集成運(yùn)算放大器課件

CHAP.5

IntegratedOperationalAmplifierandApplicationsCHECKPOINT集成運(yùn)算放大器的組成、特點(diǎn)。分析差分放大器的性能。分析OCL(OTL)功率放大電路的輸出功率和效率。集成運(yùn)算放大器在線性和非線性應(yīng)用時(shí)的基本概念和分析依據(jù)。集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路。用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成濾波電路。IntegratedOperationalAmplifier高增益的直流放大器差分放大器多級(jí)放大器輸出級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)－＋輸入端輸出端§5.1BasicCircuitStructure

偏置電路中間級(jí)要求：較高的電壓放大倍數(shù)，通常采用有源

負(fù)載的共發(fā)射極放大電路。輸出級(jí)要求：輸出電阻小，輸出足夠的功率，通常采用互補(bǔ)對(duì)稱推挽功率放大電路。偏置電路要求：為上述各級(jí)電路提供穩(wěn)定、合適的

靜態(tài)工作電流點(diǎn)，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。輸入級(jí)要求：零點(diǎn)漂移小、輸入電阻高，通常采

用差分放大電路。1.CurrentSourceCircuit

5.1.1ImageCurrentSource作用提供穩(wěn)定的直流偏置。作為有源負(fù)載，用于提高放大器的增益。Rr由兩個(gè)性能上完全配對(duì)的晶體管和一個(gè)電阻Rr組成2.ImageCurrentSourceR2R1R2R1R3R4

5.1.2.InputStageDifferentialAmplifiersUo－＋2ReUO2T2Rc＋Ui2＋－-UEE2ReRc+UccUi1＋－－T1＋UO1Ui－＋雙端輸入單端輸入雙端輸出單端輸出Ui=0時(shí)，Uo=0。Ui1=-Ui2=Ui/2；放大差模信號(hào)。Ui1=Ui2=Uic；抑制共模信號(hào)。特點(diǎn)RWb.ACAnalysis1.Differential-ModeSignalRcUid1＋－－T1＋UOd1RcUid2＋－－T2＋UOd2UOd－＋Uid＋－差模信號(hào)－幅度相等、相位相反的一對(duì)輸入信號(hào)即Uid1=-Uid2，Uid=Uid1-Uid2=2Uid1=-2Uid2

RcUid1＋－－T1＋UOd1RcUid2＋－－T2＋UOd2UOd－＋Uid＋－加

RLRL雙端輸出時(shí),RL的中點(diǎn)電位為差模地端,每管負(fù)載為RL/2RcUid1＋－－T1＋UOd1RcUid2＋－－T2＋UOd2UOd－＋Uid＋－RL加

RbRbRb加

RW1/2RW1/2RW2.Common-ModeSignal共模信號(hào)－幅度相等、相位相同的一對(duì)輸入信號(hào)即UiC1=UiC2，UiC=UiC1=Uid2RcUiC1＋－－T1＋UOC1RcT2－＋UOC2＋－UiC2UiC＋－2Re2ReUOC＋－3.Common-ModeRejectionRationKCMRKCMR是衡量差分放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力和對(duì)

共模信號(hào)的抑制能力。其定義為差模放大倍數(shù)

與共模放大倍數(shù)之比的絕對(duì)值。KCMR越大，差分放大器分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，

受共模信號(hào)的影響就越小。雙端輸出時(shí):Auc=0，KCMR→∞(一般在80～120dB)。單端輸出時(shí)：用dB表示用恒流源代替Re，它具有小的直流電阻、大的交流電阻，可大大提高共模抑制比。RCRCR1R2R3等效Re≈∞Example1

雙端輸入–雙端輸出差分放大器中，已知：UCC=12V，UEE=12V，

Rb=20KΩ，Rc=10KΩ，β=50，Re=10KΩ，RW=100Ω，RL=20KΩ。試求電路靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ1、UCQ1，和雙端輸出的差模增益Aud。EWB上的仿真結(jié)果靜態(tài)動(dòng)態(tài)Example2

上例中設(shè)RL=10KΩ，并改為單端輸入、單端輸出，其它條件不變。試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ1和單端輸出的差模增益Aud1。ReT－O1RWTRbRL-U2EEURb1Rc+Ucc＋－Rc＋UiT3、T4組成的

恒流源電路作

為T1、T2組成

的差動(dòng)放大器

的集電極電阻，

并具有雙端變

單端的作用。四.OutputStage要求：在保證功率管安全工作條件下，高效率地輸出盡可能大、失真在允許范圍的功率。FrequencyLFPowerAMPHFPowerAMPDeviceVacuumtubeTransistorICOperatingStateClassAClassBClassCSwitchStateTransformerComplementaryOCLOTLBTLTransistorClassBLFPowerAMPComplementaryPowerAmplifierOperatingStateofAmplifierIB10

uCE1iC1IB2IB4IB30ACLoadlineQ1Q1ClassAQ2Q2ClassBQ3Q3ClassABQ4Q4ClassC二.Properties單電源供電計(jì)算公式中Ucc用Ucc/2代入U(xiǎn)CCQ-UCCQACloadLineACloadLineIcm0T/2UomT1導(dǎo)通T/2TT2導(dǎo)通IB1IB10

uCE1iC10

iC2uCE2IB2IB4IB3IB5IB2IB4IB3IB5T1截止T2截止三.SafeoperatingofPowerTransistor安全工作Example：3DD3D的參數(shù)為：PCM=1W，UCEO=30V，ICM=0.3A，

用它組成乙類推挽功放電路，計(jì)算可輸出的最大功率。最大可輸出2.25W功率四.MainParameters集電極最大允許電流ICM

1.電流放大系數(shù)β：2.極間反向電流：ICMUCEOPCM4.頻率參數(shù)：f103.極限參數(shù)：反向擊穿電壓UCEOUCBO

集電極最大允許功耗PCM時(shí)五.PracticalCircuits管子配對(duì)充分激勵(lì)過載保護(hù)交叉失真解決加偏置采用復(fù)合管交流負(fù)載大于直流負(fù)載二極管保護(hù)CrossoverDistortion+Ui-+Uo-信號(hào)幅度一致R并電容恒流源代R3溫度穩(wěn)定性R恒壓偏置二極管代R加負(fù)反饋恒壓偏置+Ui-+Uo-R1負(fù)反饋EnoughExcitation自舉電路ProtectionCircuitsPracticalCircuitRW2=22ΩRW2=132Ω0u+-u－

uo

-UOMUOM

§5.2BasicCircuitofOP-AMP5.2.1.BasicCharactersofOP-AMPuo=Aud(u+-u-)I+運(yùn)放電壓傳輸特性理想特性Aud=∞

rid=∞

ro=0KCMR=∞IdealOPAMPAnalysisofIdealOPAMP非線性工作區(qū)正飽和電壓負(fù)飽和電壓狀態(tài)反轉(zhuǎn)線性工作區(qū)(深度負(fù)反饋)I+uo=Aud(u+-u-)虛短虛斷5.2.2.三種基本運(yùn)算電路

一、InvertingAmplifierFEATURES信號(hào)加在反相輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)接在反相輸入端虛地=R1//RF二.Non-invertingAmplifierFEATURES信號(hào)加在同相輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)接在反相輸入端共模輸入ui1uo∞

++-R3R2RFi1R1減法電路ifui2三、差分比例運(yùn)算電路當(dāng)兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入時(shí)，即為差動(dòng)輸入，可進(jìn)行減法運(yùn)算

由于電路存在共模電壓，為了保證運(yùn)算精度，應(yīng)當(dāng)選用共模抑制比較高的運(yùn)算放大器。

Example1

由理想運(yùn)算放大器組成的電路中，當(dāng)輸入信號(hào)ui

=

4Sinωt(V)時(shí)，畫出輸出信號(hào)uo的瞬態(tài)波形。6tuo(V)Example2由理想運(yùn)算放大器組成的電路中，已知ui1=-2V，ui2=5V，ui3=5V，ui4=-10V，計(jì)算uo。5.3APPLIEDCircuitsofOP-AMP5.3.1加法運(yùn)算

i13ui3uo∞

++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路在反相端輸入若干路信號(hào)，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路

由此得當(dāng)時(shí)，再若，則5.3.2積分和微分運(yùn)算電路ui1uo∞

++-R2CFi1R1積分電路ifuc當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，uiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot1積分運(yùn)算電路

例:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。(a)階躍輸入信號(hào)(b)方波輸入信號(hào)積分器的輸入和輸出波形圖2.微分運(yùn)算

ui1uo∞

++-R2C1i1微分電路ifucRF微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算，當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，輸出為尖脈沖電壓。微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。(波形如右圖)uiUuooottuoui1∞

++-R2C1icPD調(diào)節(jié)器iRRF右圖是在控制系統(tǒng)中使調(diào)節(jié)過程加速的比例—微分調(diào)節(jié)器（PD調(diào)節(jié)器）。5.3.3電壓-電流變換器電壓-電流變換器電壓-電流變換器圖由圖可知所以輸出電流與輸入電壓成比例。

電壓-電流和電流-電壓變換器廣泛應(yīng)用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的電子電路。電流-電壓變換器由圖可知：可見輸出電壓與輸入電流成比例，輸出端的負(fù)載電流：若RL固定，則輸出電流與輸入電流成比例，此時(shí)該電路也可視為電流放大電路。電流-電壓變換電路圖5.3.4交流放大電路（a）反相輸入交流放大電路

（b）同相輸入交流放大電路。

5.3.5精密整流流電路半波精密整流電路

輸入、輸出波形

傳輸特性

5.3.6有源濾波器濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)作用：選頻。一、濾波電路的種類：低通濾波器LPF高通濾波器HPF帶通濾波器BPF帶阻濾波器BEF有源濾波器的頻響濾波器也可以由無源的電抗性元件或晶體構(gòu)成，稱為無源濾波器或晶體濾波器。

濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號(hào)中無用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。

濾波過程uiuo∞

++-RC有源低通濾波器ucRFR1如圖為有源低通濾波器。o幅頻特性(b)MagnitudeVersus-FrequencyAu(ω)Aum21Aum0ωoω(a)CircuitR

∞

－+Δ+RFR1Cuoui1.一階低通濾波器高通濾波器和低通濾波器一樣，有一階和高階濾波器。將低通濾波器中的電阻R和電容C對(duì)調(diào)即成為高通濾波器。二階低通有源濾波器R

∞

－+Δ+RFR1CuouiRC一階有源低通濾波器的濾波效果不夠理想，采用二階或高階有源濾波器可明顯改善濾波效果。AuAum21Aum0ωoω一階二階

幅頻特性2.高通濾波電路33K開關(guān)電容濾波器

開關(guān)電容是模擬開關(guān)與電容的組合，在時(shí)鐘信號(hào)控制下，完成電荷的存貯和轉(zhuǎn)移。時(shí)鐘控制：S1、S2同時(shí)閉合，然后同時(shí)斷開，S3、S4同時(shí)閉合。開關(guān)電容相減器開關(guān)電容積分器假定運(yùn)算放大器是理想的，S1、S2分別受時(shí)鐘Φ1、Φ2控制，在某一瞬間閉合，且初始狀態(tài)Uc1=Uc2。t=0

時(shí)刻，S1受時(shí)鐘Φ1

控制而合上，Ui

向電容C1

充電，UC1充得電壓為

V，然后S1，S2

斷開，

當(dāng)t

=

5us

時(shí)，S2受時(shí)鐘Φ2控制而合上。根據(jù)

可求出，Φ2Φ15.4.1集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOMuOuP-uNO-UOM集成運(yùn)放的電壓傳輸特性在電壓比較器中，集成運(yùn)放不是工作在開環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。5.4電壓比較器uRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài)，uR是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電壓有微小差值時(shí)，輸出信號(hào)便會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線性—飽和區(qū)。參考電壓等于零時(shí)，稱為過零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuR5.4.2單限比較器當(dāng)uI<0時(shí)，uO=+

UOM；當(dāng)uI>

0時(shí)，uO=-

UOM；UOM為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiu