電子技術(shù)基礎(chǔ)第4章--集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用課件

1、第4章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用差動放大器集成運(yùn)算放大器電路集成電路運(yùn)放的應(yīng)用概 述集成電路簡稱IC【Integrated Circuit】它是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將各種元器件和連線等集成在一片硅片上而制成的。優(yōu)點：密度高、引線短、外部接線大為減少，提高電子設(shè)備的可靠性和靈活性，并降低了成本。 DIP雙列直插式封裝 QFP表面貼裝型封裝 LCCC無引線陶瓷封裝 產(chǎn)生“零點漂移” 定義：輸入電壓（vi）為零而輸出電壓（vo）不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零點漂移現(xiàn)象，簡稱零漂。常用耦合方式有直接耦合 直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，如果第一級產(chǎn)生零漂，經(jīng)多級放大后輸出級將嚴(yán)重偏離

2、原工作點，這是構(gòu)成直接耦合多級放大電路時必須要加以解決的問題。關(guān)于“零點漂移” 產(chǎn)生原因：以目前的工藝水平，由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)變化成為產(chǎn)生零漂現(xiàn)象的主要原因，因而也稱零點漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。 差分放大電路對抑制零點漂移具有很好的效果4.1.1 差分式放大電路組成電路構(gòu)成特點T1與T2的特性完全相同，電路結(jié)構(gòu)對稱。電路參數(shù)也相同，即：等等。12-VEE長尾對稱電路4.1 差分式放大電路12-VEE靜態(tài)時,Ui1=Ui2=0對稱Uo=0零漂相互抵消,抑制輸入輸入輸出4.1.2差分式放大電路分析共模信號vic是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號。12-VEE共模增益:抑制

3、零點漂移原理 溫度變化和電源電壓波動，都將使集電極電流產(chǎn)生變化。且變化趨勢是相同的， 其效果相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號。差分式放大電路對共模信號有很強(qiáng)抑制作用差模信號vic是指在兩個輸入端加上大小相等，極性相反的信號。12-VEE差模增益:共模抑制比反映抑制零漂能力的指標(biāo)差模信號和共模信號溫度和電源電壓的波動對三極管電路的影響（零漂）相當(dāng)于在兩個輸入端加入了共模信號vC1vC2vo+-vi1+-vi2eb1b2【交流通路】差模信號共模信號voc+-vi1+-vi2b1b22Ro2Rovoc1+-voc2兩管的電流或是同時增加，或是同時減少根據(jù)有 共模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中相同的部分

4、差模信號相當(dāng)于兩個輸入端信號中不同的部分 兩輸入端中的共模信號大小相等，相位相同；差模信號大小相等，相位相反。實際工作時4.2.1 集成運(yùn)算放大器概述對稱性有源器件直接耦合作為級間耦合方式組合電路BJT代替二極管4.2 集成運(yùn)算放大器電路集成電路運(yùn)算放大器的內(nèi)部組成單元圖 集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖4.2.2 集成運(yùn)放及其基本組成（1）輸入級（又稱前置級）要求：Ri高，以便把外加信號盡可能多的吸入電路中去，同時要考慮干擾信號的濾除問題。往往都是用雙端輸入的高性能差分放大電路。（2）中間級作用：在這一級把信號盡量放大，使集成運(yùn)放具有較強(qiáng)的放大能力。多采用共射（或共源）放大電路（它們的AV大）；

5、多采用復(fù)合結(jié)構(gòu)（它們的AV大）；如：復(fù)合管結(jié)構(gòu)bce= 1 2bce= 1 2互補(bǔ)型（3）輸出級要求：Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)；非線性失真小。多采用互補(bǔ)對稱輸出電路，保證功率放大。（4）偏置電路用于設(shè)置集成運(yùn)放各級放大電路的靜態(tài)工作點+VCC-VEEPNvPvNOvOiPiNA集成運(yùn)放的符號同相輸入端反相輸入端這兩個電壓有時畫有時不畫，無所謂！輸入與輸出的關(guān)系：當(dāng)vi從反相輸入端輸入時，vo與vi反相；當(dāng)vi從同相輸入端輸入時，vo與vi同相； 1.輸入失調(diào)電UIO 輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。4.2.3 集成運(yùn)放的主要性能指

6、標(biāo) 2.輸入偏置電流IIB ： 輸入電壓為零時，運(yùn)放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。 3.輸入失調(diào)電流 IIO ： 在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 4.最大差模輸入電壓Uidmax 運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。 6.最大共模輸入電壓Vicmax 在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。 5.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ： 無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100120dB左右，高增益

7、運(yùn)放可達(dá)140dB以上。 共模抑制比雙端輸出，理想情況單端輸出抑制零漂能力越強(qiáng)單端輸出時的總輸出電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運(yùn)放的Aod=104Ui1mV時，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當(dāng)Aod 時，線性區(qū)00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui4.2.4 電壓傳輸特性為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（u+=u-）虛斷（ii+=ii-=0）線性區(qū)非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)

8、工作或引入正反饋！+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想：ri ro0 Avo vOAvo(vNvP)4.2.5 理想運(yùn)算放大器基本運(yùn)算電路以后使用如無特殊說明都認(rèn)為是理想集成運(yùn)放【】4.3.1 基本運(yùn)算電路1)反相比例運(yùn)算i1=if （虛斷）因為有負(fù)反饋，利用虛短和虛斷u+ =0 u=u+=0（虛地）反饋組態(tài)：電壓并聯(lián)負(fù)反饋1.比例運(yùn)算電路虛地點 R0為平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1/Rf2)同相比例運(yùn)算電路u-= u+= uii1=if （虛斷）平衡電阻R=Rf/R1因為有負(fù)反饋，利用虛短和虛斷反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓放大倍數(shù):電壓跟隨器根據(jù)虛短和虛斷有vo

9、vn vp vi（可作為公式直接使用）此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器的作用(補(bǔ))無電壓跟隨器時 負(fù)載上得到的電壓電壓跟隨器時ip0，vpvs根據(jù)虛短和虛斷有vovn vp vs2.加法電路 根據(jù)虛短、虛斷和n點的KCL得：若則有例4.2 利用加法器和反相比例器3.減法電路 從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。當(dāng)則若繼續(xù)有則 根據(jù)虛短、虛斷和n、p點的KCL得：從放大器角度看:時，增益為（該電路也稱為差分電路）當(dāng)vI為階躍電壓時，有4.積分電路應(yīng)用舉例4.3：輸入方波，輸出是三角波。t

10、ui0tuo05.微分電路u-= u+= 0有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波器的功能：對頻率進(jìn)行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。 4.3.2 有源濾波電路 濾波器的分類：低通濾波器（LPF）；高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）；帶阻濾波器（BEF）|A|0C通帶阻帶A0|A|0CA0通帶阻帶|A|0C1A0阻阻C2通|A|0C1A0阻C2通通各種濾波器理想的幅頻特性：（1）低通（2）高通（3）帶通（4）帶阻 濾波器的用途濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。 一階低通濾波器的電路如圖所示，圖中虛

11、線為理想的情況，實線為實際的情況。特點是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。圖一階LPF 圖一階LPF的幅頻特性曲線 4.3.3 非線性應(yīng)用電路 將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。功能：構(gòu)成：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。uoui0+UOM-UOM1.簡單電壓比較器運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法： 若U+U- 則UO=+UOM； 若U+U- 則UO=-UOM。 虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0） 注意：此時不能用虛短！uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM（1）過零比較

12、器（門限電平=0）uoui0+UOM-UOMtuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。?）單門限比較器（與參考電壓比較）uoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓當(dāng)ui UREF時 , uo = +Uom當(dāng)ui UREF時 , uo = -Uom 運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)uoui0+Uom-UomUREF當(dāng)ui UREF時 , uo = -Uom 若ui從反相端輸入uoui0+UZ-UZ（A）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了UD（3）限幅電路使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值當(dāng)ui 0時 , uo = +UZ當(dāng)ui 0時 , uo = -UZ 遲滯比較器（1）工作原理兩個門限電壓。特點:電路中使用正反饋運(yùn)放工作在非線性區(qū)。（A）當(dāng)uo =+UZ時，（B）當(dāng)uo =-UZ時，UT+稱上門限電壓UT-稱下門限電壓UT+- UT-稱為回差電壓比較器的應(yīng)用 比較器主要用來對輸入波形進(jìn)行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波。(a) 正弦波變換為矩形波 (b) 有干