集成電路運(yùn)算放大器及應(yīng)用PPT課件

1、15. 1 差動(dòng)放大電路 集成電路集成電路運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。 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 )，輸出端電壓它并不保持恒，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)象就稱為零點(diǎn)漂移。值，而在緩慢地、無(wú)規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱為零點(diǎn)漂移。 產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。 抑制零點(diǎn)漂移有效的措施抑制零點(diǎn)漂移有效的措施之一是采用差動(dòng)放大電路。之一是采用差動(dòng)放大電路。第1頁(yè)/共94頁(yè)2 本

2、節(jié)主要內(nèi)容： 5.1.1 基本差分電路 5.1.2 長(zhǎng)尾式差分電路 5.1.3 長(zhǎng)尾式差分電路的工作原理分析 5.1.4 差分放大電路四種接法的分析與比較第2頁(yè)/共94頁(yè)3特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)對(duì)稱。結(jié)構(gòu)對(duì)稱。差動(dòng)放大電路的工作情況差動(dòng)放大電路的工作情況vi1vi2voRCR1T1RBRCR1T2RB+VCC第3頁(yè)/共94頁(yè)45.1.1 基本差分電路1、基本差分電路的組成 基本差分電路如圖5-1-1和 圖5-1-2。 其工作原理是利用對(duì)稱性來(lái)解決和克服零漂問(wèn)題。 電路左右兩邊對(duì)稱，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)。第4頁(yè)/共94頁(yè)5輸入

3、信號(hào)： 輸出信號(hào)：電壓放大倍數(shù)： 21iiivvv02010vvv2102010iiivvvvvvvA第5頁(yè)/共94頁(yè)6 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 ，此時(shí)，放大電路的輸入電壓為：或：式中，vd稱為差動(dòng)輸入電壓。212122iiiidivvvvvv22211iidivvvv22212iidivvvv第6頁(yè)/共94頁(yè)7 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：或： 21iicvvv2211iicivvvv2212iicivvvv第7頁(yè)/共94頁(yè)8 當(dāng)輸入信號(hào)中既有差模信號(hào)，又有

4、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)的疊加，即 22221211iiiidcivvvvvvv22221212iiiidcivvvvvvv第8頁(yè)/共94頁(yè)9 根據(jù)兩式可得出如下結(jié)論： 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。第9頁(yè)/共94頁(yè)10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？ 解：根據(jù)差模信號(hào)的定義，總的差模輸入信號(hào)為： 由電路的對(duì)稱性可知，每個(gè)輸入端的輸入電壓為：VVVvvviid23

5、521VvvVvvdidi121221第10頁(yè)/共94頁(yè)11Vvvviic4235221第11頁(yè)/共94頁(yè)12 由圖可見，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稱為差模電壓放大倍數(shù)。 對(duì)于共模輸入信號(hào)： 由于電路對(duì)稱，則 AC稱為共模電壓放大倍數(shù)。1212iiidivvvvv01020102vvvvbeLCiidrRRvvvvA)2/(22101021iicivvvv00201vvvo000iiCvvvA3、放大倍數(shù)的計(jì)算：第12頁(yè)/共94頁(yè)133、放大倍數(shù)的計(jì)算： 基本差分放大電路只對(duì)差模輸入信號(hào)進(jìn)

6、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)。 在理想對(duì)稱的條件下，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。第13頁(yè)/共94頁(yè)145.1.2 長(zhǎng)尾式差分電路 前面介紹的基本差分放大電路中，依靠電路對(duì)稱，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。 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。第14頁(yè)/共94頁(yè)15 在基本差分放

7、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。 發(fā)射極電阻RE猶如在基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)，故稱為長(zhǎng)尾式差分電路。 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。 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第15頁(yè)/共94頁(yè)162、長(zhǎng)尾式差分電路的幾種接法（1）雙端輸入雙端輸出 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 稱為雙端輸入雙端

8、輸出電路。 如圖5-1-3所示。第16頁(yè)/共94頁(yè)174.5.2 長(zhǎng)尾式差分電路（2）雙端輸入單端輸出 輸入信號(hào)分別在三極管T1、 T2的基極輸入，但輸出卻 只從T1或T2的集電極單獨(dú) 對(duì)地之間輸出，稱為雙端輸入單端輸出。 如果從T1的集電極輸出，稱為左側(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。 如果從T2的集電極輸出，稱為右側(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。第17頁(yè)/共94頁(yè)184.5.2 長(zhǎng)尾式差分電路（3）單端輸入雙端輸出 輸入信號(hào)只從三極管 T1或T2的基極一端輸 入，從三極管T1和T2 的集電極之間輸出。第18

9、頁(yè)/共94頁(yè)194.5.2 長(zhǎng)尾式差分電路（4）單端輸入單端輸出 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。 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，輸入的差模信號(hào)在圖5-1-5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。第19頁(yè)/共94頁(yè)204.5.3 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

10、的工作原理進(jìn)行分析。1、靜態(tài)分析 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，T1和T2特性相同，則有IC1=IC2、VC1=VC2 得到：V0=VC1-VC2=I0RL=0 (1) I0=0 (2) 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)于開路，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。第20頁(yè)/共94頁(yè)215.1.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 對(duì)于輸入回路： 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) 根據(jù)電路的對(duì)稱性可知，每個(gè)管子的集電極電流為IEQ

11、的一半，即 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第21頁(yè)/共94頁(yè)22 當(dāng)差分放大電路兩輸入端加上任意 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)vid 由于電路的對(duì)稱性使vi均分給兩個(gè)輸入端，即 即在輸出端RL兩端有信號(hào)輸出。221iiivvvcCQccCQciIiiIi21CcC

12、QcCcCQcRiVvRiVv210210CCvvv2、動(dòng)態(tài)分析第22頁(yè)/共94頁(yè)234.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 此時(shí)，在RE上的電流約為， 即RE上的差模交流電流為零。 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， 得：差模交流通路 如圖5-1-9所示。CQccIii221第23頁(yè)/共94頁(yè)244.5.3 長(zhǎng)尾式差分電路 的工作原理分析 差模電壓增益 由于電路對(duì)稱，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。 在雙入雙出時(shí)，兩管基

13、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/LRCLRR第24頁(yè)/共94頁(yè)25 差模輸入電阻： 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： 雙端輸出時(shí)，兩輸出端之間呈現(xiàn)的差模輸出電阻為 beBidrRR 2CodRR2第25頁(yè)/共94頁(yè)26（2）共模分析 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，RE上的電流變化是每個(gè)三極管

14、電流變化的兩倍。 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。 畫出共模信號(hào)作用下的交流通路如圖5-1-13所示。第26頁(yè)/共94頁(yè)27 共模電壓增益 由于電路對(duì)稱，ic1=ic2=ic, 則vc1=vc2 voc=vc1-vc2=0 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。 如果干擾信號(hào)屬于共模信號(hào)，則可以用這種放大電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。000iciccvcvvvA第27頁(yè)/共94頁(yè)28 共模抑制比 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： 雙端輸出時(shí)，Avc=0

15、，KCMR= 通常CMR用dB數(shù)來(lái)表示，即 vcvdCMRAAKvcvdAAdBCMRlg20第28頁(yè)/共94頁(yè)29 共模輸入電阻 由圖5-1-14可見，從輸入端看進(jìn)去的共模輸入電阻為 共模輸出電阻 EbeBicRrRR2121CocRR2第29頁(yè)/共94頁(yè)305.1.4 差分放大電路四種 接法的分析與比較 差分電路四種接法： 雙入雙出 雙入單出 單入雙出 單入單出 前面已經(jīng)對(duì)“雙入雙出”進(jìn)行了分析，下面對(duì)另外三種接法進(jìn)行分析和比較。第30頁(yè)/共94頁(yè)311、雙入單出電路 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，IEQ不變，對(duì)差模

16、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 其中 以上單端輸出又稱為左側(cè)輸出。beBLidvdrRRvvA210LCLRRR 第31頁(yè)/共94頁(yè)321、雙入單出電路 如果從T2管的C極輸出，稱為右側(cè)輸出。 電路的差模輸入電阻為 （由于電路的輸入回路沒(méi)有變） 電路的輸出電阻 beBLvdrRRA21beBidrRR 2CodRR第32頁(yè)/共94頁(yè)331、雙入單出電路 現(xiàn)在來(lái)討論這種電路的溫漂情況， 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。 輸入共模信號(hào)時(shí)，由于T1、T2對(duì)稱， RE上流過(guò)的電流為2I

17、E1，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： 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第33頁(yè)/共94頁(yè)34此電路的共模抑制比為： EbeBLbeBLRrRRrRRvcvdCMRAAK212beBErRR1beBEbeBEbeBrRRrRRrR121221 由上式可見，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)抑制溫漂 越有利。第34頁(yè)/共94頁(yè)351、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=1

18、0k，=100，RB=5k，RE=5k，rbe=1k，RL=10k。 求：Avd，Avc，KCMR。解： 倍7 .411510101002121beBLvdrRRA倍5 . 01010015510021EbeBLvcRrRRA4 .835 . 07 .41vcvdCMRAAKdBAAdBCMRvcvd4 .38lg20第35頁(yè)/共94頁(yè)362、單入雙出電路 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)。 變換后的電路如圖5-1-18所示。 變換為雙端輸入雙端輸出。22222222212121iidciiidciiiidiiicvvvvvvvvvvvvvvvvvv第36頁(yè)

19、/共94頁(yè)372、單入雙出電路 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： 前面已計(jì)算過(guò)雙入雙出的Avc、Avd 其中： Avc=0 ， ，cidicicdidoAvAvAvAvv2beBLvdrRRA2/LCLRRR第37頁(yè)/共94頁(yè)383、單入單出電路 由于單端輸入可等效為 雙端輸入看待。 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。beBidrRR 2CodRR2第38頁(yè)/共94頁(yè)394、差分電路幾種接法的性能比較對(duì)于差模信號(hào)： （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) （2）差模輸出電阻Rod只與輸出方式有關(guān)，而

20、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 （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)。 雙端輸出時(shí)： 其中 單端輸出時(shí)： 其中 （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 第39頁(yè)/共94頁(yè)404、差分電路幾種接法的性能比較對(duì)于共模信號(hào)： （1）共模輸入電阻Ric與輸入方式無(wú)關(guān)，它們都是 （2）共模輸出電阻Roc只與輸出方式有關(guān)。 單端輸出時(shí)：Roc =RC 雙端輸出時(shí)：Roc =2RC EbeBicRrRR1221第40頁(yè)/共94頁(yè)414、差分電路幾種接法的性能比較對(duì)

21、于共模信號(hào)： （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)。 雙端輸出時(shí)：Avc=0 單端輸出時(shí)： 其中EbeBLvcRrRRA12LCLRRR 第41頁(yè)/共94頁(yè)42 （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)。 雙端輸出時(shí)：KCMR= 單端輸出時(shí)： 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。beBEbeBEbeBvcvdCMRrRRrRRrRAAK12124、差分電路幾種接法的性能比較第42頁(yè)/共94頁(yè)43VDA4. 幾種方式指標(biāo)比較幾種方式指標(biāo)比較VCACMRKbeLc)21/(rRR beLc2)/(rRR beLc)21/(rRR beLc2)/

22、(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 第43頁(yè)/共94頁(yè)44idRicRoR4. 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第44頁(yè)/共94頁(yè)45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)稱性；共射極電阻。第45頁(yè)/共94頁(yè)46VCVDCMRAAK雙端輸出，理想情況 KCMR。CMRK可使單端輸出的當(dāng)R

23、e 時(shí)， 但是rbe(1+)VT IEIEVEE2Re rbe 2Re(1+)VT VEEbeBErRR121 恒流源差動(dòng)放大電路第46頁(yè)/共94頁(yè)47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.提供放大電路的射極電流； 2.替代交流大電阻；（提高共模抑制比） 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。第47頁(yè)/共94頁(yè)48 為此由T3構(gòu)成的恒流源，輸出電阻r ro3o3取代Re，由微變等效電路計(jì)算。 oooiur 3第48頁(yè)/共94頁(yè)495.2 復(fù)合管電路 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

24、到較大的電流放大系數(shù)。 1.1.復(fù)合管的組成形式 一般復(fù)合管由兩個(gè)晶體管組成，兩個(gè)晶體管的類型可以相同，也可不同。 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)反向偏置。 復(fù)合管的類型與第一個(gè)晶體管的類型相同。 第49頁(yè)/共94頁(yè)50第50頁(yè)/共94頁(yè)512.2.復(fù)合管的主要參數(shù) 復(fù)合管的主要參數(shù)是等效電流放大系效和等效輸入電阻rbe。 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)是兩管電流放大系數(shù)的乘積，即12。 （a a）(b)(b)兩種接法的復(fù)合管中，T T1 1管是共集電極組態(tài)，而r rbe2be2是T T1 1管的射極電

25、阻，所以復(fù)合管等效輸入電阻為r rbebe= r= rbe1be1 + +（1+1+1 1）r rbe2be2，。 （c）(d)兩種接法的復(fù)合管中, rbe= rbe1。 第51頁(yè)/共94頁(yè)525.3 集成運(yùn)算放大器一. 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)算放大器框圖運(yùn)算放大器框圖第52頁(yè)/共94頁(yè)53 1.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓UIO 輸入電壓為零時(shí)，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(duì)稱性的指標(biāo)。 2.輸入失調(diào)電壓溫漂輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨

26、溫度的變化量與溫度變化量之比值。二. 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)第53頁(yè)/共94頁(yè)54 4.輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO ： 在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。 3.輸入偏置電流輸入偏置電流IIB ： 輸入電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流的大小。 2B1BIB21III 2B1BIOIII 5.輸入失調(diào)電流溫漂輸入失調(diào)電流溫漂dIIO /DT: 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第54頁(yè)/共94頁(yè)55 6.最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uidmax 運(yùn)放兩輸入端能承受的

27、最大差模輸入電壓，超過(guò)此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。 7.最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓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(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第55頁(yè)/共94頁(yè)56 8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ： 無(wú)反饋時(shí)的差模電壓增益。一般Aod在100120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。 9.差模輸入電阻差模輸入電阻rid ： 雙極型管輸入級(jí)約為105106歐姆，場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)可達(dá)109歐姆以上。 10.共模抑制比共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (d

28、B)其典型值在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。 UUUAood第56頁(yè)/共94頁(yè)57三. 集成運(yùn)算放大器的低頻等效電路1.1.低頻等效電路集成運(yùn)放作為完整的獨(dú)立器件，只畫出三個(gè)信號(hào)端，即2 2個(gè)輸入端，1 1個(gè)輸出端。因?yàn)檩斎雞i1與輸出uo反相，所以稱u-端為反相輸入端。而輸入ui2 與電壓uo同相，所以稱 u+端為同相輸入端。ui稱為凈輸入電壓，ii稱為凈輸入電流。u+u- -u0ui+_- - + +A0dUid r0ii第57頁(yè)/共94頁(yè)58 運(yùn)算放大器的符號(hào)中有運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端一個(gè)輸出端。集成運(yùn)放的符號(hào)和傳輸特性集成

29、運(yùn)放的符號(hào)和傳輸特性 u u+ uo 另一個(gè)稱為另一個(gè)稱為反相輸入端，反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反，用符號(hào)性與輸出端相反，用符號(hào)“N N”表示。表示。uPuN+u+u uo 一個(gè)稱為一個(gè)稱為同相輸入端同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)與輸出端相同，用符號(hào)P表示；表示；第58頁(yè)/共94頁(yè)592. 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：開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大Au；輸入電阻為無(wú)窮大ri；輸出電阻為零ro=0，共模抑制比無(wú)窮大KCMR；。第59頁(yè)/共94頁(yè)60預(yù)備知識(shí)：集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)1）. 運(yùn)

30、放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓VCC=10V。 運(yùn)放的Aod=104Ui1mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當(dāng)Aod 時(shí)，線性區(qū)0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)第60頁(yè)/共94頁(yè)612）.理想運(yùn)算放大器：1、開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod=2、差摸輸入電阻 Rid=3、輸出電阻 Ro=04、共摸抑制比 KCMR= 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！3）. 線性區(qū)uu+A+RiiRuu+ffoi11第61頁(yè)/共94頁(yè)624）. 非線性區(qū)（正、負(fù)

31、飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui第62頁(yè)/共94頁(yè)633. 線性應(yīng)用的兩個(gè)重要概念由于uo有限，如果Au，則ui=u+u-0；兩輸入端的電位相等，好象短接了一樣，這一概念稱之為“虛短”。即u+u- 由于ui=0，而ri ，故凈輸入電流ii 0 ，輸入端好象斷開了一樣，但又不是真正的斷開，這一概念稱之為“虛斷”。即ii0 第63頁(yè)/共94頁(yè)64分析線性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念分析線性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念 虛短虛短uuII+ 0 虛斷虛斷 u+IuoAOUiuI+第64頁(yè)/共94頁(yè)655.4 集成電路運(yùn)算放大器的應(yīng)

32、用 “虛短” 和“虛斷”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)。一. 比例運(yùn)算電路1. 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路圖反相比例運(yùn)算電路圖ii= ii - if 0, ii = ifu+= u0， u-端稱為“虛地”。1iiRui FofRuiiFouRRu11RRuuAFioufrif=ui /ii=R1 r0=0 第65頁(yè)/共94頁(yè)66反相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)：特點(diǎn)： 存在“虛地”，共模輸入分量近似為零。 u0與ui成比例關(guān)系,相位相反,比值是RF/R1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。 可以進(jìn)行y=ax的運(yùn)算，運(yùn)算式中的系數(shù)a0。當(dāng)R1=Rf時(shí)，uo=ui，此電路稱

33、為反相器。 由于集成運(yùn)放的開環(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。 R2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)稱性，應(yīng)選擇R2=R1/Rf。 第66頁(yè)/共94頁(yè)672. 2. 同相比例運(yùn)算電路ii=0, 有有 ii=if u-= u+=ui ,有有FofRuuiFoRuuRu11RuiiuRRuFo)1 (111RRuuAFioufi1F1Fou)RR1(u)RR1(u第67頁(yè)/共94頁(yè)68同相輸入運(yùn)算電路特點(diǎn)： u-=u+=ui，引入共模輸入信號(hào)，要求CMR大。 u0與u+成比例關(guān)系,相位相同,比值是(1+RF/R1)1與運(yùn)算放

34、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)R1或Rf=0時(shí)，Auf=1，此時(shí)稱為跟隨器。 同相比例運(yùn)算電路可以進(jìn)行y=ax的運(yùn)算，且運(yùn)算式中的系數(shù)a1。 電路中引入了深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故同相輸入運(yùn)算電路的閉環(huán)輸入電阻和輸出電阻為 rif=ui/ii ， ro=0 R2為平衡電阻，R2=R1/Rf，作用與反相輸入運(yùn)算電路相同第68頁(yè)/共94頁(yè)69二. 加法運(yùn)算電路 ii=0， u+= u- 0 i i1 + i i2 + i i3 = i fFoiiiRuRuRuRu133122111)(313212111iFiFiFouRRuRRuRRu第69頁(yè)/共94頁(yè)70特點(diǎn)： 只調(diào)整某一路的Ri，就

35、可改變?cè)撀返谋壤禂?shù)。 平衡電阻：R2 = R11 / R12 / R13 / RF 反相求和電路可以實(shí)現(xiàn)如下運(yùn)算： y = -(a0 x0+ a1 x1.+an xn), ai0第70頁(yè)/共94頁(yè)71 2. 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：2i21i3321F1ouRuRRR1RRRu221323iiiuuuRRRu）（）（2213321iiuRuRRRuRRuFo)(11)()/)(32213211RuRuRRRRiiF第71頁(yè)/共94頁(yè)72特點(diǎn)：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)

36、式所有系數(shù)項(xiàng)，與反相求和電路比較，同相求和電路調(diào)試比較麻煩。引入共模輸入分量，使同相求和電路的應(yīng)用受到限制。第72頁(yè)/共94頁(yè)73三. 減法運(yùn)算電路采用雙端輸入可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。采用雙端輸入可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。 疊加原理：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)/)()()( 第73頁(yè)/共94頁(yè)74特 點(diǎn) 可以進(jìn)行y=a1x1a2x2的運(yùn)算，故又稱減法運(yùn)算電路。 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)，與反相求和

37、電路比較，同相求和電路調(diào)試比較麻煩。 當(dāng): RF/R1=R3/R2 ，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)算精度的因素與同相輸入運(yùn)算放大電路完全相同。 第74頁(yè)/共94頁(yè)75四. 積分電路與微分電路1. 積分電路 i1 = if ；u-=u+=0 if =ui / R1dtiCuufFco1dtuCRiF11若若ui為恒定電壓，為恒定電壓，uc(0)=0,則則t0, uo uoL 時(shí)，時(shí)，uoL0 tuotRCEEdtRCuFFo1當(dāng)當(dāng)uo=uoL時(shí)，積分作用停止。時(shí)，積分作用停止。第7

38、5頁(yè)/共94頁(yè)762. 2. 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。 第76頁(yè)/共94頁(yè)77五. 測(cè)量放大器根據(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第77頁(yè)/共94頁(yè)78特點(diǎn)：當(dāng)輸入電壓Ui1、Ui2不變時(shí)，調(diào)節(jié)便可調(diào)整輸出電壓UO。此電路具有

39、非常高的輸入電阻，對(duì)被測(cè)量的影響很小。當(dāng)電路其它參數(shù)一定時(shí)，輸出電壓正比于Ui1與Ui2的差值。第78頁(yè)/共94頁(yè)79六. 電壓比較器電壓比較器是用來(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。作為電壓比較器時(shí)，集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)。由于其自身的電壓放大倍數(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能：當(dāng)u+u-時(shí)，輸出高電位UOH，其極性為正，數(shù)值接近正電源電壓值；當(dāng)u+u-時(shí)，輸出低電位UOL，其極性為負(fù)，數(shù)值接近負(fù)電源電壓值。第79頁(yè)/共94頁(yè)80 工作時(shí)，電壓比較器的一個(gè)輸入端輸入基準(zhǔn)電壓UB，另一端則輸入要與基準(zhǔn)電壓

40、進(jìn)行比較的電壓ui。 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)、自動(dòng)控制、波形變換等方面。 第80頁(yè)/共94頁(yè)811. 單門限電壓比較器1）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。 設(shè)輸入電壓設(shè)輸入電壓ui=Umsint，電壓比較器將輸入的連續(xù)變電壓比較器將輸入的連續(xù)變化量（模擬量）變成躍變的化量（模擬量）變成躍變的矩形波（數(shù)字量）輸出。矩形波（數(shù)字量）輸出。 從電壓比較器的工作原理可從電壓比較器的工作原理可以看出，輸出電壓的大小僅以看出，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的大小有關(guān)，而與輸入電壓的大小有關(guān)，而與輸入電壓的

41、波形無(wú)關(guān)。與輸入電壓的波形無(wú)關(guān)。 第81頁(yè)/共94頁(yè)822） 非零電壓比較器 u+ =UB，u-=ui ，當(dāng)ui UB時(shí)，uo=UOH，當(dāng)ui UB時(shí)，uo=UOL。 單門限電壓比較器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。 此類比較器設(shè)置了一個(gè)門限UB ，不管輸入電壓增加還是減小,經(jīng)過(guò)此門限時(shí)，電路都要產(chǎn)生動(dòng)作，因此這類比較器的抗干擾能力差。為了克服這一缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中常采用多門限電壓比較器。 第82頁(yè)/共94頁(yè)832. 遲滯比較器 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，而且還給電路提供了兩個(gè)不同極性的參考電壓，即設(shè)置兩個(gè)門限值，使輸入電壓增加時(shí)的門限值與輸入電壓減小時(shí)的門限值不同，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，產(chǎn)生回環(huán)，提高電路的抗干擾能力。 第83頁(yè)/共94頁(yè)841 1）反相輸入遲滯比較器 工作在非線性放大區(qū)，uo=UZ， u+=u-= UB=uoR2 /(R2+R3) = UZR2 /(R2+R3)= ui (門限值 )。 設(shè)ui很小，uo輸出高電位UOH=+UZ，此時(shí)參考電位UB+= UZR2 /(R2+R3) ，隨著ui增加，只要ui