第四章集成運算放大器(恢復(fù))

1、多級放大電路多級放大電路極間耦合形式：極間耦合形式：直接直接耦合耦合A1A2電路簡單，能放大交、直流信號，電路簡單，能放大交、直流信號，“Q”互相影響，零點漂移嚴(yán)重互相影響，零點漂移嚴(yán)重阻容阻容耦合耦合A1A2各級各級“Q”獨立，只放大交流信號獨立，只放大交流信號信號頻率低時耦合電容大信號頻率低時耦合電容大光電光電耦合耦合A1A2主要用于耦合開關(guān)信號主要用于耦合開關(guān)信號,抗干擾能力強抗干擾能力強變壓器變壓器耦合耦合A1A2用于選頻放大器、用于選頻放大器、功率放大器等功率放大器等第第4 4章章 Au1第一級第一級Au2第二級第二級Au1末末 級級uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii輸

2、入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級RiRo1. 直接耦合零漂的影響直接耦合零漂的影響2. 零漂的衡量零漂的衡量 將輸出的漂移折合到輸入端將輸出的漂移折合到輸入端 如：如： UO1= 1 V U02 = 2 V A1 = 103， A2 =104 AUUOI 則則： UI1= 1 mV , UI2 = 0.2 mV結(jié)論結(jié)論: A1零漂嚴(yán)重零漂嚴(yán)重 U = 0. 02V0.42V8.42VA1 = 20A2 = 20A3 = 20第第3 3章章 (Differential Amplifier)4.2.1 差分放大電路的工作原理差分放大電路的工作原理特點特點：a. 兩個輸入端兩個輸入端,兩個輸出端兩

3、個輸出端b. 元件參數(shù)對稱元件參數(shù)對稱c. ui1 = ui2 時時, uo = 0能有效地克服零點漂移能有效地克服零點漂移ICQ1ICQ2IEEIEQ1IEQ2UCQ1VEE = UBEQ + IEEREEIEE = (VEE UBEQ) / REEICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REEUCQ1 = VCC ICQ1RCUCQ2 = VCC ICQ2RCUo = UCQ1 UCQ2 = 0一、電路組成及靜態(tài)分析一、電路組成及靜態(tài)分析直直流流通通路路UCQ2第第3 3章章 V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uoV1+VCCV2VEERCRCREEuoVEE1.

4、差模輸入與差模特性差模輸入與差模特性 差模輸入差模輸入ui1 = ui2差模輸入電壓差模輸入電壓uid = ui1 ui2= 2ui1 = ui2差模信號交流通路差模信號交流通路ic1ic2使得：使得：ic1 = ic2uo1 = uo2差模輸出電壓差模輸出電壓uod = uC1 uC2= uo1 ( uo2) = 2uo1idodduuAu beCd1rRAu 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)帶帶RL時時RLbeLdrRAu L21CL/RRR Rid = 2rbe差模輸入電阻差模輸入電阻差模輸出電阻差模輸出電阻Rod = 2RC大小相同大小相同 極性相反極性相反二、動態(tài)分析二、動態(tài)分析第第

5、3 3章章 ui1V1+VCCV2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2例例3.3.1 已知已知: = 80, rbb = 200 , , UBEQ = 0.6 V, 試求試求:(1) 靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點 (2) 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)Aud差模輸入電阻差模輸入電阻Rid，輸出電阻，輸出電阻Rod解解(1) ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REE= (12 0.6) / 2 20= 0.285 (mA)UCQ1= UCQ2 = VCC ICQ1RC=12 0.285 10 = 9.15 (V)(2)(

6、7489285. 0268120026)1(200EQbe Ir beLd rRAu L21CL/RRR = 10 / 10 = 5 (k )7 .5259. 7580 Rid=2rbe= 2 7.59 = 15.2 (k )Rod = 2RC= 20 (k )第第3 3章章 ui1V1+12VV212VRCRCREEuodui210 k 10 k 20 k 20 k 2. 共模輸入與共模抑制比共模輸入與共模抑制比共模輸入共模輸入ui1 = ui2共模輸出電壓共模輸出電壓uic = ui1 = ui2使得使得:ie1 = ie2IEQ1 + ie1IEQ2 + ie2ue = 2ie1REE2

7、REE2REE共模輸入電壓共模輸入電壓uoc = uC1 uC2= 00icocc uuAu共模抑制比共模抑制比cdCMRuuAAK 用對數(shù)表示：用對數(shù)表示：cdCMRlg20)dB(uuAAK 大小相同大小相同極性相同極性相同共模信號交流通路共模信號交流通路第第3 3章章 ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2V1V2RCRCuodui2uC1uC2(2) 若若Aud = 50、 Auc = 0.05求求輸出電壓輸出電壓uo，及，及KCMR1.01V0.99V解解可將任意輸入信號分解為可將任意輸入信號分解為共模信號和差模信號之和共模信號和差模信號之和(1)ui1

8、= 1.01 = 1.00 + 0.01 (V)ui2 = 0.99 = 1.00 0.01 (V)uid = u i1 u i2 = 1.01 0.99 = 0.02 (V)uiC = (ui1+ ui2 ) / 2 = 1 (V)id21i1 iuuuc id21ici2uuu (2) uod = Auduid= 50 0.02 = 1 (V)uoc = Aucuic= 0.05 1= 0.05 (V)uo = Auduid + Aucuic= 1.05 (V)cdCMRlg20)dB(uuAAK 05. 050lg20 = 60 (dB)(1) 求求差模輸入電壓差模輸入電壓uid 、共模

9、輸入電壓、共模輸入電壓uic例例2第第3 3章章 ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC22. 深度負(fù)反饋電路性能的估算：深度負(fù)反饋電路性能的估算：( (1) )電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋8uiC1R1uoR2Rfuiduf0id u虛短虛短fi uu f11of RRRuu 1ffoiof1RRuuuuAu Rif,if RR if,2ifRR Rof0of R 例例 1 第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用 例例 2 0id ufi uu 1foiof uuuuAuR if,if RRif,BifRR R0f0of

10、R 例例 3 fi uu 1Effoiof1RRuuuuAu 第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用( (2) )電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋運算放大器在線性應(yīng)用運算放大器在線性應(yīng)用時同時存在虛短和虛斷時同時存在虛短和虛斷0 ii虛斷虛斷f i ii 0 uu虛地虛地1f1iffiofRRRiRiuuAu 0 id i虛斷虛斷f 1 ii b0 u虛地虛地sfsi ff sosfRRRiRiuuAu 例例 1 例例 2 第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用( (3) )電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋0id

11、u虛短虛短0 i虛斷虛斷 fi uu foRi fLoRRu fLiofRRuuAu 0be id uu虛短虛短 fi uu E1oRi Loo Riu E1LiofRRuuAu 94. 251. 03/3 例例 1 例例 2 第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用( (4) )電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋 例例 1 0 uu虛地虛地1if i Ruii L3fffLoo)(RRRiiRiu L31f3iof)(RRRRRuuAu 第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用4.3.3 負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性負(fù)反

12、饋放大電路的穩(wěn)定性( (消除自激振蕩消除自激振蕩) )一、自激振蕩的現(xiàn)象一、自激振蕩的現(xiàn)象ui = 0AuouiAuo二、產(chǎn)生自激振蕩的條件和原因二、產(chǎn)生自激振蕩的條件和原因1. 自激條件自激條件AFAA 1f 01 FA當(dāng)當(dāng) )12 1相相位位條條件件（幅幅度度條條件件 nAFFAAF 的的附附加加相相移移 AA 的的附附加加相相移移 FF 2. 自激的原因自激的原因附加相移附加相移 AF 使負(fù)反饋使負(fù)反饋 正反饋正反饋 fA第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用3. 消除自激的方法消除自激的方法 相位補償相位補償在電路中加入在電路中加入 C，或，

13、或 R、C 元件進(jìn)行相位補償，元件進(jìn)行相位補償，改變電路的高頻特性，從而破壞自激條件。改變電路的高頻特性，從而破壞自激條件。相位補償形式相位補償形式滯后補償滯后補償電容滯后電容滯后 RC 滯后滯后超前補償：超前補償：密勒效應(yīng)補償密勒效應(yīng)補償電容滯后補償電容滯后補償RC 滯后補償滯后補償密勒效應(yīng)補償密勒效應(yīng)補償R第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用集成運放應(yīng)用電路的測試集成運放應(yīng)用電路的測試 集成運放應(yīng)用電路的測試集成運放應(yīng)用電路的測試第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用2. 主要參數(shù)主要參數(shù)1) ) 輸

14、入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 U IO使使 UO = 0，輸入端施加的補償電壓，輸入端施加的補償電壓2) ) 輸入偏置電流輸入偏置電流 I IB幾毫伏幾毫伏UO = 0 時，時， 21BPBNIB）（III 10 nA 1 A3) ) 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIOUO = 0 時，時， BPBNIOIII 1 nA 0.1 A4) ) 開環(huán)電壓增益開環(huán)電壓增益 Aud100 140 dB5) ) 差模輸入電阻差模輸入電阻 R id輸出電阻輸出電阻 Ro幾十千歐幾十千歐 幾兆歐幾兆歐幾十歐幾十歐 幾百歐幾百歐)dB(lg20cdCMRuuAAK 6) ) 共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB

15、第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用7) ) 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdM共模輸入共模輸入 U IC 過大，過大，K CMR下降下降當(dāng)當(dāng) UId 過大時，反偏的過大時，反偏的 PN 結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。NPN 管管 UIdM = 5 V橫向橫向 PNP 管管 UIdM = 30 VCF741 為為 30 V8) )最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UICM9) ) 最大輸出電壓幅度最大輸出電壓幅度 UOPP輸出級為輸出級為 OCL 電路電路一般比電源電壓小一個一般比電源電壓小一個 UCE(sat)如電源

16、電壓如電源電壓 15 V，U OPP 為為 13 14 VCF741 為為 13 V第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用二二、集成運放使用注意事項集成運放使用注意事項( (一一) ) 集成運放的封裝和引腳排列集成運放的封裝和引腳排列封裝形式封裝形式: 金屬圓形、雙列直插式、扁平式金屬圓形、雙列直插式、扁平式封裝材料封裝材料: 陶瓷、金屬、塑料陶瓷、金屬、塑料例例: 塑封雙列直插式塑封雙列直插式( (DIP) )CF741DIPDual In-Line Pakage第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用 4

17、.4.1 比例運算比例運算 4.4.2 加法與減法運算加法與減法運算 4.4.3 微分與積分運算微分與積分運算 4.4.4 基本運算電路應(yīng)用舉例基本運算電路應(yīng)用舉例第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用4.4.1 比例運算比例運算一、反相比例運算一、反相比例運算運算放大器在線性應(yīng)用運算放大器在線性應(yīng)用時同時存在虛短和虛斷時同時存在虛短和虛斷0 ii虛斷虛斷F 1 ii 0 uu虛地虛地fFORiu1f11fFiofRRRiRiuuAu為使兩輸入端對地直流電阻相等：為使兩輸入端對地直流電阻相等：R2 = R1 / R f平衡電阻平衡電阻特點：特點：1.

18、 .為深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，為深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，Auf = Rf / R 12. 輸入電阻較小輸入電阻較小RifR ifR if = R13. uIC = 0 ，對，對 KCMR 的要求低的要求低u+ = u = 0虛地虛地虛短和虛斷虛短和虛斷第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用二、同相比例運算二、同相比例運算 I uuuF 1 ii ，fIO1IRuuRuI1fO)1(uRRu1ff1RRAuAuf = 1跟隨器跟隨器當(dāng)當(dāng) R1 = ，Rf = 0 時，時， 特點：特點：1. 為深度電壓為深度電壓串聯(lián)串聯(lián)負(fù)反饋，負(fù)反饋，Auf = 1 + Rf

19、/R12. 輸入電阻大輸入電阻大 R if = 3. ，對，對 KCMR 的要求高的要求高uIC = u iu+ = u = uI第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用4.4.2 加法與減法運算加法與減法運算一、加法運算一、加法運算1. 反相加法運算反相加法運算R3 = R1 / R2 / RfiF i1 + i22I21I1fORuRuRu)(2I21I1fORuRuRu若若 Rf = R1= R2 則則 uO = (uI1+ uI2)第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用 R2 / R3 / R4 =

20、R1/ RfuRRu)1(1fO)/)(1(I242342I1432431fOuRRRRRuRRRRRRRuI242342I143243/uRRRRRuRRRRRu若若 R2 = R3 = R4，則則 uO = uI1+ uI2 Rf = 2R1 2. 同相加法運算同相加法運算第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用法法 1：利用疊加定理：利用疊加定理uI2 = 0 uI1 使：使：I11fO1uRRuuI1 = 0 uI2 使：使：uRRu)1(1fO22If1f1f2O)1(uRRRRRu 一般一般R1 = R 1； Rf = R fuO = uO1 + uO2 = Rf / R1( uI2 uI1 )法法 2：利用虛短、虛斷：利用虛短、虛斷f1fI1f11ORRRuRRRuuf1fI2RRRuu uuo = Rf /R1( uI2 uI1 )減法運算實際是差分電路減法運算實際是差分電路二、減法運算二、減法運算第第 4 章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用章負(fù)反饋放大電路與基本運算電路的應(yīng)用4.4.3 微分與積分運算微分與積分運算tuCiddI11R2 = Rf 0 u虛地虛地foFRuiF 1 ii 虛斷虛斷tuCRRiuddI1ffFORfC1 =