第八章集成運(yùn)算放大器教案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第八章 集成運(yùn)算放大器8.1直接耦合放大電路一、前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的配置問題直接耦合使各放大級(jí)的工作點(diǎn)互相影響，這是構(gòu)成直接耦合多級(jí)放大電路時(shí)首先要加以解決的問題。1、 用發(fā)射極電阻調(diào)節(jié)電位的直接耦合放大電路2、 用二極管調(diào)節(jié)電位的直接耦合放大電路3、 用穩(wěn)壓管調(diào)節(jié)電位的直接耦合放大電路4、 采用NPN型三極管和PNP型三極管組成互補(bǔ)耦合放大電路二、零點(diǎn)漂移問題當(dāng)放大器的輸入信號(hào)Ui=0時(shí)，其輸出電壓u0往往不為常數(shù)，或者三極管的工作點(diǎn)隨時(shí)間而逐漸偏離原有靜態(tài)值的現(xiàn)象。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因：電路中參數(shù)變化，如電源電壓波動(dòng)、元件老化、半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度而變化。其中主要原因

2、是溫度的影響，所以有時(shí)也用溫度漂移或時(shí)間漂移來表示。工作點(diǎn)參數(shù)的變化往往由相應(yīng)的指標(biāo)來衡量。一般將在一定時(shí)間內(nèi)，或一定溫度變化范圍內(nèi)的輸出級(jí)工作點(diǎn)的變化值除以放大倍數(shù)，即將輸出級(jí)的漂移值歸算到輸入級(jí)來表示的。例如 mV/C 或 mV/min。 因此，克服零漂、提高電壓放大倍數(shù)是直接耦合放大電路的主要研究內(nèi)容。8.2差動(dòng)放大電路一、直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移主要是晶體管的溫漂造成的。在基本差動(dòng)放大電路中，利用參數(shù)的對(duì)稱性進(jìn)行補(bǔ)償來抑制溫漂。在長尾電路和具有恒流源的差動(dòng)放大電路中，還利用共模負(fù)反饋或恒流源抑制每只放大管的溫漂。二、差動(dòng)放大電路組成及特點(diǎn)1、電路組成差分放大

3、器是由對(duì)稱的兩個(gè)基本放大電路通過射極公共電阻耦合構(gòu)成的。“對(duì)稱”的含義是兩個(gè)三極管的特性一致，電路參數(shù)對(duì)應(yīng)相等，即Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，b1=b2，VBE1=VBE2，rbe1= rbe2， ICBO1=ICBO2。2、電路特性（1）差動(dòng)放大電路對(duì)零漂在內(nèi)的共模信號(hào)有抑制作用；（2）差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)有放大作用；（3）共模負(fù)反饋電阻Re的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。對(duì)差模信號(hào)無影響。對(duì)共模信號(hào)有負(fù)反饋?zhàn)饔茫篟e越大對(duì)共模信號(hào)的抑制作用越強(qiáng)；也可能使電路的放大能力變差。3、差動(dòng)放大電路的輸入和輸出方式（1）差動(dòng)放大電路可以有兩個(gè)輸入端：同相輸入端和反相輸入端。根據(jù)規(guī)定的正方向，在某輸入端

4、加上一定極性的信號(hào)，如果輸出信號(hào)的極性與其相同，則該輸入端稱為同相輸入端。反之，如果輸出信號(hào)的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入端。 （2）信號(hào)的輸入方式：若信號(hào)同時(shí)加到同相輸入端和反相輸入端，稱為雙端輸入；若信號(hào)僅從一個(gè)輸入端加入，稱為單端輸入。（3）信號(hào)的輸出方式：差動(dòng)放大電路可以有兩個(gè)輸出端：集電極C1和C2。從C1和C2輸出稱為雙端輸出；僅從集電極C1或C2對(duì)地輸出稱為單端輸出。按照信號(hào)的輸入、輸出方式，或輸入端與輸出端接地情況的不同，差動(dòng)放大電路有四種接法：雙端輸入/雙端輸出；雙端輸入/單端輸出；單端輸入/雙端輸出；單端輸入/單端輸出；4、差模信號(hào)和共模信號(hào)1）差模信號(hào)：幅度相等、

5、極性相反的一對(duì)輸入信號(hào)。通常為有用信號(hào)。2）共模信號(hào)：幅度相等、極性相同的一對(duì)輸入信號(hào)。通常為溫漂和干擾信號(hào)。3）比較輸入：和可以分解為一對(duì)差模信號(hào)和一對(duì)共模信號(hào)的疊加作用。5、差分放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)時(shí)，電路的輸入信號(hào)和均接地，故電路靜態(tài)分析與信號(hào)的輸入方式無關(guān)，可分兩種情況進(jìn)行：雙端輸出和單端輸出。6、差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（1）差模電壓放大倍數(shù)Ad：描述電路放大差模信號(hào)的能力；（2）差模輸入電阻Rid：差模信號(hào)作用下的輸入電阻。（3）差模輸出電阻Rod：差模信號(hào)作用下的輸出電阻。（4）共模電壓放大倍數(shù)Ac：描述電路抑制共模信號(hào)的能力；（5）共模抑制比；理想情況下，共模放大倍數(shù)為0，

6、共模抑制比為。7、差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)分析求解動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)鍵是針對(duì)差模參數(shù)和共模參數(shù)，應(yīng)分別畫出微變等效電路進(jìn)行計(jì)算。差模和共模微變等效電路的主要區(qū)別是對(duì)Re的處理不同：在差模等效電路中，雙端輸入時(shí)Re視為短路；單端輸入時(shí)Re視為開路。在共模信號(hào)作用下對(duì)單邊電路而言，發(fā)射極等效電阻為2Re。雖然差動(dòng)放大電路有四種接法，且有三種不同的輸入信號(hào)。由于單端輸入可以轉(zhuǎn)換為雙端輸入；比較輸入可以看成是差模輸入和共模輸入的疊加。實(shí)際分析計(jì)算時(shí)，只須考慮兩種情況：差模信號(hào)作用下的雙入雙出、雙入單出；共模信號(hào)作用下的雙入雙出、雙入單出。二、改進(jìn)型差分放大電路為了既能采用較低的電源電壓又能有很大的Re等效電阻，可

7、采用恒流源電路來替代Re，這樣可以大大增加電路抑制共模信號(hào)的能力。三、差動(dòng)放大電路的幾種連接方法1、雙端輸入、雙端輸出2、雙端輸入、單端輸出3、單端輸入、雙端輸出4、單端輸入、單端輸出83 集成運(yùn)算放大器的簡單介紹一、集成電路中的元器件特點(diǎn)1、集成電路中的元器件是在相同的工藝條件下做出的，鄰近的器件具有良好的對(duì)稱性，而且受環(huán)境溫度和干擾的影響后的變化也相同，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。2、集成工藝制造的電阻、電容數(shù)值范圍有一定的限制。3、集成工藝制造晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管最容易，眾多數(shù)量的晶體管通過一次綜合工藝完成。集成晶體管有縱向NPN型管、橫向PNP型管和場(chǎng)效應(yīng)管，前者在集成元器件中占

8、用硅片面積最小、性能好、值高，用的也最多；而橫向PNP管是利用制造縱向NPN管的工藝或稍加改造制成，其中PNP管值低，但反耐壓高，常和NPN型管配合使用。二、集成電路結(jié)構(gòu)形式上的特點(diǎn)利用元器件參數(shù)的對(duì)稱性來提高電路穩(wěn)定性利用有源器件代替無源元件采用直接耦合方式采用較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)適當(dāng)利用外接分立元件三、電路的簡單說明1、集成運(yùn)算放大器是一個(gè)高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如下圖所示。 輸入級(jí)要使用高性能的差分放大電路，它必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，而且采用雙端輸入、雙端輸出的形式。中間放大級(jí)要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級(jí)的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器?；?/p>

9、補(bǔ)輸出級(jí)由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。2、集成運(yùn)算放大器的引線和符號(hào) 1）集成運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。一個(gè)稱為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)+或IN+表示；另一個(gè)稱為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相異，用符號(hào)“-”或“IN-”表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有+號(hào)。實(shí)際的運(yùn)算放大器通常必須有正、負(fù)電源端有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。 2） 集成運(yùn)算放大器的符號(hào) 按照

10、國家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)如下圖所示。 四、主要參數(shù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)很多，其中一部分與差分放大器和功率放大器相同，另一部分則是根據(jù)運(yùn)算放大器本身的特點(diǎn)而設(shè)立的。各種主要參數(shù)均比較適中的是通用型運(yùn)算放大器，對(duì)某些項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有特殊要求的是各種特種運(yùn)算放大器。（1） 運(yùn)算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標(biāo) 1）輸入失調(diào)電壓VIO：輸入電壓為零時(shí)，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。VIO是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。 2）輸入失調(diào)電流IIO：在零輸入時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極電流之差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。 3）輸入偏置電流IB：運(yùn)放兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對(duì)管輸入電流

11、的大小。 4）輸入失調(diào)電壓溫漂：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。 5）輸入失調(diào)電流溫漂：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。6）最大差模輸入電壓：運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時(shí),差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7）最大共模輸入電壓：在保證運(yùn)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(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。（2）運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo) 1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) ：運(yùn)放在無外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。 2)差模輸入電阻 ：輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。

12、3)共模抑制比：與差動(dòng)放大電路中的定義相同，是差模電壓增益與共模電壓增益之比，常用分貝數(shù)來表示。KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 4)3dB帶寬 ：運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬。 5)單位增益帶寬(BWG)：下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，定義為單位增益帶寬。 6)轉(zhuǎn)換速率(壓擺率)：反映運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率的表達(dá)式為 7)等效輸入噪聲電壓Vn：輸入端短路時(shí)，輸出端的噪聲電壓折算到輸入端的數(shù)值。這一數(shù)值往往與一定的頻帶相對(duì)應(yīng)。五、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1、 理想運(yùn)放的性能指標(biāo)AodRidRo0KCMRfHUOI、IOI及其

13、溫漂均為零，且無任何內(nèi)部噪聲。2、 理想運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū)（1）線性工作區(qū)特點(diǎn)uoAod（uPuN）具有虛短（即uP=uN）、虛斷（即iP=iN=0）的特點(diǎn)。（2）非線性工作區(qū)當(dāng)uPuN時(shí)uo正向飽和，當(dāng)uPuN時(shí)uo負(fù)向飽和。具有虛斷的特點(diǎn)。8.4運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用一、比例運(yùn)算電路分析方法，利用虛短、虛斷的概念和基爾霍夫電流定理列出放大倍數(shù)表達(dá)式。1、反相比例運(yùn)算電路（1）電路的組成如圖8-15所示。（2）電路的放大倍數(shù)及特點(diǎn)由分析得電路的放大倍數(shù)為AU=u0/ui=RF/R1特點(diǎn)輸入信號(hào)接入反相輸入端，uN點(diǎn)虛地，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。電路不存在共模信號(hào)。放大倍數(shù)可以大于1，

14、可以小于1，也可以等于0。 因?yàn)殡娐芬腚妷翰⒙?lián)負(fù)反饋，故電路的輸入阻抗較低，即Ri=R1。2、同相比例運(yùn)算電路（1）電路的組成如圖8-17所示。（2）電路的放大倍數(shù)及特點(diǎn)由分析得電路的放大倍數(shù)為AU=u0/ui=1+RF/R1特點(diǎn)輸入信號(hào)接入同相輸入端，故其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相。電路存在共模信號(hào)，故應(yīng)選用共模抑制比高的集成運(yùn)放。放大倍數(shù)只能大于或等于1。 因?yàn)殡娐芬腚妷捍?lián)負(fù)反饋，故其輸入阻抗很高。二、加法運(yùn)算（1）電路的組成如下圖所示（2）電路的分析及特點(diǎn)電路的輸出表達(dá)式為電路的特點(diǎn)與反相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)類似。三、減法運(yùn)算電路（1）電路的組成如下圖所示（2）電路的分析及特點(diǎn)電路的輸出

15、表達(dá)式為該電路也存在共模信號(hào)，故應(yīng)選用共模抑制比高的集成運(yùn)放，才能保證一定的運(yùn)算精度。另外該電路還可用兩級(jí)反相求和運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，此時(shí)電路不存在共模信號(hào)。四、積分運(yùn)算電路分析方法，利用虛短、虛斷的概念和基爾霍夫電流定理及電容端電壓與通過它的電流的關(guān)系列出輸出方程。1) 電路的組成如圖8-23所示。2) 電路的分析利用上述分析方法可得電路的輸出表達(dá)式上式表明輸出電壓為輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分。五、微分運(yùn)算電路1) 電路的組成如圖8-26所示。2) 電路的分析利用上述分析方法可求得電路的輸出表達(dá)式上式表明輸出電壓正比與輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分。8.5 運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用一、有源濾波電路濾波器：就是一種選頻電路。按工作頻率的不同，濾波器可分為：低通、高通、帶通1、濾波電路幅頻特性中的概念通帶：能夠通過的信號(hào)頻率范圍。阻帶：受阻或衰減的信號(hào)頻率范圍。通帶放大倍數(shù)：通帶輸出電壓與輸入電壓之比。通帶截止頻率fp：此頻率所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)的倍。2、有源低通濾波器有源濾波電路由無源濾波電路加有源源件（如晶體管、集成運(yùn)放等）所組成。此種電路具