放大倍數(shù)很

41、大，只要有微小的凈輸入電壓就足以身的電壓放大倍數(shù)很大，只要有微小的凈輸入電壓就足以使集成運(yùn)放處于飽和工作狀態(tài)，所以它的輸出只有兩種可使集成運(yùn)放處于飽和工作狀態(tài)，所以它的輸出只有兩種可能：當(dāng)能：當(dāng)u+u-時(shí)，輸出高電位時(shí)，輸出高電位UOH，其極性為正，數(shù)值接，其極性為正，數(shù)值接近正電源電壓值；當(dāng)近正電源電壓值；當(dāng)u+u-時(shí)，輸出低電位時(shí)，輸出低電位UOL，其極性，其極性為負(fù)，數(shù)值接近負(fù)電源電壓值。為負(fù)，數(shù)值接近負(fù)電源電壓值。n工作時(shí)，電壓比較器的一個(gè)輸入端輸入基準(zhǔn)電壓工作時(shí)，電壓比較器的一個(gè)輸入端輸入基準(zhǔn)電壓UB，另一，另一端則輸入要與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的電壓端則輸入要與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的電壓ui

42、。n電壓比較器廣泛應(yīng)用于數(shù)字儀表、模電壓比較器廣泛應(yīng)用于數(shù)字儀表、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、波形變換等方面。自動(dòng)控制、波形變換等方面。 1. 單門(mén)限電壓比較器單門(mén)限電壓比較器1）過(guò)零電壓比較器過(guò)零電壓比較器 u+ =UB=0，u-=ui當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，uo=UOH，當(dāng)，當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，uo=UOL。n設(shè)輸入電壓設(shè)輸入電壓ui=Umsint，電壓，電壓比較器將輸入的連續(xù)變化量比較器將輸入的連續(xù)變化量（模擬量）變成躍變的矩形波（模擬量）變成躍變的矩形波（數(shù)字量）輸出。（數(shù)字量）輸出。n從電壓比較器的工作原理可以從電壓比較器的工作原理可以看出，輸出電壓的大小僅與輸看出，輸出

43、電壓的大小僅與輸入電壓的大小有關(guān)，而與輸入入電壓的大小有關(guān)，而與輸入電壓的波形無(wú)關(guān)。電壓的波形無(wú)關(guān)。 2） 非零電壓比較器非零電壓比較器 u+ =UB，u-=ui ，當(dāng)當(dāng)ui UB時(shí)，時(shí)，uo=UOH，當(dāng)，當(dāng)ui UB時(shí)，時(shí)，uo=UOL。n單門(mén)限電壓比較器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。單門(mén)限電壓比較器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。n此類(lèi)比較器設(shè)置了一個(gè)門(mén)限此類(lèi)比較器設(shè)置了一個(gè)門(mén)限UB ，不管輸入電壓增加還，不管輸入電壓增加還是減小是減小,經(jīng)過(guò)此門(mén)限時(shí)，電路都要產(chǎn)生動(dòng)作，因此這類(lèi)比經(jīng)過(guò)此門(mén)限時(shí)，電路都要產(chǎn)生動(dòng)作，因此這類(lèi)比較器的抗干擾能力差。為了克服這一缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中較器的抗干擾能力差。為了

44、克服這一缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中常采用多門(mén)限電壓比較器。常采用多門(mén)限電壓比較器。 2. 遲滯比較器遲滯比較器 遲滯比較器在結(jié)構(gòu)上引入了正反饋，這樣遲滯比較器在結(jié)構(gòu)上引入了正反饋，這樣不僅加快了輸出電壓的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，而且還給電不僅加快了輸出電壓的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，而且還給電路提供了兩個(gè)不同極性的參考電壓，即設(shè)置兩路提供了兩個(gè)不同極性的參考電壓，即設(shè)置兩個(gè)門(mén)限值，使輸入電壓增加時(shí)的門(mén)限值與輸入個(gè)門(mén)限值，使輸入電壓增加時(shí)的門(mén)限值與輸入電壓減小時(shí)的門(mén)限值不同，電路只對(duì)某一個(gè)方電壓減小時(shí)的門(mén)限值不同，電路只對(duì)某一個(gè)方向變化的電壓敏感，將雙向敏感改為單向敏感，向變化的電壓敏感，將雙向敏感改為單向敏感，產(chǎn)生回環(huán)，提高電路的抗

45、干擾能力。產(chǎn)生回環(huán)，提高電路的抗干擾能力。 1 1）反相輸入遲滯比較器）反相輸入遲滯比較器 工作在非線性放大區(qū)，工作在非線性放大區(qū)，uo=UZ， u+=u-= UB=uoR2 /(R2+R3) = UZR2 /(R2+R3)= ui (門(mén)限值門(mén)限值 )。設(shè)設(shè)ui很小，很小，uo輸出高電位輸出高電位UOH=+UZ，此時(shí)參考電位此時(shí)參考電位UB+= UZR2 /(R2+R3) ，隨著隨著ui增加，只要增加，只要uiUB+時(shí)，時(shí)， uo由由UoH躍變到躍變到UoL=-UZ，參考電壓也躍變?yōu)?，參考電壓也躍變?yōu)閁B-=-UZR2 /(R2+R3)，隨后，只要，隨后，只要ui UB- ， uo保持保持Uo

46、L=-UZ不變；不變；當(dāng)當(dāng)uiUB-時(shí)，時(shí)， 電路回到過(guò)程電路回到過(guò)程。當(dāng)當(dāng)電路電路uo發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生變化時(shí)， u+=u-=UB所所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值為門(mén)限值。對(duì)應(yīng)的輸入電壓值為門(mén)限值。2 2）同相輸入遲滯比較器）同相輸入遲滯比較器 u-=u+=0 ，u+=uiR3 /(R2+R3)+ UZR2 /(R2+R3) ，電路電路uo發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生變化時(shí)， u+=u-=0，對(duì)應(yīng)的輸入電壓，對(duì)應(yīng)的輸入電壓門(mén)限值門(mén)限值ui= -UZR2 /R3 和和UZR2 /R3 。n當(dāng)當(dāng)ui增加時(shí)，只要增加時(shí)，只要uiUZR2 /R3 ，u+u-=0，uo=-UZ，只只有當(dāng)有當(dāng)ui UZR2 /R3時(shí)，輸出電時(shí)，輸出電壓躍變?yōu)閴很S變?yōu)閡o=UZ；n當(dāng)當(dāng)ui減小時(shí)，只要減小時(shí)，只要ui- -UZR2 /R3 ， u+u-=0，uo=+UZ，只有當(dāng)只有當(dāng)ui- -UZR2 /R3時(shí)，輸出時(shí)，輸出電壓躍變?yōu)殡妷很S變?yōu)閡o=-UZ 。n遲滯比較器可以提高抗干擾遲滯比較器可以提高抗干擾能力，但電路靈敏度降低。能力，但電路靈敏度降低。 3. 窗口比較器窗口比較器 前述比較器在前述比較器在ui單方向變化時(shí)，單方向變化時(shí)，uo僅發(fā)生一次躍變，如果僅發(fā)生一次躍變，如果需要需要ui單方向變化單方向