集成動算放大器

集成動算放大器第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

集成電路是一種將“管”和“路”緊密結(jié)合的器件，它以半導(dǎo)體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應(yīng)管、二極管、電阻和電容等元器件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起，使之具有特定的功能。模擬集成電路的種類很多，有集成運算放大器(簡稱集成運放)，集成功率放大器，集成模擬乘法器，集成鎖相環(huán)，集成穩(wěn)壓器等。在模擬集成電路中，集成運算放大器是最為重要、用途最廣的一種，

這里主要介紹集成運放的內(nèi)部電路、工作原理、性能指標及常用等效模型。集成電路體積小、重量輕、耗電少、可靠性高，已成為現(xiàn)代電子器件的主體。集成電路分數(shù)字與模擬兩大類。引言集成運算放大器(簡稱集成運放)，根據(jù)集成工藝不同有雙極性和單極性之分。第2頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月運算放大器外形圖第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1集成運算放大器構(gòu)成

集成運放的組成方框圖第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單的集成運放原理電路第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入級：差分電路，大大減少溫漂。中間級：采用有源負載的共發(fā)射極電路，增益大。為提高放大倍數(shù)，常用復(fù)合管。輸出級：具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻?。◣ж撦d能力強），非線性失真小。OCL電路。偏置電路：鏡像電流源，微電流源。第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1

差分(動)式放大電路集成電路運算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。當多級直接耦合放大電路的輸入端短路(ui＝0)，輸出端電壓它并不保持恒值，而在緩慢地、無規(guī)則地變化著，這種現(xiàn)象就稱為零點漂移。產(chǎn)生零點漂移的主要原因是三極管受溫度的影響。抑制零點漂移要著重于第一級。有效的措施之一是采用差動放大電路，因而差動放大電路成為集成運放的主要組成單元。第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

基本差分(動)放大電路圖中所示是一個基本差動放大電路，又稱為長尾式差動放大電路，其結(jié)構(gòu)特點是：對稱，即

Rs1=Rs2=Rs，

Rc1=Rc2=Rc，

β1=β2=β，UBEl=UBE2=UBE

兩個輸入端ui1和ui2兩個輸出端uo1和uo2第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月∵對稱∴IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC

對輸入電路

RsIB+UBE+2ReIE1=UEE

有UE=2IE1Re-UEE≈2ICRe-UEEIB＝IC/βUC=UCC–RcICuO=UC1-UC2=0

第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月抑制零點漂移的作用

1）電路的對稱性有效抑制了零點漂移；2）RE

引入的電流負反饋，穩(wěn)定電路工作點，抑制單個管子的零點漂移。3）電源（-UEE）的作用是：

a）對三極管T1、T2

提供基極電流；

b）補償IE在RE

上產(chǎn)生的直流壓降，使UE=0，則UCE=UC，輸出電壓有較大的變化范圍。第10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2差分(動)式放大電路的靜態(tài)分析和動態(tài)分析

差動放大電路的輸入信號可以分為兩種類型：共模信號和差模信號。當兩個輸入端的信號為ui1＝-ui2＝uid/2時，輸入方式稱為差模輸入。uid＝ui1-ui2稱為差模信號。當兩個輸入信號為ui1＝ui2＝uic，uic稱為共模信號，其輸入方式稱為共模輸入。uic的作用與溫度影響相似，所以常常用對共模信號的抑制能力來反映電路對零漂的抑制能力。第11頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月當兩個輸入端各加一個任意的信號電壓ui1和ui2，這兩個輸入信號可以分解為差模信號和共模信號，uid＝ui1-ui2uic=(ui1+ui2)/2兩個輸入電壓可用共模和差模信號表示， ui1＝uic+uid/2ui2=uic-uid/2在差模信號和共模信號同時存在的情況下，對于線性放大電路來說，可利用疊加原理來求出總的輸出電壓。

uo=Auduid+Aucuic

Aud=uod／uid為差模電壓放大倍數(shù)Auc=uoc／uic為共模電壓放大倍數(shù)。共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.3偏置電路恒流源電路使用電阻較多，且作為恒流源的管子，它的UBE還要受溫度的影響，因此抑制零漂不夠理想。在電子電路特別是模擬集成電路中，廣泛使用的另一種單元電路是電流源，它為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，或作放大電路的有源負載。利用晶體管輸出特性具有恒流的特點，采用適當?shù)妮o助電路可以使其恒流特性更接近于理想情況。第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鏡像電流源T1、T2特性完全相同，有β1=β2=β，UBE1=UBE2=UBE，IEl＝IE2。RL是后級電路的等效電阻，R稱作限流電阻。對整個T1管應(yīng)用KCL，有IR=IE1+IB2=IE2+IB2=IC2+2IB2=(1+β/2)IC2當β>>2，IR≈Io=IC2而IR=(UCC-UBE)/R所以，當R確定后，IR就確定了，Io也隨之而定，Io就如同IR在鏡子中的影像一樣，故稱該電路為鏡像電流源，IR稱作電流源的基準電流。在UCC>>UBE的條件下，Io≈UCC/R與晶體管的參數(shù)無關(guān)，具有很好的溫度穩(wěn)定性和較好的恒流特性。第14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.多路電流源

用一個基準電流去控制多個輸出電流，就構(gòu)成了多路電流源

當β較大時，有IE≈IC≈IR

由于各管的β、UBE相同，則IERe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3≈IRRe

所以IC1≈IE1=IRRe/Re1

，IC2≈IE2=IRRe/Re2

，IC3≈IE3=IRRe/Re3

當IR確定后，改變各Rei

，可獲得不同的輸出電流。

第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.4

功率放大電路

放大電路(集成運放)的最后一級常常要求能帶一定的負載，例如推動揚聲器使之發(fā)出聲音，推動電動機旋轉(zhuǎn)等，即要輸出一定的信號功率。這種以輸出功率為主要目的的放大級稱為功率放大電路。第16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月功率放大電路的特點(1)輸出功率盡可能大問題，管子工作在接近極限參數(shù)。(2)消耗的功率大，存在效率問題。所謂效率，就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值。(3)功率放大器在大信號下工作，難免產(chǎn)生非線性失真。而且輸出功率越大，失真往往越嚴重。(4)由于流過功放管的電流較大，有相當大的功率消耗在管子上。因此，要有散熱和保護保護措施。(5)由于功放管是在大信號下工作，一般只能采用圖解分析法。第17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月功率放大電路的要求

就本質(zhì)而言，功率放大電路和電壓放大電路并沒有什么區(qū)別。但它們要完成的任務(wù)不同，因而對它們的要求也不同。電壓放大電路通常是在小信號下工作，主要任務(wù)是在信號不失真的條件輸出足夠大的電壓。要求電壓放大倍數(shù)Au足夠大；輸入電阻ri大，以便從前級得到足夠大的電壓；輸出電阻ro小，以便將更多的電壓傳給下一級。功率放大器則不同，它通常作為放大電路的最后一級，工作于大信號下，要求不失真地輸出足夠大的功率PO且效率要高。第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月功率放大電路的三種工作方式⑴甲類工作方式：

Q點設(shè)置在負載線的中點，在輸入信號的正負半周，晶體管都在工作，管子的導(dǎo)通角為360°，輸出波形失真小，但靜態(tài)管子功耗大，效率低。⑵乙類工作方式：

Q點在負載線的最低點，由于靜態(tài)時電流為零，無功耗，效率最高。但此時放大電路只在輸入信號的正半周工作，負半周時晶體管截止，管子的導(dǎo)通角為180°，輸出波形出現(xiàn)嚴重的失真。⑶甲乙類工作方式：

Q點略高于乙類時，靜態(tài)電流很小，靜態(tài)消耗約為零，效率也很高。晶體的導(dǎo)通時間大于半個周期，管子的導(dǎo)通角大于180°，此時輸出波形仍失真嚴重。第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月三種工作方式對應(yīng)的Q點和輸出波形甲類工作方式效率低不適合功率放大。乙類和甲乙類工作方式雖然失真嚴重，不能直接使用，但由于效率高，只要合理的設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，使兩只管子輪流工作便可得到很好的功率放大效果。因此功率放大電路通常選擇乙類或甲乙類工作方式。甲類乙類甲乙類第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月互補對稱功率放大電路1.工作原理靜態(tài)時，基極回路沒有偏流，T1、T2截止，uo為0。ui正半周，T1導(dǎo)通，T2截止，等效電路如圖（b）所示，電流ic（=iL）從上至下流過負載RL

，uo＞0；ui負半周，T1截止，T2導(dǎo)通，等效電路如圖（c）所示，電流ic（=iL）從下至上流過負載RL，uo＜0，在ui的一個周期中，T1、T2輪流導(dǎo)通，在負載RL上合成一個完整的波形。第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月＋－u-－u+uo5.2.1集成運算放大器符號國際符號：國內(nèi)符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小同相輸入端反相輸入端輸出端5.2集成運算放大器第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.輸入失調(diào)電UIO

輸入電壓為零時，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。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。5.2.2集成運算放大器的主要參數(shù)

2.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)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。第23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.輸入失調(diào)電流

IIO

：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。

5.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24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.最大差模輸入電壓Uidmax

運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。

7.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。第26頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

11.－3dB帶寬

fH

：

運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉(zhuǎn)換速率SR(壓擺率)：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達式為

第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月等效電路u+—同相端輸入電壓u-

—反相端輸入電壓uid—差模輸入電壓uid=u

–

u+Aud—開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

uo=Aud(u+–u

)5.2.3理想運算放大器的特性uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–第28頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1)

Aud

6)UIO0，IIO01.理想運放的條件4)

KCMR

5)BW

2)

Rid

3)Ro

0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.理想運放的電壓傳輸特性理想運放OuiduoUomax–Uomaxuouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–線性區(qū)OuidUomax–Uomax實際運放第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1)

u+

u–(虛短)證：uo=Aud(u+–u–)=Auduidu+–

u–=uo/Aud

02)i+

i–

0(虛斷)證：i+=uid/Rid

0同理i–

0uouidu–i+u+uoRidAuduidRoi–3.理想運放的特性第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3集成運算放大器的基本運算電路5.3.1求和運算電路5.3.2減法運算電路5.3.3微分電路和積分電路5.3.4對數(shù)電路和指數(shù)電路第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.1求和運算電路1.反相輸入求和電路R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf=R1=R2

則uO=

(uI1+uI2)第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

2.同相輸入求和電路第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月法1：利用疊加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R

1；Rf=R

fuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虛短、虛斷uo=Rf/R1(uI2

uI1)減法運算實際是差分電路5.3.2減法運算電路第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.積分電路

積分運算電路的分析方法與求和電路差不多，反相積分運算電路如圖5.39所示。圖5.39反相積分電路5.3.3積分電路和微分電路第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月當輸入信號是階躍直流電壓VI時，即第37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例: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(b)方波輸入信號第38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月這里要注意當輸入信號在某一個時間段等于零時，積分器的輸出是不變的，保持前一個時間段的最終數(shù)值。因為虛地的原因，積分電阻R

兩端無電位差，因此

C不能放電，故輸出電壓保持不變。第39頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.微分電路微分運算電路如下圖所示。微分電路第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.對數(shù)電路對數(shù)電路對數(shù)運算電路見圖。由圖可知*5.3.4對數(shù)電路和指數(shù)電路第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.指數(shù)電路

指數(shù)運算電路如圖所示。指數(shù)運算電路相當反對數(shù)運算電路。指數(shù)運算電路第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.過零比較器3.滯回比較器4.窗口比較器5.4集成運算放大器的非線性應(yīng)用2.單限比較器第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.1電壓比較器(Comparer)功能：類型基本比較器簡單比較器(單門限)窗口比較器(雙門限)滯回比較器(施密特觸發(fā)器)比較電壓信號(被測試信號與標準信號)大小構(gòu)成：運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1.運放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。虛斷（運放輸入端電流=0）

注意：此時不能用虛短！uoui0+UOM-UOM第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月OuIuO1.過零電壓比較器uI

<0uI

>0UOmax-UOmaxUOHUOLuOuI電壓比較器基本特性1）高電平和低電平

UoH=3.4，UoL=0.42）鑒別靈敏度Aud越大，鑒別靈敏度越高3）轉(zhuǎn)換速率與壓擺率SR有關(guān)第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月OuIuO2.單限比較器UZUREFuI

<UREF-UZuI

>UREF門限電壓UT特點:1)工作在非線性區(qū)2)不存在虛短

(除了uI=UREF

時)

3)存在虛斷門限電壓UT=UREF第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1)電路和門限電壓3.滯回比較器1.反相型滯回比較器正反饋當uI>uP

時，uO=-UZ當uI<uP

時，uO=+UZ當uI=uP

時，狀態(tài)翻轉(zhuǎn)uIRR1UREFR2R3

UZPuO第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例：R1=30k

，R2=15k,

UZ=6V,UREF=0,求UT。第49頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：2)傳輸特性RR1uIUREFR2R3

UZPuOOuIuOUT+UT-UZ-UZ當uI

逐漸增大時

只要uI<UT+，則uO=UZ一旦uI>UT+，則uO=-UZ當uI逐漸減小時只要uI>UT-，則uO=-UZ一旦uI<UT-，則uO=UZ上門限下門限

U=UT+

-UT-

U回差電壓uI

上升時與上門限比,uI

下降時與下門限比。第50頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相型滯回比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，uP=uN=UREF若UREF=0R1RuIUREFR2R3

UZNPuO第51頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2