第7章 集成運(yùn)算放大電路

1、集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路7.1 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器概述概述把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)不可分的整體。不可分的整體。體積小、外部接線少、功耗低、體積小、外部接線少、功耗低、可靠性高、靈活性高、價(jià)格低?？煽啃愿摺㈧`活性高、價(jià)格低。 具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。用于模擬運(yùn)算、信號處理、測的直接耦合放大器。用于模擬運(yùn)算、信號處理、測量技術(shù)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。量技術(shù)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。輸入級：輸入級： 差動(dòng)放大器，減少零點(diǎn)漂移、提高輸

2、入阻抗。差動(dòng)放大器，減少零點(diǎn)漂移、提高輸入阻抗。輸出級：輸出級： 射極輸出器或互補(bǔ)對稱功率放大器，提高射極輸出器或互補(bǔ)對稱功率放大器，提高 帶載能力。帶載能力。偏置電路：偏置電路： 為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。偏置電路偏置電路輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級中間級：中間級： 電壓放大。電壓放大。反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端+ u+uuo反相輸反相輸入端入端同相輸同相輸入端入端輸出端輸出端+623 7415+15V-15V10k 1k 當(dāng)當(dāng)輸入信號輸入信號為零時(shí)，為零時(shí)，輸出為零。輸出為零。8為空腳為空腳2. . 輸入失調(diào)電壓輸

3、入失調(diào)電壓 U IO使使UO= 0，輸入端施加的補(bǔ)償電壓，輸入端施加的補(bǔ)償電壓幾毫伏幾毫伏3. . 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIOUO = 0 時(shí)，輸入級兩輸入端時(shí)，輸入級兩輸入端的靜態(tài)電流之差。的靜態(tài)電流之差。1 nA 0.1 A1. . 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Aud104 1074. .差模輸入電阻差模輸入電阻 r id輸出電阻輸出電阻 ro幾百千歐幾百千歐 幾兆歐幾兆歐幾十歐幾十歐 幾百歐幾百歐)dB(lg20cdCMRuuAAK 5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB6. . 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdmax共模輸入共模輸入U(xiǎn) IC 過大，過大，

4、K CMR下降。下降。當(dāng)當(dāng) UId過大時(shí)，反偏的過大時(shí)，反偏的 PN 結(jié)可能因反壓過大而被擊結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。穿。LM741 為為 36 V7. .最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UICmax9. . 最大輸出電壓幅度最大輸出電壓幅度 UOPP如電源電壓如電源電壓 15 V，U OPP 為為 13 14 VLM741 為為 16 V兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。出電壓。8. .靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗 PCO幾十毫瓦幾十毫瓦12.3 理想集成運(yùn)算理想集成運(yùn)

5、算放大器的分析方法放大器的分析方法 udA idr0o r CMRK 在分析運(yùn)算放大器的電在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般把路時(shí)，一般把運(yùn)算放大器看運(yùn)算放大器看成理想元件。成理想元件。+ u+uuo icr 運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線稱為曲線稱為。uo uuuio線性工作區(qū)線性工作區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負(fù)飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū) )(didO uuAuAuuu+ u+uuoduA很大很大iu當(dāng)當(dāng)很小時(shí)，運(yùn)放工作很小時(shí)，運(yùn)放工作在線性區(qū)。在線性區(qū)。uo uuuio正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負(fù)飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū) )(didO uuAuAuuu+ u+uuo duA uu

6、 uu OOUu OOUu時(shí)，時(shí)， 為了讓運(yùn)放工作在線性區(qū)，必須加負(fù)反饋，為了讓運(yùn)放工作在線性區(qū)，必須加負(fù)反饋，限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。工作在飽和區(qū)的理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的理想運(yùn)放)(dO uuAuu uu uu OOUu OOUu時(shí)，時(shí)，時(shí)，時(shí)，0)( uu 相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間, 但又未真正短路，故但又未真正短路，故稱稱 “” 。 相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間，但又未真正斷路，故，但又未真正斷路，故稱稱 “ “”。2. i+= i = 0 1. u+= u,而而uo是有限值是有限值,運(yùn)放開環(huán)輸入電阻運(yùn)放開環(huán)輸入電阻 idr 由于由于故從式故從

7、式,可知可知 duA)(dO uuAuu+ u+uuoii+7.2 放大電路中的放大電路中的負(fù)反饋負(fù)反饋 將電路的輸出量將電路的輸出量( (電壓或電流電壓或電流) )的部分或全的部分或全 部，通過一定的元件，以一定的方式回送到輸入回部，通過一定的元件，以一定的方式回送到輸入回 路，以改善放大電路的某些性能。路，以改善放大電路的某些性能。正向傳輸：正向傳輸：輸入輸入 輸出輸出反向傳輸：反向傳輸：輸輸出出 輸入輸入 開環(huán)開環(huán) 閉環(huán)閉環(huán)輸入輸入 輸出輸出 放大電路放大電路 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋信號消弱原輸入信號，使輸出量減小。反饋信號消弱原輸入信號，使輸出量減小。反饋信號增強(qiáng)原輸入信號，使輸出量增大

8、。反饋信號增強(qiáng)原輸入信號，使輸出量增大。+比較比較環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)基本放大電路基本放大電路F反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)反饋的組成框圖負(fù)反饋的組成框圖fXAdXoXiX 輸入信號輸入信號 凈輸入信號凈輸入信號 反饋信號反饋信號 輸出信號輸出信號dXiXfXoXfidXXX 凈輸入信號凈輸入信號反饋信號消弱了凈輸入信號，為反饋信號消弱了凈輸入信號，為反饋。反饋。idXX 則則若若同相，同相，fiXX與與電壓反饋電壓反饋 反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。電流反饋電流反饋 反饋信號取自輸出電流。反饋信號取自輸出電流。AF電壓電壓反饋反饋OULR 電流電流反饋反饋FALR OUOIO

9、I串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋：串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入反饋信號與輸入信號以電壓相加減的形式在信號以電壓相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。輸入端出現(xiàn)。并聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：反饋信號與輸反饋信號與輸入信號以電流相加減的形入信號以電流相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。式在輸入端出現(xiàn)。AFiIfIidIAFiUidUfU電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。電流并聯(lián)負(fù)反饋。 使使 uo = 0 ( (RL 短路短路) )，若，若反饋消失則為電壓反饋否反饋消失則為電壓反饋否則為電流反饋。則為電流反饋。1. 找出反饋元件（或電路

10、），即在輸入和輸出回路間找出反饋元件（或電路），即在輸入和輸出回路間起聯(lián)系作用的元件。起聯(lián)系作用的元件。2. 電壓反饋電壓反饋 反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。電流反饋電流反饋 反饋信號取自輸出電流。反饋信號取自輸出電流。 反饋取自輸出端或輸出分壓端為電壓反饋，反饋反饋取自輸出端或輸出分壓端為電壓反饋，反饋取自非輸出端為電流反饋。取自非輸出端為電流反饋。3. 4. 反饋信號反饋信號與輸入信號與輸入信號在不同輸入端為串聯(lián)反饋，在不同輸入端為串聯(lián)反饋，在在同一個(gè)輸入端為并聯(lián)反饋。同一個(gè)輸入端為并聯(lián)反饋。 采用瞬時(shí)極性法判斷采用瞬時(shí)極性法判斷:反饋信號使凈輸入信號

11、減小的，是負(fù)反饋。反饋信號使凈輸入信號減小的，是負(fù)反饋。 設(shè)某一瞬時(shí)設(shè)某一瞬時(shí)ui為正，根據(jù)電路情況推出此時(shí)反饋信為正，根據(jù)電路情況推出此時(shí)反饋信號的正負(fù)。號的正負(fù)。例：例：輸入輸入回路回路輸出輸出回路回路判斷電路是否存在反饋，并判斷反饋類型。判斷電路是否存在反饋，并判斷反饋類型。+C1RS+ui RERB+VCCC2RL+us+uo+ uBE RE 介于輸入輸出回路，有反饋。介于輸入輸出回路，有反饋。反饋使反饋使 uBE 減小，為負(fù)反饋減小，為負(fù)反饋; ;+uf反饋取自輸出端為電壓反饋反饋取自輸出端為電壓反饋;反饋信號反饋信號與輸入信號與輸入信號在不同輸入端在不同輸入端,為串聯(lián)反饋。為串聯(lián)反

12、饋。電壓串聯(lián)電壓串聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋例：例： 判斷反饋類型。判斷反饋類型。RE 介于輸入輸出回路，有反饋。介于輸入輸出回路，有反饋。反饋使反饋使 uBE 減小，為負(fù)反饋減小，為負(fù)反饋; ;反饋不是取自輸出端，為電流反饋反饋不是取自輸出端，為電流反饋;反饋信號反饋信號與輸入信號與輸入信號在不同輸入端在不同輸入端,為串聯(lián)反饋。為串聯(lián)反饋。+us +VCCRCC1C2RLRERB1RB2RS+uo +ui uBE +uf iE例：例：判斷反饋類型。判斷反饋類型。Rf 為輸入回路和為輸入回路和輸出回路的公共輸出回路的公共電阻，故有反饋。電阻，故有反饋。RL = 0，無反饋，故

13、為電壓反饋。，無反饋，故為電壓反饋。 反饋信號反饋信號與輸入信號都加在了反相與輸入信號都加在了反相輸入端，輸入端，故為并聯(lián)反饋。故為并聯(lián)反饋。 反饋使凈輸入電流反饋使凈輸入電流 減小，為負(fù)反饋。減小，為負(fù)反饋。fi-III R1RfR + RLIU+OUiIfI-I1. 降低放大倍數(shù)降低放大倍數(shù) 由于負(fù)反饋的存在，使放大器的凈輸入信號減小，由于負(fù)反饋的存在，使放大器的凈輸入信號減小，輸出電壓減小，所以包含反饋回路后的電壓放大倍數(shù)輸出電壓減小，所以包含反饋回路后的電壓放大倍數(shù)降低。降低。2. 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 放大器在工作過程中，由于環(huán)境溫度變化、晶體放大器在工作過程中，

14、由于環(huán)境溫度變化、晶體管老化、電源電壓波動(dòng)等情況，都會引起輸出電壓變管老化、電源電壓波動(dòng)等情況，都會引起輸出電壓變化，使電壓放大倍數(shù)不穩(wěn)定。化，使電壓放大倍數(shù)不穩(wěn)定。 加入負(fù)反饋，在同樣的外界條件變化時(shí)，電流負(fù)加入負(fù)反饋，在同樣的外界條件變化時(shí)，電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流，電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電反饋可以穩(wěn)定輸出電流，電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓，電壓放大倍數(shù)變化較小，即比較穩(wěn)定。壓，電壓放大倍數(shù)變化較小，即比較穩(wěn)定。3. 減少非線性失真減少非線性失真uf無負(fù)反饋無負(fù)反饋FufAuiuo+uiduo大大小小uiA產(chǎn)生了產(chǎn)生了失真失真接近正弦接近正弦波，失真波，失真得到改善得到改善4.4.對放大電

15、路輸入電阻和輸出電阻的影響對放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響輸入電阻輸入電阻串聯(lián)負(fù)反饋串聯(lián)負(fù)反饋電流負(fù)反饋電流負(fù)反饋電壓負(fù)反饋電壓負(fù)反饋并聯(lián)負(fù)反饋并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻輸入電阻輸出電阻輸出電阻，輸出電流。輸出電流。輸出電阻輸出電阻，輸出電壓。輸出電壓。7.3 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路0 ii虛斷虛斷F 1 ii -0 uu虛地虛地1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡電阻平衡電阻f1/RRR riIOuu f1RR 若若則則iFR1Rfi1uIR + uou+u-同相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算 I- uuu F 1 ii ,fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu R

16、2 = R1 / Rf平衡電阻平衡電阻當(dāng)當(dāng) R1 = 時(shí)，時(shí)，跟隨器跟隨器IOuu 或當(dāng)或當(dāng)R1 = ，Rf = 0 時(shí)時(shí)，R1iFRfi1uIR2+ uou+u-RfuIR2+ uouI+ uo1. 反相加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路iF = i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 則則 uO = (uI1+ uI2)R = R1 / R2 / Rf平衡電阻平衡電阻iFR1Rfi1uI1R uI2+ uou+u-i2iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-323I2RRRuuu F1ii 整理整理可得可得I11fI

17、23231fo)1(uRRuRRRRRu 1-I11Ruui fO-FRuui 當(dāng)當(dāng)21RR 時(shí)，時(shí)，)(I1I21fOuuRRu 3fRR 和和1fRR I1I2Ouuu 則上式為則上式為當(dāng)當(dāng)時(shí)，則得時(shí)，則得 小小 結(jié)結(jié) 2. 2. 具有很高開環(huán)電壓放具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)、高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性?？梢怨ぷ鞔蟊稊?shù)、高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性?？梢怨ぷ髟诰€性和非線性兩種狀態(tài)。線性工作狀態(tài)必須引入負(fù)在線性和非線性兩種狀態(tài)。線性工作狀態(tài)必須引入負(fù)反饋。反饋。 3. 3. 工作在工作在“” “”是非常重要的概念。是非常重要的概念。1. 1. 將電路的輸出量將電路的輸出量部分或全部，通過一部分或全部，通過一定的元件，以一定的方式回送到輸入回路。定的元件，以一定的方式回送到輸入回路。加入負(fù)加入負(fù)反饋可以改善放大器的性能。反饋可以改善放大器的性能。電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。工作在工作在： uu uu OOUu OOUu時(shí)，時(shí)，時(shí)，時(shí)， 4. 4. 運(yùn)算電路無共模電壓的影響，運(yùn)算電路無共模電壓的影響，但輸入阻抗低，但輸入阻抗低，運(yùn)算電路的輸入阻抗高，但運(yùn)算電路的輸入阻抗高，但存在共模信號的影響。存在共模信號