第3章集成運(yùn)算放大器chd

第3章集成運(yùn)算放大器3.1多級放大電路的耦合方式3.3直接耦合放大電路3.2多級放大電路的動態(tài)分析第三版童詩白第三版童詩白本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：1、掌握多級放大電路的耦合方式，為集成電路的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)2、掌握直接耦合放大電路中差分放大電路的組態(tài)及動態(tài)參數(shù)的計算3、了解多級放大電路中的互補(bǔ)輸出級

本章教學(xué)時數(shù)：4學(xué)時

第三版童詩白第三版童詩白第三版童詩白本章討論的問題：1.單管放大電路為什么不能滿足多方面性能的要求？2.如何將多個單級放大電路連接成多級放大電路？各種連接方式有和特點(diǎn)？3.直接耦合放大電路的特殊問題是什么？如何解決？4.差分放大電路與其它基本放大電路有什么區(qū)別？為什么它能抑制零點(diǎn)漂移？5.直接耦合放大電路輸出級的特點(diǎn)是什么？如何根據(jù)要求組成多級放大電路？3.1集成運(yùn)算放大器電路

1.集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠

性高、價格低。2.集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能分小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬集成電路簡稱IC

(IntegratedCircuit)

集成運(yùn)算放大電路，是一種高放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路的集成器件，簡稱集成運(yùn)放。3.集成電路的外形集成電路的外形(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式輸入級差分電路，大大減少溫漂。中間級采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大。輸出級互補(bǔ)對稱電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)偏置電路電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。輸入級偏置電路中間級輸出級+uouid3.1.1集成運(yùn)放電路的組成實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。1.基本組成2.集成運(yùn)算放大器符號

LM324的引腳圖:

3.1.2集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.對稱性好，適用于構(gòu)成差分放大電路。

2.用有源器件代替無源器件。

3.用晶體管代替二極管和電阻(特別是大電阻)。

4.電路通常采用直接耦合電路方式。

5.集成電路中的NPN、PNP管的

值差別較大，通常PNP的≤10。常采用復(fù)合管的形式。3.1.3集成運(yùn)放的電壓傳輸特性圖集成運(yùn)放的符號和電壓傳輸特性uO=Au(u+-u-)+AodU+u-uOuOu+-u-兩個輸入端：同相輸入端u+和反向輸入端u-。輸出電壓：輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即集成運(yùn)放的工作區(qū)域線性區(qū)域：Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)非線性區(qū)域：輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMuOuP-uN+UOM-UOM3.2

集成運(yùn)放中的電流源電路集成運(yùn)放電路中的晶體管和場效應(yīng)管除了作為放大管外，還構(gòu)成電流源電路，為各級提供合適的靜態(tài)電流;或作為有源負(fù)載取代高阻值電阻，從而增大放大電路的電壓放大倍數(shù)。3.2.1基本電流源電路一、鏡像電流源(電流鏡CurrentMirror)+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2基準(zhǔn)電流由于UBE1=UBE2，T1與T2

參數(shù)基本相同，則IB1=IB2=IB；IC1=IC2=IC+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2所以當(dāng)滿足>>2時，則電路特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單且具有一定的溫度補(bǔ)償作用+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2二、比例電流源R1R2由圖可得UBE1+IE1R1=UBE2+IE2R2由于UBE1

UBE2，則忽略基極電流，可得兩個三極管的集電極電流之比近似與發(fā)射極電阻的阻值成反比，故稱為比例電流源。圖4.2.2比例電流源三、微電流源

在鏡像電流源的基礎(chǔ)上接入電阻Re。+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re基本關(guān)系因二極管方程+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re圖4.2.3微電流源當(dāng)β>>1時，有

電路特點(diǎn)：利用較小電阻可獲得微安級的電流源。

3.2.2改進(jìn)型電流源電路問題：基本電流源電路在很小時，IR和IC2相差很大。為了減小基極電流的影響，提高傳輸精度，穩(wěn)定輸出電流，可對基本電流源電路進(jìn)行改進(jìn)。一、改進(jìn)型鏡像電流源缺點(diǎn)：1.受電源波動影響大； 2.電流最低至mA級。加射極輸出器的電流源一、改進(jìn)型鏡像電流源二、威爾遜電流源T1、T2、T3管的特性完全相同，即

由上式可見，IC3更接近IR的值。

當(dāng)β＝10IC2=0.984IR可見，在β很小時，也可認(rèn)為IC2=IR。IC2受基極電流影響很小。3.2.3多路電流源1.多路鏡像電流源

多路電流源：利用一個基準(zhǔn)電流去獲得多個不同的輸出電流，以適應(yīng)不同的需要，2.多路微電流源

當(dāng)IR確定后，只要選擇合適的各級發(fā)射極電阻，即可得到所需要的輸出電流。2.多集電極管形成的多路電流源

當(dāng)基極電流一定時，集電極電流之比等于它們的集電區(qū)面積之比。【例】電路是F007的電流源部分。其中T10與T11為縱向NPN管；T12與T13是橫向PNP管，它們的β=5，UBE=0.7V，試求各管的集電極電流?！窘狻俊?.73mAIC10≈28uAT10和T11構(gòu)成微電流源T12和T13構(gòu)成鏡像電流源3.2.4以電流源為有源負(fù)載的放大電路在集成運(yùn)放中，常用電流源電路取代RC或Rd，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可獲得很大的等效RC或Rd的。晶體管和場效應(yīng)管是有源元件，又可作為負(fù)載，故稱為有源負(fù)載。一、有源負(fù)載共射放大電路用電流源替代集負(fù)載電極電阻RC二、有源負(fù)載差分放大電路3.3差動放大電路電路形式基本形式長尾式恒流源式3.3.1基本差分放大電路1.電路對稱+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2Rb1=Rb2Rc1=Rc2下T1和T2的特性和參數(shù)均完全相同。電路以兩只管子集電極電位差為輸出，可克服溫度漂移。共模信號：uI1和uI2大小相等，極性相同。差模信號：uI1和uI2大小相等，極性相反。差分放大電路也稱為差動放大電路2.輸入信號當(dāng)uId=0，時（靜態(tài)）UCQ1=UCQ2UO=03.電壓放大倍數(shù)

VT1

和VT2

基極輸入電壓大小相等，極性相反，——稱為差模輸入電壓(uId)。在差模信號作用下：差模電壓放大倍數(shù)為共模輸入電壓uIc

：大小相等，極性相同+VCCRcVT1VT2RbRcRb~+uIc+uoRR共模電壓放大倍數(shù)：Ac愈小愈好，而Ad愈大愈好電路參數(shù)完全對稱，Ac=0理想情況下，電路參數(shù)完全對稱，Ac=0，KCMR=∞。(CommonModeRejectionRatio)共模抑制比

KCMR越大，說明差放分辨差模信號的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號的能力越強(qiáng)?；拘问讲罘烹娐访總€三極管的集電極對地電壓，其零漂與單管放大電路相同，絲毫沒有改善。3.差分放大電路的改進(jìn)圖將發(fā)射極電阻合二為一、對差模信號Re相當(dāng)于短路。ReRb1Rb2+uI1-VBB-uI2+圖3.3.2差分放大電路的組成(d)典型差分放大電路圖3.3.2差分放大電路的組成(e)ReRb1Rb2+uI1--VEE-uI2+長尾式差分放大電路便于調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，電源和信號源能共地第三章多級放大電路3.3.2長尾式差分放大電路可減小每個管子輸出端的溫漂。1.電路組成

Re

稱為“長尾電阻”。且引入共模負(fù)反饋。

Re愈大，共模負(fù)反饋愈強(qiáng)。Ac愈小。每個管子的零漂愈小。圖4.2.8長尾式差分放大電路ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1（1）對共模信號的抑制作用ReRb1Rb2-VEE+uI1-+uI1-第三章多級放大電路uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+VC1

)－(VC2+

VC2)=0靜態(tài)時，ui1

=

ui2

=0當(dāng)溫度升高時ICVC（兩管變化量相等）

對稱差動放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。即對共模信號沒有放大能力。2.工作原理（2）對差模信號的放大作用圖3.3.5差分放大電路加差模信號（a)分析時注意二個“虛地”ReRb1Rb2-VEEuI1uI2RC2RC1+uId--++-+uod-EE點(diǎn)電位在差模信號作用下不變，相當(dāng)于接“地”。負(fù)載電阻的中點(diǎn)電位在差模信號作用下不變，相當(dāng)于接“地”。第三章多級放大電路圖長尾式差分放大電路ReRb1Rb2-UEEuI1uI2RC2RC13.靜態(tài)分析IE≈UEE∕2Re

；UCE1=UCE2≈UCC―RCICUo=0IB1=IB2=IE/(1+β)由于IB較小，IBRB1可忽略不計。第三章多級放大電路IBRB1

+UBE1+2IERe=UEEIC1=IC2≈IE2IE2IERe

≈

UEE4.動態(tài)分析RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2則同理RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2RWVEE+VCCRe輸出電壓為差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為差模輸出電阻為【例】在圖差分放大電路中,已知UCC=12V，EE=12V,=50,RC=10k,RE=10k,RB=20k，

輸出端接負(fù)載RL=20k,試求：電路的靜態(tài)值和差模電壓放大倍數(shù)、Ri、R0。【解】=2(20+2.41)=44.82kΩ=20kΩ5.在任意輸入情況下合成輸出信號

ui1、ui2大小和極性是任意的。其中：uo僅與差模輸入電壓成正比，而與共模輸入電壓大小無關(guān)。比較輸入：

ui1、ui2大小和極性是任意的。例1:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV例2:

ui1=20mV,ui2=16mV可分解成:

ui1=18mV+2mVui2=18mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號差模信號放大器只放大兩個輸入信號的差值信號—差動放大電路。這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。3.3.3恒流源式差分放大電路用三極管代替“長尾式”電路的長尾電阻，即構(gòu)成恒流源式差分放大電路RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT31.電路組成VT3：恒流管作用：能使iC1、iC2不隨溫度變化，從而抑制共模信號的變化。圖4.2.13恒流源式差分放大電路具有電流源的差分放大電路簡化畫法ui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEEIui1T1+VCCT2RCuoui2RCVEER2R3IC3T3T4IREFIC4R1第三章多級放大電路2.靜態(tài)分析當(dāng)忽略VT3

的基極電流時，Rb1上的電壓為RcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3于是得到圖恒流源式差分放大電路3.動態(tài)分析由于恒流三極管相當(dāng)于一個阻值很大的長尾電阻，它的作用也是引入一個共模負(fù)反饋，對差模電壓放大倍數(shù)沒有影響，所以與長尾式交流通路相同。差模電壓放大倍數(shù)為差模輸入電阻為差模輸出電阻為3.3.4典型差分放大電路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個管子的漂移。EE：用于補(bǔ)償RE上的壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。電位器RP:

起調(diào)零作用。1.靜態(tài)分析集電極電流發(fā)射極電位

VE

0基極電流集射極電壓RC+UCCRB1T1RE

-EEIB2IEICIE+UCE+－UBE+－單管直流通路2.動態(tài)分析單管差模信號通路

由于差模信號使兩管的集電極電流一增一減，其變化量相等，通過RE的電流近于不變，RE上沒有差模信號壓降，故RE對差模信號不起作用，可得出下圖所示的單管差模信號通路。單管差模電壓放大倍數(shù)同理可得T1RCibic+uo1RB+ui1雙端輸入—雙端輸出差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為當(dāng)在兩管的集電極之間接入負(fù)載電阻時式中兩輸入端之間的差模輸入電阻為兩集電極之間的差模輸出電阻為單端輸出時差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為即：單端輸出差分電路的電壓放大倍數(shù)只有雙端輸出差分電路的一半。單端輸入:

即將T1輸入端或T2輸入端接“地”,而另一端接輸入信號ui

。四種差分放大電路的比較見表15.7.1。3.3.5差分放大電路四種接法有四種不同的接法差分輸入、雙端輸出；差分輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。1.差分輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+圖差分輸入、雙端輸出2.差分輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+uouo

uO約為雙端輸出的一半，即若由VT2

集電極輸出，uO

為“正”。圖4.2.16(b)

差分輸入、單端輸出3.單端輸入、雙端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+單端輸入則當(dāng)共模負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時，三極管仍然基本工作在差分狀態(tài)，所以圖4.2.16(c)單端輸入、雙端輸出4.單端輸入、單端輸出RcVT1VT2Rc+uoRRuI+VCCVEEI+若改從VT2

集電極輸出，則這種接法比一般的單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。圖4.2.16(d)單端輸入、單端輸出【差分放大電路】歸納如下：差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出AdKCMR很高很高較高較高RidRo差分放大電路四種接法的性能比較接法性能差分輸入雙端輸出差分輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出特性

1.Ad與單管放大電路基本相同。

2.在理想情況下，KCMR∞。

3.適用于差分輸入、雙端輸出，輸入信號及負(fù)載的兩端均不接地的情況。

1.Ad

約為雙端輸出時的一半。

2.由于引入共模負(fù)反饋，仍有較高的KCMR。

3.適用于將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。

1.Ad與單管放大電路基本相同。

2.在理想情況下，KCMR∞。

3.適用于將單端輸入轉(zhuǎn)換為雙端輸出。

1.Ad

約為雙端輸出時的一半。

2.比單管放大電路具有較強(qiáng)的抑制零漂的能力。

3.適用于輸入、輸出均要求接地的情況。

4.選擇不同管子輸出，可使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。結(jié)論

(1)

雙端輸出時，Ad

與單管Au基本相同；單端輸出時，Ad

約為雙端輸出時的一半。雙端輸出時，Ro=2Rc；單端輸出時，Ro=Rc

。

(2)

雙端輸出時，理想情況下，KCMR

→

；單端輸出時，共模抑制比不如雙端輸出高。

(3)

單端輸出時，可以選擇從不同的三極管輸出，而使輸出電壓與輸入電壓反相或同相。

(4)

單端輸出時，由于引入很強(qiáng)的共模負(fù)反饋，兩個管子仍基本工作在差分狀態(tài)。

(5)

單端輸出時，Rid

2(R+rbe)。例3.1

電路如圖，已知：UCC=UEE=12V，

RC=RB=10kΩ，R1=4.6kΩ，R2=4.4kΩ，R3=3.2kΩ，β1=β2=β3=β=50，T1與T2的特性完全相同，UBE=0.7V。試分析：1)電路的靜態(tài)工作電流ICQ1、ICQ2及電壓UCEQ1、UCEQ2；2)差模電壓放大倍數(shù)、差模輸入電阻、輸出電阻、共模電壓放大倍數(shù)、共模抑制比；3)由分析結(jié)果歸納電路的特點(diǎn)?！窘狻?）作直流通道，分析靜態(tài)工作點(diǎn)。

?【解】1）作直流通道，分析靜態(tài)工作點(diǎn)。2）動態(tài)參數(shù)分析圖3.25電路的差模等效電路2）動態(tài)參數(shù)分析差模電壓放大倍數(shù)為：

可見單端輸出時的差模放大倍數(shù)是雙端輸出時的二分之一

差模輸入電阻:

共模放大倍數(shù)為：共模抑制比為：通常情況下，近似認(rèn)為恒流源的等效電阻為無窮大，此時，共模抑制比趨于無窮大。共模輸出電壓為：輸出電阻為：綜上所述，①雙入單出時，其差模放大倍數(shù)是雙端輸入雙端輸出的一半；②單端輸出時，其共模輸出電壓不能相互抵消，電路依靠恒流源提高對共模信號的抑制能力；③單端輸出時的輸出電阻是雙端輸出的一半。3）電路特點(diǎn)例3.2:

電路如圖，已知：UCC=UEE=15V，

RC=RL=10kΩ，RB=3kΩ，RE=3.2kΩ，β1=β2=β=80，rbe1=rbe2=rbe，UBE=0.7V。試分析：1）電路的靜態(tài)工作電流IC1、IC2及電壓UCE2；2）求輸出電壓的表達(dá)式?！窘狻侩娐肥菃味溯斎雴味溯敵霾顒臃糯箅娐?/p>

（1）作直流通道，分析靜態(tài)工作點(diǎn)。取UBE=0.7V，代入數(shù)值計算有：（2）作交流等效電路，動態(tài)分析求解上述方程式可得：

復(fù)習(xí)1.差分放大電路的類別基本差分放大電路長尾差分放大電路恒流源式差分放大電路2.差分放大電路的接法+VCCRc2+VT1VT2Rb2Rc1Rb1~~++uId+uoR1R2+VCCRc+VT1VT2Rc~~++uId+uoRR-VEEReRcVT1VT2Rc+uoRRuI1uI2+VCCReRb2Rb1VEEVT3RcVT1VT2Rc+uoRRuIuI2+VCCVEEIR+雙端輸入、雙端輸出；雙端輸入、單端輸出；單端輸入、雙端輸出；單端輸入、單端輸出。FET差分放大電路T2Rg1vidT1RdRdVDD-VEERg2Vo2iD2iD2I0第三章多級放大電路3.4集成運(yùn)算放大電路雙極型集成運(yùn)放F007CMOS集成運(yùn)放C14573一、外形與符號3.4.1雙極型集成運(yùn)放F00712348765典型的集成運(yùn)放二、電路原理圖圖4.3.1F007電路原理圖1.偏置電路+VCCT8-VCCT9T12T13T10T11R4R5I8I3,4IC9IC10IREFIC13至輸入級至中間級基準(zhǔn)電流：基準(zhǔn)電流產(chǎn)生各放大級所需的偏置電流。各路偏置電流的關(guān)系：IREFI11IC10I3,4IC9IC8IC12IC13微電流源鏡像電流源輸入級鏡像電流源中間級輸出級圖4.3.1-1F007的偏置電路2.輸入級

T1、T2、T3、T4組成共集-共基差分放大電路；T1、T2

基極接收差分輸入信號。T5、T6

有源負(fù)載；

T4

集電極送出單端輸出信號至中間級。uO

RW

調(diào)零電阻，R外接電阻。

T7

與R2組成射極輸出器。+VCC-VEET6R1I3,4IC10IC9R2R3RRWT4T2T7T5T3T1T8T9圖4.3.1-2uI2uI1若暫不考慮T7

和調(diào)零電路則電路可簡化為：+VCC-VEEI3,4T4T2T3T1I8RCRCuI1uI2uO(1).T1、T2共集組態(tài)，具有較高的差模輸入電阻和共模輸入電壓。(2).共基組態(tài)的T3、T4，與有源負(fù)載T5、T6組合，可以得到很高的電壓放大倍數(shù)。(3).T3、T4共基接法能改善頻率響應(yīng)。(4).該電路具有共模負(fù)反饋，能減小溫漂，提高共模抑制比。圖簡化示意圖3.中間級圖4.3.1-3中間級示意圖+VCC-VEET15T16IC13R7T17R830pF輸入來自T4

和T6集電極；輸出接在輸出級的兩個互補(bǔ)對稱放大管的基極。中間級T16、T17

組成復(fù)合管，T13作為其有源負(fù)載。8、9兩端外接30pF校正電容防止產(chǎn)生自激振蕩。4.輸出級IC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2圖4.3.1-4F007輸出級原理電路

T14、T18、T19

準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路；

D1、D2、R9、R10

過載保護(hù)電路；

T15、R7、R8

為功率管提供靜態(tài)基流。調(diào)節(jié)R7、R8阻值可調(diào)節(jié)兩個功率管之間的電壓差。這種電路稱為UBE

倍增電路。3.4.2主要性能指標(biāo)及低頻等效電路一、開環(huán)差模電壓增益Aod一般用對數(shù)表示，定義為單位：分貝理想情況Aod為無窮大；實際情況Aod

為100~140dB。二、輸入失調(diào)電壓UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂UIO

定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補(bǔ)償電壓。一般運(yùn)放：UIO

為1~10mV；高質(zhì)量運(yùn)放：UIO

為1mV以下。定義：一般運(yùn)放為每度10~20V；高質(zhì)量運(yùn)放低于每度0.5V以下；四、輸入失調(diào)電流IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂IIO當(dāng)輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即定義：一般運(yùn)放為幾十~一百納安；高質(zhì)量的低于1nA。定義：一般運(yùn)放為每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。六、輸入偏置電流IIB七、差模輸入電阻rid八、共模抑制比KCMR定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的平均值。定義：一般集成運(yùn)放為幾兆歐。定義：多數(shù)集成運(yùn)放在80dB以上，高質(zhì)量的可達(dá)160dB。九、最大共模輸入電壓UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓UIdm反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、-3dB帶寬fH表示Aod

下降3dB時的頻率。一般集成運(yùn)放fH只有幾赫至幾千赫。十二、單位增益帶寬

fc

Aod

降至0dB時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于1。十三、轉(zhuǎn)換速率SR額定負(fù)載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為V/s。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運(yùn)放的SR

值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。3.5理想運(yùn)算放大器3.5.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益Aod=∞；輸出電阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；差模輸入電阻

rid=∞；UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；輸入偏置電流IIB=0；-3dB帶寬fH=∞，等等。3.5.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時的特點(diǎn)輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1.理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”圖4.5.1集成運(yùn)放的電壓和電流2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個輸入端均沒有電流，即——“虛斷”3.5.3理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時的特點(diǎn)傳輸特性+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性圖4.5.2集成運(yùn)放的傳輸特性理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng)u+>u-

時，uO=+UOPP當(dāng)u+<u-時,uO=-

UOPP

1.uO

的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-?！疤摰亍辈淮嬖?.理想運(yùn)放的輸入電流等于零實際運(yùn)放Aod≠∞，當(dāng)u+與u-

差值比較小時，仍有Aod(u+

-

u-

)UOPP，運(yùn)放工作在線性區(qū)。例如：F007的Uopp=±14V，Aod

2×105

，線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍uOu+-u-O實際特性非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)但線性區(qū)范圍很小。圖4.5.2集成運(yùn)放的傳輸特性3.5集成運(yùn)放的種類及選擇3.5.1集成運(yùn)放的發(fā)展概況3.5集成運(yùn)放的種類及選擇3.5.2集成運(yùn)放的種類一、按工作原理分類1.電壓放大型:F007、F3242.電流放大型:LM3900、F19003.跨導(dǎo)型:LM3080、F30804.互阻型:AD8009、AD8011二、按可控性分類1.可變增益運(yùn)放2.選通運(yùn)放1.高精度型性能特點(diǎn)：漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。（F5037）2.低功耗型性能特點(diǎn)：靜態(tài)功耗比通用型低1~2個數(shù)量級，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。（TLC2552）三、按性能指標(biāo)分類3.大功率型性能特點(diǎn)：可提供較高的輸出電壓和較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。4.高阻型性能特點(diǎn)：通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達(dá)1012

。高阻型運(yùn)放可用在測量放大器、采樣-保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。（F3130）5.高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)1000V/s，單位增益帶寬可達(dá)10MHz，甚至幾百兆歐。性能特點(diǎn)：常用在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。（F3554）6.高壓型性能特點(diǎn)：輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。3.5.3運(yùn)放的選擇根據(jù)下列要求，將應(yīng)優(yōu)先考慮使用的集成運(yùn)放填入空內(nèi)。

①通用型②高阻型③高速型④低功耗型

⑤高壓型⑥大功率型⑦高精度型

（1）作低頻放大器，應(yīng)選用

。

（2）作寬頻帶放大器，應(yīng)選用

。

（3）作幅值為1μV以下微弱信號的測量放大器，應(yīng)選用

。

（4）作內(nèi)阻為100kΩ信號源的放大器，應(yīng)選用

。

（5）負(fù)載需5A電流驅(qū)動的放大器，應(yīng)選用

。

（6）要求輸出電壓幅值為±80V的放大器，應(yīng)選用

。

（7）宇航儀器中所用的放大器，應(yīng)選用

?！窘狻浚?）①（2）③（3）⑦（4）②（5）⑥（6）⑤（7）④【課堂討論】3.6集成運(yùn)放的使用一、集成運(yùn)放的外引線（管腳）二、使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1.不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負(fù)反饋開環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成“堵塞”現(xiàn)象原因3.6.1使用時必做的工作2.漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動端接觸不良集成運(yùn)放本身損壞或質(zhì)量不合格原因3.產(chǎn)生自激振蕩消振措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯避免負(fù)反饋過強(qiáng)合理安排接線，防止雜散電容過大3.6.2保護(hù)措施一、輸入保護(hù)(a)防止輸入差模信號幅值過大(b)防止輸入共模信號幅值過大+V+AR1D1D2RFR-VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件uO+AR1RFD1D2uI保護(hù)元件圖4.6.1輸入保護(hù)措施二、電源極性錯接保護(hù)保護(hù)元件：D1、D2三、輸出端錯接保護(hù)保護(hù)元件：穩(wěn)壓管DZ1、DZ2+AD1D2+AR1DZ1DZ2RFuOuI圖4.6.2利用穩(wěn)壓管保護(hù)運(yùn)放圖4.6.3電源接錯保護(hù)+UCC-UCC四、輸出限流保護(hù)+AT1T2-VEER2R3R4R1T4R5T3+VCCC1C1C2保護(hù)元件：T1、T2(b)保護(hù)管工作特性正常工作時工作點(diǎn)在

A；工作電流過大，工作點(diǎn)經(jīng)B

移到C

或D

點(diǎn)。(a)電路圖BCDAICUCEO圖輸出限流保護(hù)3.6.3輸出電壓與輸出電流的擴(kuò)展一、提高輸出電壓采用在運(yùn)放輸出端再接一級由較高電壓電源供電的電路，來輸出電壓幅值。+uNuPA圖4.6.4提高輸出電壓的電路uO+VCC(+30V)-VCC(-30V)T1T2R1R2R3R4b1b2e1e2二、增大輸出電流在運(yùn)放的輸出端加一級射極輸出器或互補(bǔ)輸出級。3.直接耦合互補(bǔ)輸出級RLRD1D2T1T2+VCC+ui+uoVCCV5R2R1uiT4RL+VCC+uoT1T2T3VEER*1R2R3R4uiIC13R8uo+VCC-VEET14uID1R9R10T19T18R7T15D2復(fù)習(xí)1.集成電路的組成輸入級中間級輸出級偏置電路2.集成電路中的電流源鏡像電流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2比例電流源+VCCRIREF++T1T2IC2IB1IB22IBIC1UBE1UBE2微電流源+VCCRIREFT1T2IC22IBIC1Re加射極輸出器的電流源RIC2VCCT3T2T1Re3IC1IREFIB威爾遜電流源RIRIC2+VCCIC0IC多路電流源ICT∑IBRIREFVCCT0ReIET1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3MOS管多路電流源

MOS管多路電流源3.7

集成運(yùn)放的電路分析一、讀圖方法二、原理電路的分析三、集成運(yùn)放的性能指標(biāo)一、讀圖方法（1）了解用途：了解要分析的電路的應(yīng)用場合、用途和技術(shù)指標(biāo)。（2）化整為零：將整個電路圖分為各自具有一定功能的基本電路。（3）分析功能：定性分析每一部分電路的基本功能和性能。（4）統(tǒng)觀整體：電路相互連接關(guān)系以及連接后電路實現(xiàn)的功能和性能。（5）定量計算：必要時可估算或利用計算機(jī)計算電路的主要參數(shù)。已知電路圖，分析其原理和功能、性能。二、原理電路的分析

若在集成運(yùn)放電路中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路中的基準(zhǔn)電流。IR微電流源鏡像電流源按信號流通順序分析放大電路部分雙端輸入、單端輸出差分放大電路以復(fù)合管為放大管、恒流源作負(fù)載的共射放大電路用UBE倍增電路消除交越失真的準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級三、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)

指標(biāo)參數(shù)F007典型值理想值開環(huán)差模增益Aod106dB∞差模輸入電阻rid2MΩ∞共模抑制比KCMR90dB∞輸入失調(diào)電壓UIO1mV

0UIO的溫漂dUIO/dT(℃)幾μV/℃0輸入失調(diào)電流IIO(│IB1-IB2│)20nA

0IIO的溫漂dIIO/dT(℃)幾nA/℃

0最大共模輸入電壓UIcmax±13V最大差模輸入電壓UIdmax±30V-3dB帶寬fH10Hz∞轉(zhuǎn)換速率SR(=duO/dt│max)0.5V/μS

∞20lg│Aod│使uO為0在輸入端所加的補(bǔ)償電壓超過此值不能正常放大差模信號超過此值輸入級放大管擊穿清華大學(xué)華成英hchya@【課堂討論】1.輸入級采用什么措施增大放大倍數(shù)？2.中間級采用什么措施增大電壓放大倍數(shù)？3.如何消除交越失真？4.uI1、uI2哪個是同相輸入端？哪個是反相輸入端？有源負(fù)載有源負(fù)載復(fù)合管共射放大電路增大輸入級的負(fù)載電阻__+___++反相輸入端同相輸入端積累電流放大系數(shù)超β管1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2）開環(huán)輸入電阻3）開環(huán)輸出電阻4）共模抑制比6.1理想運(yùn)算放大器1.理想化的主要條件：6.1.1理想運(yùn)算放大器＋－u－u+uo2.理想運(yùn)算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：uo++u+u––3.電壓傳輸特性

uo=f(ui)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)

O理想運(yùn)放工作區(qū)：線性區(qū)和飽和區(qū)（非線性區(qū))線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

3.電壓傳輸特性

uo=f(ui)uOu+-u-+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1.理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零即——“虛短”—“虛地”如2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于rid=∞，兩個輸入端均沒有電流，即——“虛斷”工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)【例】F007運(yùn)放的正、負(fù)電源電壓為±15V，開環(huán)電壓放大倍數(shù)AU0=2105,輸出最大電壓（即Uo(sat))為±13V。在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：－＋＋

u－

u+

uouOu+-u-【解】輸出電壓輸出電壓輸出電壓輸出電壓很好uOu+-u-3.6基本運(yùn)算電路在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放必須工作在線性區(qū)，在深度負(fù)反饋條件下，利用反饋網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。基本運(yùn)算電路包括：比例、加減、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)3.6.1比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算因“虛地”，所以u–=u+=0因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1if

要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–

(5)電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，

ri=R1。共模輸入電壓低。結(jié)論：

(1)Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因為ui加在反相輸入端。

(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。

(3)|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。

(4)因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。【例】

R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，R2應(yīng)為多大？【課堂練習(xí)】電路如圖，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？uORFuiR2R1++––++–例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應(yīng)為多少？【解】1.Auf=–RF

R1=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1k2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u+=ui

平衡電阻R2=R1//RF

(5)電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：

(1)Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因為ui加在同相輸入端。

(2)Auf