課件-第8章集成運算放大電路

1、第第8章章 集成運算放大電路集成運算放大電路8.1 集成電路概述集成電路概述 集成運算放大器是屬于模擬集成電路的一種，是一個高增益的多級直接耦集成運算放大器是屬于模擬集成電路的一種，是一個高增益的多級直接耦合放大電路。合放大電路。 8.1.1 集成電路及其發(fā)展集成電路及其發(fā)展8.1.2 集成電路的分類集成電路的分類8.1.3 集成電路的特點集成電路的特點圖圖8-1 晶體管接成二極管晶體管接成二極管8.2 集成運算放大器的基本組成及功能集成運算放大器的基本組成及功能 集成運算放大器的內(nèi)部實質(zhì)上是一個高放大倍數(shù)的多級直流耦合放大電路。集成運算放大器的內(nèi)部實質(zhì)上是一個高放大倍數(shù)的多級直流耦合放大電路

2、。它通常包含它通常包含4個基本組成部分，即個基本組成部分，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。 圖圖8-2 集成運放的基本組成部分集成運放的基本組成部分 輸入級輸入級要求其輸入電阻能減小要求其輸入電阻能減小零點漂移和抑制干擾信號。輸入零點漂移和抑制干擾信號。輸入級大都采用級大都采用差分放大差分放大。 中間級中間級主要進(jìn)行電壓放大，由主要進(jìn)行電壓放大，由共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。構(gòu)成。 輸出級輸出級與負(fù)載相接，要求其輸出與負(fù)載相接，要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強，由電阻低，帶負(fù)載能力強，由互補互補對稱電路或射極輸出器對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。構(gòu)成。 偏

3、置電路偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般工作點，一般由各種恒流源電路由各種恒流源電路構(gòu)成。構(gòu)成。 8.2.1用于用于偏置電路偏置電路的電流源電路的電流源電路1.鏡像電流源鏡像電流源圖圖8-3 鏡像電流源鏡像電流源RUVIIIIIIIIIIIBECCRCCRCcCBBCR1100222，則若IC1與與IR之間的關(guān)系如一面鏡子，稱為之間的關(guān)系如一面鏡子，稱為鏡像電流源鏡像電流源。此電流可作為提供給某個放大器的偏置電流。此電流可作為提供給某個放大器的偏置電流。此外，此電流源具有此外，此電流源

4、具有溫度補償作用溫度補償作用，存在如下所示的負(fù)反饋。，存在如下所示的負(fù)反饋。 101CBBRRCCIIUUIIIT2. 微電流源微電流源若想得到小電流，則若想得到小電流，則R必須很大，而必須很大，而大電阻大電阻不便于集成。不便于集成。微電流源可解決此問題微電流源可解決此問題。 圖圖8-4 微電流源微電流源 RUVIIIIIBECCRCECE00011設(shè)計過程很簡單設(shè)計過程很簡單，首先根據(jù)，首先根據(jù)Ic1確定確定Re ，進(jìn)而由，進(jìn)而由IE0和和Vcc，選定，選定R。3.加射極輸出器的電流源（略）加射極輸出器的電流源（略）4. 威爾遜電流源威爾遜電流源（略）（略）5. 以電流源為有源負(fù)載的放大電路

5、以電流源為有源負(fù)載的放大電路（略）（略）8.2.2 用于用于輸入級輸入級的差分放大電路的差分放大電路 【例【例8.1】 8.2.3 用于用于輸出級輸出級的互補對稱功率放大器的互補對稱功率放大器1. 互補對稱電路互補對稱電路見見7.7節(jié)節(jié) 2. 由復(fù)合管組成的互補對稱電路由復(fù)合管組成的互補對稱電路8.3 理想運算放大器理想運算放大器8.3.1 理想運放的技術(shù)指標(biāo)理想運放的技術(shù)指標(biāo)所謂所謂理想運放理想運放就是將集成運放的就是將集成運放的各項技術(shù)指標(biāo)理想化各項技術(shù)指標(biāo)理想化，即認(rèn)為集成運放的各項指標(biāo)為：，即認(rèn)為集成運放的各項指標(biāo)為： 8.3.2 理想運放的兩種工作狀態(tài)理想運放的兩種工作狀態(tài)工作狀態(tài)工

6、作狀態(tài)有線性有線性和和非線性非線性兩種狀態(tài)兩種狀態(tài) 圖圖8-12 集成運放電路符號集成運放電路符號圖圖8-13 集成運放傳輸特性集成運放傳輸特性1線性區(qū)線性區(qū)輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系 Aod表示開環(huán)差模電壓增益表示開環(huán)差模電壓增益 （1）理想運放的差模輸入電壓等于零）理想運放的差模輸入電壓等于零 因理想運放的因理想運放的Aod= （2）理想運放的輸入電流等于零）理想運放的輸入電流等于零 理想運放的差模輸入電阻理想運放的差模輸入電阻Rid= “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是理想運放工作在線性區(qū)的兩個重要特點。這兩個特點常常

7、作為是理想運放工作在線性區(qū)的兩個重要特點。這兩個特點常常作為今后分析運放應(yīng)用電路的出發(fā)點，因此必須牢固掌握。今后分析運放應(yīng)用電路的出發(fā)點，因此必須牢固掌握。2. 非線性區(qū)非線性區(qū)如果運放的工作信號超出了線性放大的范圍，如果運放的工作信號超出了線性放大的范圍，uo將達(dá)到飽和。將達(dá)到飽和。 圖圖8-13中的實線所示。中的實線所示。 UuuuUuuuoo時，當(dāng)時，當(dāng)為了保證運放工作為了保證運放工作在線性區(qū)在線性區(qū)，一般情況下，必須在電路中引入，一般情況下，必須在電路中引入深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋 8.4 放大電路中的反饋放大電路中的反饋8.4.1反饋的基本概念反饋的基本概念 所謂所謂反饋反饋是指將輸出量

8、（電壓或電流）的一部分或全部，按一定的方式送是指將輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，按一定的方式送回到輸入回路，來影響輸入量（電壓或電流）的一種連接方式?；氐捷斎牖芈罚瑏碛绊戄斎肓浚妷夯螂娏鳎┑囊环N連接方式。 輸出量 凈輸入量 輸入量圖圖8-14 反饋放大電路的組成反饋放大電路的組成8.4.2 反饋的分類反饋的分類1. 正反饋和負(fù)反饋正反饋和負(fù)反饋2. 直流反饋和交流反饋直流反饋和交流反饋3. 電壓反饋和電流反饋電壓反饋和電流反饋4. 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋8.4.3 反饋的判斷反饋的判斷1. 有無反饋的判斷有無反饋的判斷2.反饋極性的判斷反饋極性的判斷（a）引入了負(fù)反饋）引

9、入了負(fù)反饋 （b）引入了正反饋）引入了正反饋 （c）引入了負(fù)反饋）引入了負(fù)反饋圖圖8-16 反饋極性的判斷舉例反饋極性的判斷舉例3. 直流反饋與交流反饋的判斷直流反饋與交流反饋的判斷圖圖8-17 交、直流反饋的判斷舉例（只有直流反饋）交、直流反饋的判斷舉例（只有直流反饋）圖圖8-18 交、直流反饋的判斷（只有交流反饋）交、直流反饋的判斷（只有交流反饋）【例【例8.2】 4. 電壓反饋與電流反饋的判斷電壓反饋與電流反饋的判斷圖圖8-21 電壓反饋與電流反饋的判斷（電壓反饋）電壓反饋與電流反饋的判斷（電壓反饋） 圖圖8-22 電壓反饋與電流電壓反饋與電流反饋的判斷（電流反饋）反饋的判斷（電流反饋）

10、 5. 串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判斷 對交變分量而言，若輸入信號和反饋信號分別接到同一放大器對交變分量而言，若輸入信號和反饋信號分別接到同一放大器件的不同電極上，則為件的不同電極上，則為串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋；否則為；否則為并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋。 oFiRRRi2128.4.4 負(fù)反饋放大電路的分析和計算負(fù)反饋放大電路的分析和計算1. 負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式圖圖8-30 負(fù)反饋放大電路的方框圖負(fù)反饋放大電路的方框圖無反饋時的無反饋時的放大倍數(shù)放大倍數(shù)，稱為開環(huán)放大倍數(shù)，稱為開環(huán)放大倍數(shù) ioXXAiiiuuiuuAAAA或、可以是可以是 AofXXF反饋

11、系數(shù)反饋系數(shù) F可以是可以是 FiiiuuiuuFFFF或、閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù) iofXXAfiiXXXiofXFAXFXFAAAf1幅值幅值 |1|FAAAf表現(xiàn)為下面四種情況：表現(xiàn)為下面四種情況： 2. 深度負(fù)反饋的實質(zhì)深度負(fù)反饋的實質(zhì)因為因為所以所以8.4.5 負(fù)負(fù)反饋放大器的反饋放大器的四種四種基本組態(tài)基本組態(tài)圖圖8-23 反饋放大電路的連接示意圖反饋放大電路的連接示意圖一、負(fù)一、負(fù)反饋放大器的反饋放大器的四種四種基本組態(tài)基本組態(tài)1. 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋圖圖8-24 電壓并聯(lián)負(fù)反饋的連接方式電壓并聯(lián)負(fù)反饋的連接方式 圖圖8-25 電壓串聯(lián)負(fù)反饋的連接方式電壓串聯(lián)負(fù)反饋的

12、連接方式2. 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋3. 電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋圖圖8-26 電流并聯(lián)負(fù)反饋的連接方式電流并聯(lián)負(fù)反饋的連接方式4. 電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋圖圖8-27 電流串聯(lián)負(fù)反饋的連接方式電流串聯(lián)負(fù)反饋的連接方式【例【例8.3】 【例【例8.4】 負(fù)反饋放大器的四種基本組態(tài)負(fù)反饋放大器的四種基本組態(tài)匯總圖匯總圖1. 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋2. 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋3. 電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋4. 電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋二、反饋網(wǎng)絡(luò)類型例題的分析二、反饋網(wǎng)絡(luò)類型例題的分析=反饋系數(shù)反饋系數(shù)和深度負(fù)反饋電路和深度負(fù)反饋電路放大倍數(shù)放大倍數(shù)的分析的分析

13、（1）電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路）電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路（a） （b）圖圖8-31 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)反饋系數(shù) 深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋放大倍數(shù)放大倍數(shù) 深度電壓負(fù)反饋后，電路的輸出可近似為深度電壓負(fù)反饋后，電路的輸出可近似為受控恒壓源受控恒壓源。（2）電流串聯(lián)負(fù)反饋電路）電流串聯(lián)負(fù)反饋電路（a） （b）圖圖8-32 電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)反饋系數(shù) 深度負(fù)反饋放大倍數(shù)深度負(fù)反饋放大倍數(shù) （3）電壓并聯(lián)負(fù)）電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路反饋電路（a）信號源是內(nèi)阻為）信號源是內(nèi)阻為Rs的電流源（的電流源（b）將電流源轉(zhuǎn)換為電壓源）將電流源

14、轉(zhuǎn)換為電壓源圖圖8-33 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)反饋系數(shù) 深度負(fù)反饋放大倍數(shù)深度負(fù)反饋放大倍數(shù) 對于對于并聯(lián)負(fù)反饋并聯(lián)負(fù)反饋電路，信號源電路，信號源內(nèi)阻內(nèi)阻RS是必不可少的是必不可少的。因為若。因為若RS=0，恒壓源將直接，恒壓源將直接加在基本放大電路的輸入端加在基本放大電路的輸入端 ,反饋將不起作用。反饋將不起作用。 （4）電流并聯(lián)負(fù)反饋電路）電流并聯(lián)負(fù)反饋電路（a）信號源是內(nèi)阻為）信號源是內(nèi)阻為Rs的電流源（的電流源（b）將電流源轉(zhuǎn)換為電壓源）將電流源轉(zhuǎn)換為電壓源圖圖8-34 電流并聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)電流并聯(lián)負(fù)反饋電路的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)反饋系數(shù)

15、 電流并聯(lián)電流并聯(lián)深度負(fù)反饋放大倍數(shù)深度負(fù)反饋放大倍數(shù) 求解求解深度負(fù)反饋放大電路深度負(fù)反饋放大電路放大倍數(shù)放大倍數(shù)的的一般步驟是一般步驟是：【例【例8.5】 8.4.6 負(fù)反饋對放大電路性能的改善（略）負(fù)反饋對放大電路性能的改善（略）8.4.7 放大電路中引入負(fù)反饋的一般原則放大電路中引入負(fù)反饋的一般原則【例【例8.8】（略）】（略） 8.5 集成運算放大器的應(yīng)用集成運算放大器的應(yīng)用8.5.1 集成運放在集成運放在信號運算信號運算方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用1. 反相比例運算電路反相比例運算電路輸入信號從反相輸入端引入的運算，便是輸入信號從反相輸入端引入的運算，便是反相運算反相運算。 圖圖8-49

16、反相比例運算電路反相比例運算電路反相比例運算電路的反相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)為：為： 1RRuuAFiouf輸出電壓與輸入電壓是比例運算關(guān)系輸出電壓與輸入電壓是比例運算關(guān)系 反饋類型反饋類型 2. 同相比例運算電路同相比例運算電路-電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖圖8-50 同相比例運算電路同相比例運算電路由由“虛短虛短”, ,U U+ + 處相當(dāng)開路電壓處相當(dāng)開路電壓為為 U Uinin反饋類型反饋類型3. 反相求和運算電路反相求和運算電路在反相輸入端有若干輸入信號，則構(gòu)成在反相輸入端有若干輸入信號，則構(gòu)成反相求和運算電路反相求和運算電路 圖圖8-51 反相求和運算電路反相求和

17、運算電路4. 同相求和運算電路同相求和運算電路圖圖8-52 同相求和運算電路同相求和運算電路5. 差分放大運算電路差分放大運算電路 兩個輸入端都有信號輸入，則為兩個輸入端都有信號輸入，則為差分輸入差分輸入。 圖圖8-53 差分放大運算電路差分放大運算電路6. 積分運算電路積分運算電路 圖圖8-42 積分運算電路積分運算電路圖圖8-43 積分運算電路的階躍響應(yīng)積分運算電路的階躍響應(yīng)7. 微分運算電路微分運算電路圖圖8-44 微分運算電路微分運算電路1111RiiRudtduCdtduCifFoicdtduCRuiFo1即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微

18、分成正比。8.5.2 有源濾波電路有源濾波電路圖圖8-57 各種濾波器的幅頻特性各種濾波器的幅頻特性圖圖8-58 濾波器框圖濾波器框圖 1. 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器圖圖8-59 一階有源一階有源LPFRCjRRUUFio11)1 (1幅頻特性：幅頻特性： 相頻特性：相頻特性： 圖圖8-60 一階有源一階有源LPF的幅頻特性和相頻特性的幅頻特性和相頻特性2. 二階低通有源濾波器（略）二階低通有源濾波器（略）3. 一階高通有源濾波器（略）一階高通有源濾波器（略）4. 二階高通有源濾波器二階高通有源濾波器 （略）（略）5. 帶通濾波電路帶通濾波電路帶通濾波器使頻帶內(nèi)的信號通過，而頻帶外

19、的信號不通過帶通濾波器使頻帶內(nèi)的信號通過，而頻帶外的信號不通過 圖圖8-67 帶通濾波電路帶通濾波電路通帶電壓放大倍數(shù)：通帶電壓放大倍數(shù)： FFioACRjRCjACRjUU2)()3(1FFooFuAAffffAjA3)()3(111RCfo21FFupAAA311RRAFF得到上下限得到上下限截止頻率截止頻率：)3(4)3(221FFopAAff)3(4)3(222FFopAAffofoFppfRRfAffB1122)3(FoABfQ318.5.3 電壓比較器電壓比較器1. 單限電壓比較器單限電壓比較器 單限比較器是指只有一個門限電平的電壓比較器，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，單限比較器是指只有一個門限電平的電壓比較器，當(dāng)輸入電壓等