電路與模擬電子技術(shù)-集成運(yùn)算放大器課件

1、2022/7/25第7章 集成運(yùn)算放大器目錄Jichengyunsuanfangdaqidezuchengtedian集成運(yùn)算放大器的組成特點(diǎn)Chadongfangdadianlu差動(dòng)放大電路Fuheguanfangdadianlu復(fù)合管放大電路Gonglvfangdadianlu功率放大電路Fangdadianludefufankui放大電路的負(fù)反饋jichengyunsuanfangdaqijiqilixiangdianlumoxing集成運(yùn)算放大器及其理想電路模型2022/7/25學(xué)習(xí)要點(diǎn) 理解差動(dòng)放大電路利用其對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)抑制零點(diǎn)漂移的原理；掌握反饋、正反饋、負(fù)反饋的概念； 熟悉集成運(yùn)放

2、的主要技術(shù)指標(biāo)和電壓傳輸特性；掌握集成運(yùn)放的理想化條件，理解“虛斷”和“虛短”兩個(gè)重要概念。2022/7/257.1 集成電路概述集成運(yùn)算放大器的性能特點(diǎn)及應(yīng)用1959年世界上第一塊集成電路問(wèn)世近60年的時(shí)間里，集成運(yùn)放的應(yīng)用幾乎遍及各個(gè)領(lǐng)域。集成運(yùn)放體積小，密度大、功耗低、引線短、外接線少，. 集成運(yùn)放具有近乎無(wú)窮大的增益、無(wú)窮大輸入阻抗、零偏置電流以及零失調(diào)電壓，它不受封裝尺寸限制，不占用空間，組裝工作量小，成本低。集成運(yùn)放的應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)、日常生活及科技領(lǐng)域的相當(dāng)多產(chǎn)品中都有集成運(yùn)放的身影：在導(dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)等軍事裝備中；在數(shù)控機(jī)床、儀器儀表等工業(yè)設(shè)備中；在通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)中；

3、在音響、電視、錄像、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等家用電器中。集成電路的發(fā)展，對(duì)各行各業(yè)的技術(shù)改造與產(chǎn)品更新起到了促進(jìn)作用。2022/7/25常見(jiàn)的集成運(yùn)算放大器的封裝形式02010403單列扁平式雙列直插式圓殼式扁平式早期，運(yùn)放主要用來(lái)完成模擬信號(hào)的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器?，F(xiàn)在，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)運(yùn)算的范圍。它在通信、控制和測(cè)量等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。2022/7/257.1.2 集成電路的組成及特點(diǎn)運(yùn)放輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，利用其對(duì)稱特性提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能。運(yùn)放的中間級(jí)一般由多級(jí)放大電路組成。用來(lái)提高電路電壓增益。運(yùn)放的輸出級(jí)通常由互補(bǔ)電壓跟隨器構(gòu)成，用來(lái)降低輸

4、出電阻，提高運(yùn)放的負(fù)載能力。 偏置電路的主要作用是向各級(jí)提供合適的偏置電流。以保證各級(jí)放大電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。2022/7/257.2 差動(dòng)放大電路7.2.1 直接耦合放大電路需要解決的問(wèn)題1.各級(jí)靜態(tài)工作.點(diǎn)相互影響，互相牽制；2.存在零點(diǎn)漂移。 由于溫度以及其它原因，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出卻出現(xiàn)一個(gè)無(wú)規(guī)則的、持續(xù)緩慢的變化量，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。零漂嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)生的噪聲甚至?xí)研枰獋鬏敽头糯蟮男盘?hào)淹沒(méi)。2022/7/257.2.2 差動(dòng)放大電路的組成運(yùn)放的輸入級(jí)要求運(yùn)放輸入級(jí)電路的輸入電阻要高、差模電壓放大倍數(shù)要大，共模抑制能力要強(qiáng)、靜態(tài)電流要小。差動(dòng)放大電路可滿足上述要求差動(dòng)放大電

5、路由兩個(gè)對(duì)稱的共射基本放大電路組成。其中VT1、VT2是兩個(gè)特性完全相同的晶體管，兩管基極信號(hào)電壓ui1、ui2大小相等、相位相反。2022/7/25差模信號(hào)指差動(dòng)電路兩輸入端信號(hào)的差值uid= ui1-ui2，是放大電路需要傳輸和放大的有用信號(hào)。差模信號(hào)實(shí)際上就是差動(dòng)電路的輸入電壓2022/7/25共模信號(hào)共模信號(hào)外界電磁干擾、溫度影響等因素造成的零漂電壓，相當(dāng)于在差動(dòng)放大電路的輸入端加了“共模信號(hào)” 。共模信號(hào)是干擾信號(hào)，需要抑制和消除。2022/7/257.2.3 差動(dòng)放大電路的工作原理畫(huà)出輸入等于零的直流通道靜態(tài)分析電路對(duì)稱，可按單邊求解對(duì)下回路列寫(xiě)KVL方程：2022/7/25畫(huà)出電

6、路的交流通道動(dòng)態(tài)分析 由于電路對(duì)稱，射極電阻RE上無(wú)電壓，可視為交流短路。畫(huà)出的交流通道的單邊微變等效電路。2022/7/257.2.4 差動(dòng)放大電路的類型雙端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出雙端輸入單端輸出單端輸入單端輸出2022/7/25差動(dòng)放大電路不同類型的性能比較性能指標(biāo)雙（單）端輸入雙端輸出雙（單）端輸入單端輸出差模放大倍數(shù)Ad差模輸入電阻rid差模輸出電阻rod2RCRC共模放大倍數(shù)Ac0共模抑制比KCMR實(shí)際輸出電壓UOAd*2Uid+AC*Uic上表中各項(xiàng)指標(biāo)均為差動(dòng)放大電路不帶負(fù)載的情況下給出的。2022/7/257.2.5 恒流源式差動(dòng)放大電路恒流源式差動(dòng)放大電路中，當(dāng)溫度變化

7、時(shí)，VT3的發(fā)射極電位和發(fā)射極電流基本保持穩(wěn)定，ic1和ic2之和近似等于ic3，不會(huì)受溫度變化的影響而發(fā)生變化?？梢?jiàn)，恒流源式差放電路的共模抑制能力更強(qiáng)，性能更穩(wěn)定。電路中的RE阻值越大，抑制零漂的效果就越好。但RE的阻值選取越大，同樣工作電流條件所需負(fù)電源VEE的數(shù)值也越大。為在增大射極電阻的同時(shí)不提高VEE，通常采用恒流源代替RE。圖中用晶體管VT3和電阻Rb1、Rb2和Re構(gòu)成其分壓式偏置電路。由偏置電路可知，只要電源VCC和偏置電路的電阻Rb2數(shù)值不變，VT3的集電極電流即差放電路的射極電流IC3基本不變。2022/7/25 已知圖示電路中VCC=12V，VEE=12V，三個(gè)三極管的

8、電流放大倍數(shù)均為50， rbb=200， Re=33k，RC=100k，R=10k，RW=200，穩(wěn)壓管的UZ=6V，R1=3k。試估算：該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q；差模電壓放大倍數(shù)；差模輸入電阻和差模輸出電阻。 解例2022/7/25解由交流通道可得半邊微變等效電路：式中：由于恒流源上的電流恒定，當(dāng)差模信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)稱的兩個(gè)三極管就會(huì)一個(gè)射極電流增大，另一個(gè)射極電流減小，且增大和減小的數(shù)值相同，所以RW上的中點(diǎn)交流電位為零，其交流通路如下圖所示：2022/7/25解輸入電阻： 恒流源在放大電路中的作用有兩個(gè)：一是可以起到穩(wěn)定電流的作用； 二是做放大電路的有源負(fù)載，能夠更好地抑制共模信號(hào)。輸出電

9、阻：2022/7/25123何謂差模信號(hào)？何謂共模信號(hào)？什么是零漂現(xiàn)象？零漂是如何產(chǎn)生的？采用什么方法可以抑制零漂？差動(dòng)放大電路有哪幾種類型？4恒流源在差動(dòng)放大電路中起什么作用？Sikaoyulianxi思考與練習(xí)2022/7/257.3 復(fù)合管放大電路由于集成電路通常要求其中間級(jí)基級(jí)電流大相當(dāng)前級(jí)提供的輸出大，單管放大電路實(shí)現(xiàn)這種要求很困難。采用復(fù)合管的共發(fā)射極電路作為集成運(yùn)放的中間級(jí)電路，可以解決這個(gè)難題。放大電路中采用復(fù)合管，主要目的就是為了增大管子的電流放大倍數(shù)，減小前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，復(fù)合以后，管子的電流放大倍數(shù)為：2022/7/257.4 功率放大電路何謂功率放大器？擴(kuò)音系統(tǒng)信號(hào)放大信號(hào)

10、提取例執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被放大后的模擬信號(hào)在推動(dòng)實(shí)際負(fù)載時(shí)需要較大的功率，能完成此任務(wù)的器件就是功率放大器。功放常用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。2022/7/257.4.1 功率放大器的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)01020304功放電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的功率，因此要求輸出電壓和電流的幅度足夠大；由于功放輸出信號(hào)幅度大，三極管通常工作在極限應(yīng)用狀態(tài)，因此輸出信號(hào)必然存在一定程度的失真。功放電路輸出功率的同時(shí)，三極管消耗的能量也較大，因此三極管的管耗和散熱問(wèn)題異常突出。功率放大器工作在大信號(hào)的極限運(yùn)用狀態(tài)，小信號(hào)的估算法不再適用，只能采用圖解法進(jìn)行估算。

11、2022/7/257.4.1 功率放大器的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)01020304效率盡可能高大信號(hào)情況下的輸出功率和功耗都較大，效率問(wèn)題突顯。在允許的失真范圍內(nèi)除了滿足輸出功率，首先應(yīng)考慮管子的效率。足夠大的輸出為獲得最大功率輸出，要求功放管工作在接近“極限運(yùn)用”狀態(tài)。選用時(shí)應(yīng)考慮管子的三個(gè)極限參數(shù)ICM、PCM和U(BR)CEO。失真盡可能小處于大信號(hào)工況下的管子不可避免地存在非線性失真。應(yīng)考慮在獲得盡可能大的功率輸出下將失真限制在允許范圍內(nèi)。散熱條件要好“極限運(yùn)用”狀態(tài)下的晶體管產(chǎn)生的結(jié)溫和管殼溫升非常大。散熱問(wèn)題應(yīng)充分重視，必須采取措施使功放管有效地散熱。2022/7/257.4.2 功率放

12、大器中的交越失真 推挽工作的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中，兩個(gè)管子在信號(hào)周期內(nèi)交替工作，各自產(chǎn)生半個(gè)周期的信號(hào)波形。 ui/V t00.6-0.6 uo/V t00.6-0.6過(guò)零處的交越失真由于兩管工作時(shí)存在死區(qū)2022/7/257.4.3 功率放大器的分類乙類甲乙類甲類存在交越失真、功耗小、效率高，可達(dá)78%以上。保真效果好、功耗低，效率在甲類和乙類之間。Q甲乙類功放是在乙類功放的基礎(chǔ)上改造的，因此二者優(yōu)點(diǎn)兼而有之，實(shí)際應(yīng)用中最為普遍。高保真、功耗大、效率低，最多可達(dá)50%。QQ2022/7/25OCL電路雙電源供電方式，射極電位VE=0：特點(diǎn)VE2022/7/25OCL電路工作原理 OCL電路只要

13、R1、R2數(shù)值選擇適當(dāng)，當(dāng)ui =0時(shí)，二極管VD1和VD2導(dǎo)通，使IB1、IB2、VB1和VB2處于一定的靜態(tài)值，讓VT1和VT2的發(fā)射結(jié)靜態(tài)時(shí)始終存在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈⑵珘?，用以消除乙類功放過(guò)零處的交越失真。VE=0靜態(tài)分析ui=0時(shí)，兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài)，有顯然，兩管射極電流大小相等、方向相反，因此：VE=02022/7/25OCL電路工作原理VE=0動(dòng)態(tài)分析輸入信號(hào)正半周，ui0，三極管VT1導(dǎo)通，VT2截止，電流iC1經(jīng)+VCC自上而下經(jīng)VT1流過(guò)負(fù)載RL；輸入信號(hào)負(fù)半周，ui 0，三極管VT2導(dǎo)通，VT3截止，電流iC2經(jīng)VCC自上而下經(jīng)VT2流過(guò)負(fù)載RL，同時(shí)對(duì)電容C充電；輸入信號(hào)負(fù)半

14、周，ui 1時(shí)基本放大電路輸入信號(hào)被增強(qiáng)，反饋形式為正反饋；1時(shí)2022/7/257.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別負(fù)反饋的基本類型1電壓串聯(lián)負(fù)反饋2電壓并聯(lián)負(fù)反饋4電流并聯(lián)負(fù)反饋3電流串聯(lián)負(fù)反饋2022/7/257.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別1432負(fù)反饋類型判別ui電壓串聯(lián)負(fù)反饋uo取自電壓電壓反饋串聯(lián)反饋ui電壓并聯(lián)負(fù)反饋uo取自電壓電壓反饋并聯(lián)反饋ui電流串聯(lián)負(fù)反饋io取自電流電流反饋串聯(lián)反饋ui電流并聯(lián)負(fù)反饋io取自電流電流反饋并聯(lián)反饋2022/7/257.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別如何進(jìn)行類型判別？判斷電壓反饋還是電流反饋？從輸出端入手，若反饋信號(hào)取自于輸出電壓，則為

15、電壓反饋，若反饋信號(hào)取自于輸出電流，則為電流反饋。交直流反饋的判別判斷串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋？從輸入端入手，若反饋信號(hào)、輸入信號(hào)和差值信號(hào)三者以電壓代數(shù)和形式出現(xiàn)，為串聯(lián)反饋；若三者以電流代數(shù)和形式出現(xiàn)則為并聯(lián)反饋。如果反饋網(wǎng)絡(luò)中的反饋元件是電阻，則為交直流反饋；若反饋網(wǎng)絡(luò)元件是電容，則為交流反饋。2022/7/257.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別舉例ubeuiufuo對(duì)輸入回路列KVL:ui = ube + uf從輸出端看，反饋量uf取自于輸出電壓，判斷為電壓反饋；從輸入端看，反饋量、輸入量及凈輸入量以電壓求和的形式出現(xiàn)，因此是串聯(lián)反饋；結(jié)論電壓串聯(lián)負(fù)反饋2022/7/257.5.2 負(fù)反

16、饋的基本類型及其判別舉例iiui對(duì)輸入回路列KCL:ii = ib + if從輸出端看，反饋量if取自于輸出電壓，判斷為電壓反饋；從輸入端看，反饋量、輸入量及凈輸入量以電流求和的形式出現(xiàn)，因此是并聯(lián)反饋；結(jié)論電壓并聯(lián)負(fù)反饋uoifid2022/7/257.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別舉例ube結(jié)論電流串聯(lián)負(fù)反饋uiuf對(duì)輸入回路列KVL:ui = ube + uf從輸出端看，反饋量uf取自于輸出電流，判斷為電流反饋；從輸入端看，反饋量、輸入量及凈輸入量以電壓求和的形式出現(xiàn)，因此是串聯(lián)反饋；2022/7/257.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別舉例ii結(jié)論電流并聯(lián)負(fù)反饋ifid對(duì)輸入回路列K

17、CL:ii = ib + if從輸出端看，反饋量if取自于輸出電流，判斷為電流反饋；從輸入端看，反饋量、輸入量及凈輸入量以電流求和的形式出現(xiàn)，因此是并聯(lián)反饋；io2022/7/25判斷下圖中有哪些反饋回路，屬于交流反饋還是直流反饋？例解根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)中元件判斷反饋是直流反饋?交流反饋?還是交直流反饋？該反饋通道是阻容支路，由于電容的通交隔直作用，判斷此反饋通道屬于交流反饋形式。7.5.2 負(fù)反饋的基本類型及其判別該反饋通道元件是電阻，因此屬于交直流反饋形式。2022/7/25負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響01提高了放大電路的穩(wěn)定性02展寬了放大電路的通頻帶03減小了放大電路的非線性失真04提高輸入電

18、阻 減小輸出電阻2022/7/25 判斷是正反饋還是負(fù)反饋一般采用什么方法？ 思考與練習(xí) 判斷下圖所示各電路的反饋類型。 a.電壓串聯(lián)負(fù)反饋參考答案： b.電壓并聯(lián)負(fù)反饋2022/7/251.什么叫反饋？正反饋和負(fù)反饋對(duì)電路的影響有何不同？放大電路一般采用哪種反饋形式？如何判斷放大電路中的各種反饋類型？Sikaoyulianxi思考與練習(xí)放大電路引入負(fù)反饋后，能給電路的工作性能帶來(lái)什么改善？放大電路的輸出信號(hào)本身就是一個(gè)已產(chǎn)生了失真的信號(hào)，引入負(fù)反饋后能否使失真消除？2022/7/257.6 集成運(yùn)算放大器及其理想電路模型通用型以通用為目的而設(shè)計(jì)的。產(chǎn)品有單運(yùn)放A741、雙運(yùn)放LM358、四運(yùn)

19、放的LM324及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356等.。 高速型高速型運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是具有較高的轉(zhuǎn)換速率和較寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的高速型集成運(yùn)放有LM318、A715等，其SR=5070V/s，BWG20MHz。低功耗型常用的低功耗型運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為218V，消耗電流為50250A。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí)，. 高阻型 這類運(yùn)放的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，常用的有四運(yùn)放的LF356、LF355、LF347等。低溫漂型自動(dòng)控制儀表中常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、AD508及或由MOS應(yīng)管組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL

20、7650等。. 高壓大功率型高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。常用的有D41、A791等。集成運(yùn)算放大器的分類2022/7/257.6.2 集成運(yùn)放管腳功能及元器件特點(diǎn)圖示為常用A741集成運(yùn)放芯片產(chǎn)品實(shí)物圖A741集成運(yùn)放的8個(gè)管腳排列圖如下：調(diào)零端 反相輸入端 同相輸入端 負(fù)電源端 調(diào)零端 輸出端 正電源端 空腳 2022/7/257.6.2 集成運(yùn)放管腳功能及元器件特點(diǎn)A741集成運(yùn)放圖形符號(hào)A741集成運(yùn)放外部接線圖反相輸入端同相輸入端輸出端12V+12V管腳1和5分別與調(diào)零電位器的兩個(gè)固定端相連 調(diào)零電位器 調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳4相連。2022

21、/7/257.6.2 集成運(yùn)放管腳功能及元器件特點(diǎn)01020304在同一硅片上用相同工藝制造出來(lái)的元器件性能比較一致，對(duì)稱性好，相鄰元器件的溫度特性較一致電阻及電容集成數(shù)值范圍窄，電阻僅在幾十至幾十k，電容僅為幾十F。電感目前不能集成。集成運(yùn)放中的元器件性能參數(shù)的絕對(duì)誤差比較大，但同類元器件的性能參數(shù)之比值較為精確縱向NPN管值較大，占用硅片面積小，容易制造。而橫向PNP管的值很小，但其PN結(jié)的耐壓高。2022/7/257.6.3 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)3421負(fù)反饋類型判別差模輸入電阻集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo很高，可達(dá)104107，不同功能的運(yùn)放Auo數(shù)值相差較懸殊。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)輸出電阻最大共模輸入電壓Uicmax指在保證運(yùn)放正常工作條件下，運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。最大共模輸出電壓由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋