集成運(yùn)算放大器的組成

1、CHECKPOINT差分放大器差分放大器多級(jí)放大器多級(jí)放大器輸出級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)輸入端輸入端輸出端輸出端Basic Circuit Structure偏置電路 ? + + 同相輸入端 反相輸入端 uo u u+ - -+u-u+uo Circuit Symbol1. Current Source Circuit 5.1.1 Image Current Source作用作用提供穩(wěn)定的直流偏置。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。作為有源負(fù)載，用于提高放大器的增益。2C1CrBEQCCrIIRUUI Rr由兩個(gè)性能上完全配對的由兩個(gè)性能上完全配對的晶體管和一個(gè)電阻晶體管和一個(gè)電阻

2、RrRr組成組成2. Image Current Source1C1rBEQCCrIRRUUI R2R121r2CRRII R2R1R3R4UoUo2R2Re eU UO2O2T T2 2RcRcU Ui2i2-U-UEEEE2R2Re eRcRc+Ucc+UccU Ui1i1T T1 1U UO1O1U Ui iUi=0時(shí)，時(shí)，Uo=0。 Ui1=-=-Ui2= =Ui/2 2；放大差模信號(hào)放大差模信號(hào)。Ui1= =Ui2= =Uic；抑制共模信號(hào)抑制共模信號(hào)。特點(diǎn)特點(diǎn)RWeEEeBEQEE1CQR2UR2UUI -U-UEEEE2Re2ReRcRc+Ucc+UccU Ui1i1T T1 1

3、U UO1O1UoUo2R2Re eU UO2O2T T2 2RcRcU Ui2i2U Ui ieEEeBEQEE1CQR2UR2UUI a.a. DC Analysis加加RbC1CQCC1CQRIUU RbRbb. AC Analysisu1id1odidodudAU2U2UUA beCurRA beidr2r 1. Differential-Mode SignalRcUid1T1UOd1RcUid2T2UOd2UOdUid差模信號(hào)差模信號(hào) 幅度相等、相位相反的一對輸入信號(hào)幅度相等、相位相反的一對輸入信號(hào)即即 U Uid1id1= -U= -Uid2id2 ，U Uidid= U= Uid

4、1id1-U-Uid2id2=2U=2Uid1id1=-2U=-2Uid2id2 CoR2r 1EQbeImV26)1(300r ud2ud1udA21AA RcRcU Uid1id1T T1 1U UOd1Od1RcRcU Uid2id2T T2 2U UOd2Od2U UOdOdU Uidid加加 R RL LbeLurRA beidr2r CoR2r 2R/RRLCL R RL L雙端輸出時(shí)雙端輸出時(shí), R, RL L的中點(diǎn)電位為差模地端的中點(diǎn)電位為差模地端, , 每管負(fù)載為每管負(fù)載為 R RL L/2/2bebLurRRA )rR(2rbebid CoR2r RcRcU Uid1id1

5、T T1 1U UOd1Od1RcRcU Uid2id2T T2 2U UOd2Od2U UOdOdU UididR RL L加加 R Rb bRbRb加加 R RW W1/2RW1/2RW2R)1(rRRAWbebLu 2R)1(rR 2rWbebid CoR2r 2. Common-Mode Signalu1ic1ocic1oc1ucAUUUUA 021icococicocucUUUUUAeCebebC1ucR2RR)1(2rRRA 共模信號(hào)共模信號(hào) 幅度相等、相位相同的一對輸入信號(hào)幅度相等、相位相同的一對輸入信號(hào)即即 U UiC1iC1= U= UiC2iC2 ，U UiCiC= U=

6、UiC1iC1=U=Uid2id2RcRcU UiC1iC1T T1 1U UOC1OC1RcRcT T2 2U UOC2OC2U UiC2iC2U UiCiC2R2Re e2R2Re eU UOCOC2uc1ucAA 3. Common-Mode Rejection Ration KCMRucudCMRAAK bee1uc1udCMRrRAAK K KCMR CMR 是衡量差分放大器對差模信號(hào)的放大能力和對是衡量差分放大器對差模信號(hào)的放大能力和對 共模信號(hào)的抑制能力。其定義為差模放大倍數(shù)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)之比的絕對值與共模放大倍數(shù)之比的絕對值。K KCM

7、R CMR 越大，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。共模信號(hào)的影響就越小。雙端輸出時(shí)雙端輸出時(shí):Auc:Auc=0=0，K KCMRCMR(一般在一般在8080120dB)120dB)。單端輸出時(shí)：單端輸出時(shí)：)dB(AAlg20KucudCMR 用dB表示 用恒流源代替Re，它具有小的直流電阻、大的小的直流電阻、大的交流電阻，可大大提高共模抑制比。交流電阻，可大大提高共模抑制比。VKKKVUR221162mA3 . 1K1)on(VV2IBE3CQ mA65. 02III3CQ2CQ1CQ V86. 365. 03 . 36U1CQ V56. 4)V7 . 0

8、(86. 3UUUEC1CEQ RCRCR1R2R3等效等效ReRe112121122icidiiiiiUUUUUUU222121222)(icidiiiiiUUUUUUUmA6 . 0K20V12R2UIeEE1CQ 102R)1(rRRAWbebLud V6RIV12UCCQ1CQ K4 .2ImV26)1(200rEQbe K52R/RRLCLEWB上的仿真結(jié)果mA6 . 0K20V12R2UIeEE1CQ K5R/RRLCL52R)1(rR2RAWbebL1ud ReTO1RWTRbRL-U2EEURb1Rc+UccRcUiT3T3、T4T4組成的組成的恒流源電路作恒流源電路作為為T1

9、T1、T2T2組成組成的差動(dòng)放大器的差動(dòng)放大器的集電極電阻，的集電極電阻，并具有雙端變并具有雙端變單端的作用。單端的作用。OCL OTL BTLOperating State of AmplifierIB1 0 uCE1iC1IB2IB4IB30AC Load lineQ1Q1 Class AQ2Q2 Class BQ3Q3 Class ABQ4Q4 Class C一一. . Basic Circuit Push-Pull Complementary Power AMPO C L CC Circuit假設(shè)UBE(on)=0O T LUUUU二二. .PropertiesLCCLomORURUP

10、2222121L2CCDCRU2P CComUU 4PPDCO 單電源供電單電源供電計(jì)算公式中計(jì)算公式中U Ucccc用用U Ucccc/2/2代入代入ODCCPPP UCCQ- -UCCQAC load LineAC load LineIcmIcm0 T/20 T/2UomUomT1導(dǎo)通T/2 TT/2 TT2導(dǎo)通IB1IB1 0 uCE1iC10 iC2uCE2IB2IB4IB3IB5IB2IB4IB3IB5T1截止T2截止LCCORUP2221L2CCDCRU2P 4PPDCOCComUU ODCCPPP L2CCmaxoRU21P PO PDC PCPomax0.4Pomax0.636

11、0.6361 11.27Pomax%5 .784max maxomaxcP2 . 0P 每管每管Example： 在雙電源供電的在雙電源供電的OCLOCL電路中，已知電路中，已知U UCCCC= =20V20V，R RL L=8=8。試求。試求(1)(1)輸出信號(hào)輸出信號(hào)U Uomom=10V=10V時(shí)的時(shí)的P PO O、P PDCDC、。(2)U(2)UCESCES=1V=1V時(shí)的時(shí)的P PO O 、P PDCDC、。(3)(3)電路最大電路最大的的P PO O 、P PDCDC、。 Po=6.25W Po=6.25W(1)=0.5 P(1)=0.5 PDCDC=15.92W=15.92W

12、=39.25% =39.25% Po=25W Po=25W(3)=1 P(3)=1 PDCDC=31.75W=31.75W =78.5% =78.5% Po=22.56W Po=22.56W(2)=0.95 P(2)=0.95 PDCDC=30.25W=30.25W =74.58% =74.58%三三. .Safe operating of Power Transistor安全工作安全工作CMmaxomaxcPP2 . 0P CEOCCmaxCEUU2u CMCmmaxCIIi CM2maxoP5P CMCEO1maxoIU41P Example：3DD3D3DD3D的參數(shù)為：的參數(shù)為：P P

13、CMCM=1W=1W，U UCEOCEO=30V=30V，I ICMCM=0.3A=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。用它組成乙類推挽功放電路，計(jì)算可輸出的最大功率。W25. 23 . 03041IU41PCMCEO1maxo W5P5PCM2maxo 最大可輸出最大可輸出2.25W2.25W功率功率四四. Main Parameters集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM QBIIC QBCII 1.1.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)：2.2.極間反向電流極間反向電流：ICM UCEOPCM4.4.頻率參數(shù)頻率參數(shù)： fTfCBOICBOCEOII)1( f 0 0

14、707. 0 f1 10 0Tf3.3.極限參數(shù)極限參數(shù)： 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UCEO UCBO 集電極最大允許功耗集電極最大允許功耗PCM ff時(shí)時(shí)ff)f (T 五五. . Practical Circuits管子配對管子配對充分激勵(lì)充分激勵(lì)過載保護(hù)過載保護(hù)交叉失真交叉失真Crossover Distortion+ +UiUi- -+ +UoUo- -信號(hào)幅度一致信號(hào)幅度一致R并電容并電容恒流源代恒流源代R3溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性恒壓偏置恒壓偏置二極管代二極管代R加負(fù)反饋加負(fù)反饋恒壓偏置+ +UiUi- -+ +UoUo- -R1負(fù)反饋?zhàn)耘e電路Practical CircuitR RW

15、2W2=22=22R RW2W2=132=1320u+-u uo -UOMUOM uo=Aud(u+-u- -)-+u-u+uoI I+運(yùn)放電壓傳輸特性理想特性uuuuuu非線性工作區(qū)非線性工作區(qū)正飽和電壓正飽和電壓負(fù)飽和電壓負(fù)飽和電壓狀態(tài)反轉(zhuǎn)狀態(tài)反轉(zhuǎn)線性工作區(qū)線性工作區(qū)( (深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋) )-+u-u+uoI I+uo=Aud(u+-u- -)0Iuu虛短虛短虛斷虛斷.2.2. 三種基本運(yùn)算電路三種基本運(yùn)算電路一一、Inverting Amplifier1FuRRA FEATURESi1FOURRU -+-UiUoRFR1R2uun 信號(hào)加在反相輸入端信號(hào)加在反相輸入

16、端n 反饋網(wǎng)絡(luò)接在反相輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)接在反相輸入端 n 虛地虛地0uu =R1/RF二二. . Non-inverting Amplifier1F1uRRRA i1F1OURRRU -+UiUoRFR1R2uuFEATURESn 信號(hào)加在同相輸入端信號(hào)加在同相輸入端n 反饋網(wǎng)絡(luò)接在反相輸入端反饋網(wǎng)絡(luò)接在反相輸入端n 共模輸入共模輸入iuuu ui1uo +-R3R2RFi1R1減法電路ifui2三、差分比例運(yùn)算電路三、差分比例運(yùn)算電路 當(dāng)兩個(gè)輸入端都有信號(hào)當(dāng)兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入時(shí)，即為差動(dòng)輸入，可輸入時(shí)，即為差動(dòng)輸入，可進(jìn)行減法運(yùn)算進(jìn)行減法運(yùn)算 1111111-RRRuuuRiuuFoiii

17、1123231o)1 (iFiFuRRuRRRRRu3322-RRRuui時(shí)且當(dāng)321RRRRF)(121oiiFuuRRui121uuuRRAioFu則 由于電路存在共模電壓，為了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。比較高的運(yùn)算放大器。 Example 1 由理想運(yùn)算放大器組成的電路中，當(dāng)由理想運(yùn)算放大器組成的電路中，當(dāng)輸入信號(hào)輸入信號(hào)ui = 4Sint(V)時(shí)，畫出輸出信號(hào)時(shí)，畫出輸出信號(hào)u uo o的瞬態(tài)的瞬態(tài)波形波形。-+Ui6K4K2.4K-+Uo1K1K0.5K3V6t tu uo(Vo(V) )-+ui16K

18、6K1.7K-+uo10K5K10Kui24K5Kui3ui4OuExample 2 由理想運(yùn)算放大器組成的電路中，已由理想運(yùn)算放大器組成的電路中，已知知ui1=-2V，ui2=5V，ui3=5V，ui4=-10V，計(jì)算，計(jì)算u uo o。2O1OOuuu V5V)66(5uV3V)46(2u2O1O 431oooOuuuu1 10 0V VV V5 51 10 05 51 10 05 55 51 10 0u u1 10 0V VV V5 51 10 05 51 10 05 51 10 05 5u u4 4V V) )V V5 51 10 0( (2 2u u0 04 40 03 3O O1

19、1V2V5V3uO .1加法運(yùn)算加法運(yùn)算 i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路 在反相端輸入若干路信在反相端輸入若干路信號(hào)，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路號(hào)，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路 131211fiiii)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRuFofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，F(xiàn)RR 1再若再若，則，則)(3211oiiiFuuuRRu)(321oiiiuuuu5.3.2 5.3.2 積分和微分運(yùn)算電路積分和微分運(yùn)算電路 dtuCRdtiCuuiFfF1c

20、o110-uui1uo +-R2CFi1R1積分電路ifuc1if1Ruii當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，tCRUuFi1ouiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot1 1 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路 例例: :畫出在給定輸入波畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸形作用下積分器的輸出波形。出波形。(a) 階躍輸入信號(hào)階躍輸入信號(hào)(b)方波輸入信號(hào)方波輸入信號(hào) 積分器的輸入和輸出波形圖積分器的輸入和輸出波形圖2. 2. 微分運(yùn)算微分運(yùn)算 ui1uo +-R2C1i1微分電路ifucRF微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算，微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算，dtduCdtduCii1c11 當(dāng)輸入信號(hào)

21、為階躍電當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，輸出為尖脈沖電壓。壓時(shí)，輸出為尖脈沖電壓。微分電路穩(wěn)定性不高，用得微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。較少。(波形如右圖)dtduCRRiRiuiFFF11fouiUuooottuoui1 +-R2C1icPD調(diào)節(jié)器iRRF 右圖是在控制系統(tǒng)中使右圖是在控制系統(tǒng)中使調(diào)節(jié)過程加速的比例調(diào)節(jié)過程加速的比例微分微分調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器（PDPD調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器）。5.3.3 5.3.3 電壓電壓- -電流變換器電流變換器電壓電壓- -電流變換器電流變換器電壓電壓- -電流變換器圖電流變換器圖由圖可知由圖可知i1iLO11i=uRiiiRiu1或所以輸出電流與輸入電壓成比例所以輸出

22、電流與輸入電壓成比例。 電壓電壓- -電流電流和和電流電流- -電壓電壓變換器廣泛應(yīng)變換器廣泛應(yīng)用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用于放大電路和傳感器的連接處，是很有用的電子電路。用的電子電路。 電流電流-電壓變換器電壓變換器由圖可知：由圖可知：fSO=Riv 可見輸出電壓與輸入可見輸出電壓與輸入電流成比例，輸出端的負(fù)電流成比例，輸出端的負(fù)載電流：載電流：SLfLfSLOO=iRRRRiRvi 若若 R RL L 固定，則輸出電流與輸入電流成比例，固定，則輸出電流與輸入電流成比例，此時(shí)此時(shí)該電路也可視為電流放大電路。該電路也可視為電流放大電路。電流電流-電壓變換電路圖電壓變換電路圖5.3.4

23、 5.3.4 交流放大電路交流放大電路（a a）反相輸入交流放大電路）反相輸入交流放大電路 （b b）同相輸入交流放大電路。）同相輸入交流放大電路。 Fuf1RAR Fuf11RAR 5.3.5 5.3.5 精密整流流電路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 5.3.6 有源濾波器有源濾波器濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)作用：選頻。作用：選頻。一、濾波電路的種類：一、濾波電路的種類：低通濾波器低通濾波器LPF高通濾波器高通濾波器HPF帶通濾波器帶通濾波器BPF帶阻濾波器帶阻濾波器BEF 有源濾波器的頻響有源濾波器的頻響 濾波器也可以濾波器也可以由無源的電抗

24、性元由無源的電抗性元件或晶體構(gòu)成，稱件或晶體構(gòu)成，稱為無源濾波器或晶為無源濾波器或晶體濾波器。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。濾波過程如圖所示一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。 濾波過程濾波過程uiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR1如圖為有源低通濾波器。有源低通濾波器。CjCjRUUUic 11RCjUi 1URRUFo)1 (1011/1/11/1 jRRRCjRRUUAFFioufRCfRC 21100或20

25、ufAo0 幅頻特性20/111 RRFufA (b)Magnitude Versus-Frequency Au()Aum21Aum0oRCj1UUCj1RCj1UUiiC RCj1URR1URR1Ui1F1Fo (a) Circuit R +RFR1 Cuoui1. 一階低通濾波器一階低通濾波器oum1Fiouj1ARCj11RR1UUA 2oumu1AA 式中：1FmuRR1A 為通頻帶放大倍數(shù) RC1o 稱為截止角頻率 電壓放大倍數(shù)的幅頻特性為： 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對調(diào)即成為高通濾波器。二階低通有源濾波器R +RFR1Cuoui

26、RC 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。 AuAum21Aum0o一階二階 幅頻特性Uo8.2K1000pF+-+-UiA1A21000pF8.2K8.2K8.2K8.2K33K 開關(guān)電容是模擬開關(guān)與電容的組合，在時(shí)鐘開關(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。信號(hào)控制下，完成電荷的存貯和轉(zhuǎn)移。時(shí)鐘控制：時(shí)鐘控制：S S1 1、S S2 2同時(shí)閉合，然后同時(shí)斷開，同時(shí)閉合，然后同時(shí)斷開， S S3 3、 S S4 4 同時(shí)閉合。同時(shí)閉合。開關(guān)電容相減器開關(guān)電容相減器S S3 3S S1 1C CS S2 2S S4 4

27、U Ui in n1 1U Ui in n2 2U Uo ou ut t= =U Ui in n1 1- -U Ui in n2 2- -+ +S S1 1S S2 2C C2 2C C1 1U Uo oU Ui i+ + +- - -+ +- -A A開關(guān)電容積分器開關(guān)電容積分器 假定運(yùn)算放大器是理想的，假定運(yùn)算放大器是理想的，S S1 1、S S2 2分別受時(shí)鐘分別受時(shí)鐘1 1、2 2控制，在某一瞬間閉合，且初始狀態(tài)控制，在某一瞬間閉合，且初始狀態(tài)UcUc1 1=Uc=Uc2 2。t=0t=0 時(shí)刻，時(shí)刻，S S1 1受時(shí)鐘受時(shí)鐘1 1 控制而合上，控制而合上，Ui 向電容向電容C1 充電

28、，充電， U UC1C1充得電壓充得電壓為為 V V，然后，然后S S1 1，S S2 2 斷開，斷開，當(dāng)當(dāng)t t = = 5us5us 時(shí)，時(shí)，S S2 2受時(shí)鐘受時(shí)鐘2 2控制而合上。根據(jù)控制而合上。根據(jù) 可求出可求出 ，dtduCicc VCCu212c VCCu21o U UiV V= =1 1V Vt t( (u us s) )t t( (u us s) )t t( (u us s) )0 10 20 30 40 505 15 25 35 45U Uc1U UoVCCU21215.4.1 集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOMuOuP uN NO UOM集成運(yùn)放的電壓傳

29、輸特性集成運(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)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。狀態(tài)，就是工作在正反饋。5.4 電壓比較器電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1ui 運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài)，運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài)，u uR R是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電是參考電壓，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)放工作于非會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線性線性飽和區(qū)。飽和區(qū)。 參考電壓等于零時(shí)，稱為參考電壓等于零時(shí)，稱為過零比較器過零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性uouiuR5.4.2單限比較器單限比較器當(dāng)當(dāng) uI 0 時(shí)，時(shí)，uO = - - UO