第16章集成運(yùn)算放大器

1、 集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。一種模擬集成電路。集成電路集成電路 是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個(gè)不組成一個(gè)不可分的整體。可分的整體。：體積小、重量輕、功耗低、可體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低?？啃愿摺r(jià)格低。按集成度按集成度按導(dǎo)電類(lèi)型按導(dǎo)電類(lèi)型按功能按功能小、中、大和超大規(guī)模小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容雙

2、、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬各類(lèi)型號(hào)集成芯片各類(lèi)型號(hào)集成芯片Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 幾十幾十 幾百幾百 KCMR高高: 70dB130dB 1. 元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱(chēng)性好；元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱(chēng)性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；源代替，電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感容、電感 和變壓器均需外接；和變壓器均需外接； 4. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。二極管多用三極

3、管的發(fā)射結(jié)代替。+UCCUEEuu+輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端 輸入級(jí)：輸入級(jí)：采用帶恒流源的采用帶恒流源的差分放大差分放大電路，輸入電阻高，能減電路，輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)。小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)。 中間級(jí)：中間級(jí)：常用帶恒流源的常用帶恒流源的共發(fā)射極放大共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，電壓放大電路構(gòu)成，電壓放大倍數(shù)高。倍數(shù)高。 輸出級(jí)：輸出級(jí)：一般由一般由互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路或或射極輸出器射極輸出器構(gòu)成，輸出電阻構(gòu)成，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 偏置電路偏置電路：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決

4、定各級(jí)：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決定各級(jí)Q Q。運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端+UCCUEEuo+uu +Auo信號(hào)傳信號(hào)傳輸方向輸方向輸出端輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) 7 6 5 F0071 2 3 4 u-u+-UCC+UCC輸出輸出 F0078172345616.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2. 開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Auo 運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)

5、。運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB1. 理想運(yùn)算放大器的條件理想運(yùn)算放大器的條件Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性

6、 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)（飽和區(qū)）：非線性區(qū)（飽和區(qū)）：u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = +Uo(sat) u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0時(shí)，時(shí)，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的的信號(hào)順利通過(guò)，衰減很小，信號(hào)順利通過(guò)，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號(hào)不易通過(guò)，的信號(hào)不易通過(guò)，衰減很大，衰減很大，稱(chēng)一稱(chēng)一 階有源低通階有源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時(shí)信號(hào)衰減得時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾

7、濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo稱(chēng)為截止角頻率稱(chēng)為截止角頻率 式中式中RC10: uiuoRFCR+ R1+設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有故：故： 可見(jiàn)，電路使頻率大于可見(jiàn)，電路使頻率大于 0 的信號(hào)通過(guò)的信號(hào)通過(guò) ，而小于，而小于 0 的信號(hào)被阻止，稱(chēng)為的信號(hào)被阻止，稱(chēng)為有源高通濾波器有源高通濾波器。 ,0時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) ,時(shí)時(shí)當(dāng)

8、當(dāng) 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)模擬輸入信號(hào)電路電路 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用于模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之）之前。由于前。由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足

9、存一段時(shí)間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。采樣存儲(chǔ)采樣存儲(chǔ)電容電容控制信號(hào)控制信號(hào)電壓跟隨器電壓跟隨器 uG為高電平，為高電平， S 閉合閉合(場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通)， ui對(duì)存儲(chǔ)電容對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，充電， uo= uC = ui 。 uG為為 0， S 斷開(kāi)斷開(kāi)(場(chǎng)效應(yīng)管截止場(chǎng)效應(yīng)管截止)，輸出，輸出 保持該階段開(kāi)始瞬間的值不變。保持該階段開(kāi)始瞬間的值不變。uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。 SuC+ui+uo+ 電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相

10、等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來(lái)平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來(lái)判斷輸入信號(hào)的判斷輸入信號(hào)的 大小和極性。大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合 。 uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門(mén)限電平門(mén)限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可見(jiàn)，在可見(jiàn)

11、，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 當(dāng)當(dāng) ui 單方向變化時(shí)，單方向變化時(shí)， uo 只變化一次。只變化一次。URuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性u(píng)iuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR電壓傳輸特性電壓傳輸特性u(píng)iuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat

12、) Uo (sat)t1t2UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat) o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU RCtCCCCeuuutu 0RU RU o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC A1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u- = 0 ，所以當(dāng)，所以當(dāng) u+ = 0時(shí)時(shí)，A1狀態(tài)狀態(tài)改變改變0o2111o2121 uRRRuRRRu當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)，即即當(dāng)當(dāng) Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1TT1T2T