第三章集成運(yùn)算放大器學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第三章集成第三章集成(j chn)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器第一頁，共36頁。3.1集成運(yùn)放的基本單元集成運(yùn)放的基本單元(dnyun)電路電路集成運(yùn)放集成運(yùn)放(yn fn)的符號的符號AV0 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) vo = AV0(v+ v )集成運(yùn)放的組成和電路符號集成運(yùn)放的組成和電路符號第1頁/共36頁第二頁，共36頁。（1 1）輸入）輸入(shr)(shr)級：高性能差放電路；輸入級：高性能差放電路；輸入(shr)(shr)電阻大、共電阻大、共模抑制比大、靜態(tài)電流小。模抑制比大、靜態(tài)電流小。（2 2）中間級：復(fù)合管共射電壓）中間級：復(fù)合管共射電壓(diny)(din

2、y)放大電路；提供電壓放大電路；提供電壓(diny)(diny)放大。放大。（3 3）輸出級：互補(bǔ)對稱輸出電路。帶載能力強(qiáng)、失真小。）輸出級：互補(bǔ)對稱輸出電路。帶載能力強(qiáng)、失真小。（4 4）偏置電路：電流源電路；提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。）偏置電路：電流源電路；提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。第2頁/共36頁第三頁，共36頁。采用差分輸入級采用差分輸入級普通差分放大器：輸入電阻小，最大差模輸入電壓低，放大倍普通差分放大器：輸入電阻小，最大差模輸入電壓低，放大倍數(shù)不夠高。數(shù)不夠高。改進(jìn)改進(jìn)(gijn)方法：方法：共集共基差分放大器共集共基差分放大器超超 管輸入級管輸入級第3頁/共36頁第四頁，共36頁。共集共

3、基差分共集共基差分(ch fn)放大器放大器第4頁/共36頁第五頁，共36頁。電路的輸入、輸出方式？電路的輸入、輸出方式？如何如何(rh)(rh)設(shè)置靜態(tài)電流設(shè)置靜態(tài)電流？靜態(tài)時靜態(tài)時iOiO約為多少？約為多少？動態(tài)時動態(tài)時iOiO約為多少？約為多少？ C1C3C4C2C1，iiiiiC1C2C4O2 iiii 使單端輸出(shch)電路的差模放大倍數(shù)近似等于雙端輸出(shch)時的差模放大倍數(shù)。0 C2C4Oiii靜態(tài)：靜態(tài)：C2C4C3C4C1C3C2C1IIIIIIII，動態(tài)：動態(tài)：第5頁/共36頁第六頁，共36頁。12 12beberr3CCBEREFVVIR第6頁/共36頁第七頁，共

4、36頁。有保護(hù)電路有保護(hù)電路(dinl)的甲乙類互補(bǔ)對稱電路的甲乙類互補(bǔ)對稱電路(dinl)VBE倍增電路消倍增電路消除除(xioch)交交越失真。越失真。過載保護(hù)電路過載保護(hù)電路第7頁/共36頁第八頁，共36頁。第8頁/共36頁第九頁，共36頁。3.2集成集成(j chn)運(yùn)放的典型電運(yùn)放的典型電路和參數(shù)路和參數(shù)集成運(yùn)放集成運(yùn)放(yn fn)典型電路分析典型電路分析集成集成(j chn)運(yùn)放運(yùn)放LM741 的電路原理圖的電路原理圖第9頁/共36頁第十頁，共36頁。若在集成運(yùn)放電路若在集成運(yùn)放電路(dinl)中能夠估算出某一支路的電流，中能夠估算出某一支路的電流，則這個電流往往是偏置電路則這個

5、電流往往是偏置電路(dinl)中的基準(zhǔn)電流。中的基準(zhǔn)電流。偏置偏置(pin zh)電路電路第10頁/共36頁第十一頁，共36頁。輸入輸入(shr)級級雙端輸入、單端輸出雙端輸入、單端輸出(shch)差分放大電差分放大電路路 T3、T4為橫向PNP型管，輸入端耐壓高。共集形式(xngsh)，輸入電阻大，允許的共模輸入電壓幅值大。共基形式(xngsh)頻帶寬。共集共集-共基形式共基形式T1和和T2從基極輸入、射極輸出從基極輸入、射極輸出T3和和T4從射極輸入、集電極輸出從射極輸入、集電極輸出第11頁/共36頁第十二頁，共36頁。 中間級是主放大器，中間級是主放大器，它所采取它所采取(ciq)的一切

6、的一切措施都是為了增大放大措施都是為了增大放大倍數(shù)。倍數(shù)。 LM741的中間級是以復(fù)合管為放大管、采用有源負(fù)載的共射放大電路。由于等效(dn xio)的集電極電阻趨于無窮大，故動態(tài)電流幾乎全部流入輸出級。中間級中間級第12頁/共36頁第十三頁，共36頁。輸出級：準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級，輸出級：準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級，VBE倍增電路消除倍增電路消除(xioch)交越失真。交越失真。準(zhǔn)互補(bǔ)準(zhǔn)互補(bǔ)(h b)輸出級輸出級VBE倍增倍增(bi zn)電路電路過載保護(hù)電路過載保護(hù)電路第13頁/共36頁第十四頁，共36頁。集成集成(j chn)運(yùn)放的主要參數(shù)運(yùn)放的主要參數(shù)1、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AVO（1

7、00dB=105）2、最大差模輸入電壓、最大差模輸入電壓VIDM（30V）3、最大輸出電壓、最大輸出電壓VOPP（ 13V）4、最大共模輸入電壓、最大共模輸入電壓VICM（15V）5、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓 V IO（1.0mV） 使使 VO = 0，輸入端施加，輸入端施加(shji)的補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電壓6、輸入偏置電流、輸入偏置電流 I IB（80nA） VI = 0 時，時， 21IB2IB1IB）（III第14頁/共36頁第十五頁，共36頁。7、 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流(dinli) IIO（20nA） 輸出電壓為零時：輸出電壓為零時：8、轉(zhuǎn)換速率、轉(zhuǎn)換速率SR(0.5V/s)9、

8、差模輸入電阻、差模輸入電阻rid（2M）10、共模輸入電阻、共模輸入電阻ric IB2IB1IOIII第15頁/共36頁第十六頁，共36頁。理想集成理想集成(j chn)運(yùn)放的性能指標(biāo)運(yùn)放的性能指標(biāo) 實(shí)際集成運(yùn)放的特性很接近理想集成運(yùn)放，我們僅僅在進(jìn)行誤實(shí)際集成運(yùn)放的特性很接近理想集成運(yùn)放，我們僅僅在進(jìn)行誤差分析時，才考慮理想化后造成的影響，一般工程計算其影響可以差分析時，才考慮理想化后造成的影響，一般工程計算其影響可以忽略。忽略。F 開環(huán)差模增益：開環(huán)差模增益：;odAF 差模輸入電阻：差模輸入電阻：;idrF 輸出電阻：輸出電阻：; 0orF 共模抑制比：共模抑制比：;CMRKF 上限截止

9、頻率：上限截止頻率：;HfF 失調(diào)電壓、電流及其溫漂：失調(diào)電壓、電流及其溫漂：均為均為0。第16頁/共36頁第十七頁，共36頁。理想集成理想集成(j chn)運(yùn)放工作于線運(yùn)放工作于線性區(qū)性區(qū)0()oVvAvv “虛短虛短”：運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電位：運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電位“無窮無窮”接近接近(jijn)，好象短路一樣，但卻不是真正的短路。，好象短路一樣，但卻不是真正的短路。0,()0,VoAvvvvv 而為有限值 所以，故 A - - + v+ vo v- i+ i- ,0idirvvvii 因?yàn)闉橛邢拗?所以， “虛斷虛斷”：運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的：運(yùn)放的同相輸

10、入端和反相輸入端的(dund)電電流趨于流趨于0，好象斷路一樣，但卻不是真正的斷路。，好象斷路一樣，但卻不是真正的斷路。第17頁/共36頁第十八頁，共36頁。 理想運(yùn)放工作于線性區(qū)，因其放理想運(yùn)放工作于線性區(qū)，因其放大倍數(shù)趨于無窮大，所以大倍數(shù)趨于無窮大，所以(suy)在在輸入端只要加一個非無窮小的電壓，輸入端只要加一個非無窮小的電壓，其輸出就會超出其線性工作區(qū)，因此其輸出就會超出其線性工作區(qū)，因此，只有電路引入負(fù)反饋，才能使其工，只有電路引入負(fù)反饋，才能使其工作于線性區(qū)。作于線性區(qū)。 i- A - - + v+ vo v- i+ 反饋網(wǎng)絡(luò) 理想集成運(yùn)放理想集成運(yùn)放(yn fn)工作于工作于非

11、線性區(qū)非線性區(qū) 電路中沒有引入負(fù)反饋或引入電路中沒有引入負(fù)反饋或引入的是正反饋，理想運(yùn)放工作于非線的是正反饋，理想運(yùn)放工作于非線性區(qū)。因其放大倍數(shù)趨于無窮大，性區(qū)。因其放大倍數(shù)趨于無窮大，所以輸出電壓只有兩種可能：所以輸出電壓只有兩種可能：OMOM-VovvvVvv0,iirid所以，因?yàn)?vo -VOM VOM v+- v- O 第18頁/共36頁第十九頁，共36頁。 為了保持運(yùn)放差放輸入級為了保持運(yùn)放差放輸入級的對稱性，同相輸入端的電的對稱性，同相輸入端的電阻阻RP為為vi=0時反相輸入端的時反相輸入端的等效等效(dn xio)電阻：電阻： RP= R1/ RF，稱為補(bǔ)償電阻或平，稱為補(bǔ)償

12、電阻或平衡電阻。衡電阻。 電路處于深度電路處于深度(shnd)負(fù)反饋條件下，虛短和虛斷負(fù)反饋條件下，虛短和虛斷成立。成立。一、反相放大器一、反相放大器-+0vv1I-OFvvvvRR 1FOIRvvRI1IivrRi01AFrroof反相放大器反相放大器電壓并聯(lián)電壓并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋F1VFRAR “虛地虛地”第19頁/共36頁第二十頁，共36頁。 思考：如何提高圖示電路的輸入電阻？會帶來什么思考：如何提高圖示電路的輸入電阻？會帶來什么(shn me)問題？直接增大反饋電阻可否？問題？直接增大反饋電阻可否？第20頁/共36頁第二十一頁，共36頁。采用采用(ciyng)T形反饋網(wǎng)絡(luò)的反相放大器形反

13、饋網(wǎng)絡(luò)的反相放大器采用采用RF1、RF2和和RF3組成組成(z chn)T形網(wǎng)絡(luò)取形網(wǎng)絡(luò)取代反饋電阻代反饋電阻RF。因反相端虛地，有：因反相端虛地，有：131213/FFoFFFRRvvRRR1111IFiFvviiRR 121231/oFFFFFVFIvRRR RRAvR 采用采用T形網(wǎng)絡(luò)后，只要將形網(wǎng)絡(luò)后，只要將RF1/RF3或或RF2/RF3選大，選大，不用采用高值反饋電阻就能獲得很大的閉環(huán)放大倍數(shù)。不用采用高值反饋電阻就能獲得很大的閉環(huán)放大倍數(shù)。第21頁/共36頁第二十二頁，共36頁。電壓電壓(diny)串聯(lián)負(fù)反串聯(lián)負(fù)反饋饋 電路電路(dinl)處于深度負(fù)反處于深度負(fù)反饋條件下，虛短和

14、虛斷成立。饋條件下，虛短和虛斷成立。-+Ivvv11-OFRvvR + RF11OVFIvRAvR 同相放大器同相放大器兩個兩個(lin )特例（電壓跟隨器特例（電壓跟隨器 ）：）：有限流電阻有限流電阻RF的電壓跟隨器的電壓跟隨器簡單的電壓跟隨器簡單的電壓跟隨器OIvv第22頁/共36頁第二十三頁，共36頁。的帶負(fù)載能力很強(qiáng)。的帶負(fù)載能力很強(qiáng)。第23頁/共36頁第二十四頁，共36頁。差分差分(ch fn)輸入放大器輸入放大器信號信號(xnho)分別加在運(yùn)放的兩個輸入端。分別加在運(yùn)放的兩個輸入端。 電路處于深度負(fù)反饋條件下，虛短電路處于深度負(fù)反饋條件下，虛短和虛斷成立。和虛斷成立。電壓并聯(lián)電壓并

15、聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋11IOFvvvvRR21FIFRvvRRvv121OFVFIIvRAvvR 差分輸入放大器的特點(diǎn)：差分輸入放大器的特點(diǎn)：v運(yùn)放的輸入端加有共模信號，共模抑制能力差。運(yùn)放的輸入端加有共模信號，共模抑制能力差。v由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻僅為由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻僅為2R1。v電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻很小，近似為零。電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻很小，近似為零。第24頁/共36頁第二十五頁，共36頁。第25頁/共36頁第二十六頁，共36頁。一、加法一、加法(jif)電路電路反相加法電路反相加法電路 類似反相放大器，類似反相放大器，電路處于深電路處于深度負(fù)反饋條件下，虛短（

16、虛地）和虛度負(fù)反饋條件下，虛短（虛地）和虛斷成立。斷成立。123Fiiii123123()IIIOFFFvvvvi RRRRR 一般取一般取R1R2 R3 ，補(bǔ)償電阻，補(bǔ)償電阻RPR1/R2/R3/RF。1231()FOIIIRvvvvR 同相放大器也可構(gòu)成加法電路。同相放大器也可構(gòu)成加法電路。第26頁/共36頁第二十七頁，共36頁。A1組成同相放大器，其輸出組成同相放大器，其輸出(shch)電壓為：電壓為：1111(1)FOIRvvRA2組成組成(z chn)差分輸入放大器，有差分輸入放大器，有20Ivvvi12222OIIOFvvvvRR22121221(1)(1)FFFOIIRRRvvv

17、RRR一般可?。阂话憧扇。?212FFFRRRRRR則：則：21(1)()FOIIRvvvR為使電路平衡，?。簽槭闺娐菲胶猓。篟P1RF1/R1RP2RF2/R2電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：輸入電阻高，共模抑制比輸入電阻高，共模抑制比高；高；共模輸入信號允許范圍小共模輸入信號允許范圍小。第27頁/共36頁第二十八頁，共36頁。1aivv2bivv122ooabWWvvvvRRR12iiWvvR21oovv212()WiiWRRvvR22112()WoiiWRRRvvvRR2211()oooRvvvR結(jié)論：結(jié)論：三運(yùn)放電路是差動放大器，三運(yùn)放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可變。放大倍數(shù)可變。由于由于(yu

18、y)輸入均在同相端輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高，此電路的輸入電阻高。第28頁/共36頁第二十九頁，共36頁。積分和微分積分和微分(wi fn)運(yùn)算電運(yùn)算電路路qCvdqdviCdtdt00001111tttvidtidtidtvidtCCCC01tvidtC 當(dāng)電容上的電量當(dāng)電容上的電量(dinling)或電壓變化時，產(chǎn)生電流：或電壓變化時，產(chǎn)生電流：兩邊積分：兩邊積分：式中式中：v0是電容電壓初始值，若初始值為零，則：是電容電壓初始值，若初始值為零，則：電壓值與時間電壓值與時間t有關(guān)，是電容上流過電流的積分；反之，電容有關(guān)，是電容上流過電流的積分；反之，電容上流過的電流是電壓的微分。上流過的電流是電壓的微分。第29頁/共36頁第三十頁，共36頁。開關(guān)合上的瞬間，開關(guān)合上的瞬間，vc0，電路，電路(dinl)中有電流中有電流i流過，對電容進(jìn)行流過，對電容進(jìn)行充電，充電，vc增大，電流增大，電流i減小，最后減小，最后vcVs，i0，電路，電路(dinl)從暫從暫態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)。態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)。第30頁/共36頁第三十一頁，共36頁。1CvidtC但電流不是一個但電流不是一個(y )常數(shù)，充電電流隨時間增長而不斷減小。有：常數(shù)，充電電流隨時間增長而不斷減小。有：(1)tCSvVeRC稱為稱為(chn wi)