集成運算放特性課件

關于集成運算放特性第1頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2.1.1放大電路的概念

信號放大是對信號乘比例系數(shù)的運算，比例系數(shù)稱為增益或放大倍數(shù)。

放大電路（放大器）是實現(xiàn)信號放大功能的電子電路。音頻放大器+V

擴音機放大電路框圖

當有聲波輸入時，拾音器將聲波轉換為電壓信號，音頻放大器將其幅度和功率放大并驅(qū)動揚聲器，揚聲器將輸出電壓信號還原成較強的聲波。所以，放大器僅對輸入信號按一定比例(通常大于1)放大產(chǎn)生輸出信號，即輸出信號不失真地放大復制輸入信號。

當無聲波輸入時，拾音器輸出電壓為0，音頻放大器的輸出電壓亦為0，揚聲器沒有聲波輸出，即直流電源+V不直接產(chǎn)生輸出電壓。第2頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

雖然直流電源不能直接產(chǎn)生電壓輸出，但直流電源卻是輸出信號功率的源泉。例如，當關掉電源時，揚聲器無聲音輸出。在輸入信號的控制下，放大器的直流電源按信號變化規(guī)律發(fā)出功率，幫助增大輸出信號幅度，從而實現(xiàn)了功率放大（信號功率與其幅度的平方成正比）。所以，放大器的實質(zhì)是信號功率的放大。放大器必需包含有將直流電源功率轉換為信號功率的電子元器件，稱為有源元件。由電路理論可知，有源元器件在電路中可以等效為受控電源。

綜上所述，在輸入信號頻率范圍內(nèi)，對于輸入輸出信號而言，包括直流電源在內(nèi)的放大電路等效為含有受控源的電阻性二端口網(wǎng)絡。圖中，VS和RS表示信號源電壓和內(nèi)阻，RL表示負載。

放大電路框圖放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL第3頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三放大電路的增益定義為：根據(jù)信號的性質(zhì)，增益分為：電壓增益：（無量綱）

2.電流增益：（無量綱）

3.互阻增益：4.互導增益：（電阻量綱）

（電導量綱）

5.功率增益：對于電阻性負載：

放大電路框圖放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL第4頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL

電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--

與放大電路的外特性等效的電路稱為放大電路的等效模型。2.1.2放大電路的等效模型電壓放大模型電流放大模型互阻放大模型互導放大模1.電壓放大模型含有受控源的電阻性二端口網(wǎng)絡從輸出端看：含獨立源電阻性電路等效為電阻—輸出電阻和電壓源串聯(lián)。戴維寧定理從輸入端看：無獨立源電阻性電路等效為電阻—輸入電阻。開路電壓增益第5頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

受控源Avovi反映了放大電路的電壓放大能力和功率放大能力，即將直流電壓源輸出功率轉換為信號功率的能力。輸出電壓：負載電壓增益：結論：輸出電阻越小、開路增益和輸入電阻越大，則電壓增益越大。放大電路實際的輸入電壓：信號源電壓增益：

電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--第6頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

綜上所述，設計放大器時，總是希望其開路電壓增益和輸入電阻大（Ri>>RS）、輸出電阻很?。≧o<<RL）。一個理想放大器的輸入電阻為無窮大、輸出電阻為0，等效為一個理想的電壓控制電壓源。為了增大電壓增益，可用多個放大電路級聯(lián)。Ro2Ri2AVO2Vo1+ViVo1+--+iiioRSVSRLRo1Ri1AVO1Vi+-+Vo+結論：級聯(lián)放大器的電壓增益等于各個單級放大器的增益之積，輸入電阻等于第一級的輸入電阻（Ri1），輸出電阻等于最末級的輸出電阻（Ro2）。

第7頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三iSRLiiioRSRoRiAisii(2)電流放大模型(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--

對信號源或受控源進行等效變換，電壓放大模型可等效變換為電流放大模型，互阻放大模型，互導放大模型。開路電壓增益：短路電流增益：2．其他形式的等效模型輸入電阻和輸出電阻不變電壓獨立源電流獨立源電壓受控源電流受控源第8頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三(3)互阻放大模型iSVo-+iiRSRLRoRiAroii+(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--開路電壓增益：開路互阻增益：輸入電阻和輸出電阻不變電壓獨立源電流獨立源第9頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三(4)互導放大模型RLVi+-ioRSVSRiRoAgsvi+(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--開路電壓增益：短路互導增益：輸入電阻和輸出電阻不變電壓受控源電流受控源4種放大模型可以互相等效變換，所以，可采用任何一種模型表示實際放大器。無特別聲明，通常采用電壓模型。第10頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2.1.3放大電路的主要性能指標

放大電路的性能指標是衡量其品質(zhì)優(yōu)劣的標準，是正確使用的依據(jù)。主要的性能指標是輸入電阻，輸出電阻，增益，通頻帶寬，非線性失真系數(shù)，最大不失真輸出幅度，最大輸出功率和效率等。輸入電阻和輸出電阻已做了詳盡的闡述。2.增益已做了詳盡的闡述。對于無量綱的增益，可用分貝表示。

對數(shù)運算將乘法轉換成加法，故多級放大器的增益分貝數(shù)等于各單級增益分貝數(shù)之和。第11頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三of有用信號頻段AVfLfH0.707AV(b)實際放大器的頻率特性of有用信號頻段AV(a)理想放大器的頻率特性3．通頻帶寬

已知工程實際問題的有用信號通常是頻譜有限的。放大電路僅對有用信號放大，需要最大的增益；而對有用信號頻率范圍以外的干擾和噪聲信號,增益減小，甚至為0，從而抑制無用信號。實際放大器的增益頻率特性不能突變。

有用信號頻段的增益稱為中頻增益增益（Av），使增益下降為中頻增益的0.707倍所對應的頻率稱為截止頻率或3dB頻率。中頻區(qū)高頻區(qū)低頻區(qū)中頻區(qū)寬度稱為放大器的通頻帶寬（BW）：中頻增益增益fL-下限截止頻率fH–上限截止頻率例如，音頻放大器的中頻區(qū)為[20Hz,20kHz]，帶寬近似為20kHz。第12頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三(a)幅度失真(b)相位失真：相位不同

當信號頻段與放大器的中頻區(qū)不相同時，將引起輸出信號失真，稱為頻率失真。失真是指輸入輸出波形不同。ofAVfLfH0.707AV中頻區(qū)2--基波1--諧波第13頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三o

理想放大器的傳輸特性o

實際放大器的傳輸特性

放大電路的輸出量隨輸入量變化的關系曲線稱為傳輸特性。理想放大器的輸出量與輸入量成正比,傳輸特性是一條過零點的直線。4．非線性失真系數(shù)

但是,實際放大器由非線性的有源元件等組成非線性電路，傳輸特性不是直線。非線性的傳輸特性可能引起失真。第14頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三放大器的非線性失真ooo

虛線輸入信號在特性的線性區(qū)，輸出不失真。

實線輸入信號超出特性的線性區(qū)，輸出失真。

失真的輸出信號包含有基波和高次諧波。非線性失真系數(shù)定義為

非線性失真越嚴重，非線性失真系數(shù)越大。5．最大不失真輸出電壓幅度

定義為：在負載容許的非線線失真系數(shù)的條件下，當輸入電壓再增大就會使輸出電壓產(chǎn)生非線性失真時的輸出電壓幅度。第15頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

在容許的非線線失真系數(shù)的條件下，負載能夠獲得的最大平均信號功率稱為最大輸出功率（Pom）。通常，它與最大不失真輸出電壓幅度的平方成正比。6．最大輸出功率和效率

輸出功率源于直流電源發(fā)出的平均功率（Pv）。效率定義為最大輸出功率與直流電源發(fā)出的平均功率之比的百分值，即第16頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2.2集成運算放大器的基本概念

集成運算放大器簡稱為運算放大器（OperationalAmplifier）或運放（OP），是一種特殊類型的高增益集成電路放大器。 1．運算放大器的開環(huán)電路

運算放大器與正確選取的外部電路元件可以組成信號處理電路，實現(xiàn)各種運算，如放大、加、減、積分和微分等運算。高增益的集成電路運算放大器因此而得名。運放LM741的封裝圖

運放的內(nèi)部電路主要由半導體元件和電阻元件組成，通常不包含電抗元件，全部元件集成制造在只有針尖大小的硅芯片上，封裝后形成電子器件。本節(jié)介紹運算放大器的外特性。第17頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三+RLRNRPRP+VEEVCCRLRN+-VEEVCCRLRNRP+電路符號運算放大器的開環(huán)電路運算放大器同相輸入端反相輸入端輸出端正、負電源端電位參考節(jié)點輸入信號電源用節(jié)點電位表示理論上，電源不直接產(chǎn)生輸出信號開環(huán)：信號只能從輸入端傳遞到輸出端

第18頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2．差模信號和共模信號+RLRNRP任意輸入信號可分解為差模信號和共模信號：共模抑制比第19頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

在電子系統(tǒng)中，差模信號是有用信號，需要增強；共模信號則是無用信號或誤差信號，應該抑制。

所以，運算放大器的差模增益很大，通?？蛇_104（80dB）以上，而共模增益卻很小，導致共模抑制比很大，通?？蛇_103（60dB）以上。第20頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三Vidmax-VidmaxVOsat+VOsat-Vidl-Vidl∥∥2.3運算放大器的開環(huán)傳輸特性

運算放大器的輸出電壓與差模輸入電壓的函數(shù)關系稱為開環(huán)傳輸特性。雙電源（VCC，-VEE）運算放大器的開環(huán)傳輸特性：整體非線性局部線性線性區(qū)：飽和區(qū)：線性范圍：飽和電壓VOsat+、VOsat-差模輸入電壓Vidmax、-Vidmax第21頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

線性區(qū)邊界輸入差模電壓Vidl、最大差模輸入電壓Vidmax、飽和電壓VOsat+和VOsat-與運算放大器的特性和電源電壓有關。例如，運算放大器LM741通常作用的電源電壓為±15V，開環(huán)差模電壓增益為105。其VOsat+=15V，VOsat-=-15V，Vidmax=13V，Vidl=0.15mV。所以，實際高增益運算放大器的線性區(qū)很窄，開環(huán)工作通常處于飽和區(qū)（非線性區(qū)）。

由于開環(huán)增益很大和輸出電壓有限，實際運放的開環(huán)特性抽象為理想的開環(huán)特性。

Vidmax-VidmaxVOsat+VOsat-o

具有理想開環(huán)特性的運放稱為理想運放。理想運放的開環(huán)增益、帶寬和輸入電阻是無窮大，輸出電阻為0，VOsat+=VOsat-=VCC

。第22頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2.4.1運算放大器的交流線性模型*2.4.2直流電源和溫度的影響2.4.3運算放大器的開環(huán)增益頻率特性2.4運算放大器的線性模型第23頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2.4.1運算放大器的交流線性模型Rid2Ric2RicRo+-++RL+RL當輸入信號很?。ǎr，運算放大器工作在線性區(qū)。應用疊加原理

因此，應用戴維寧定理，可以構造出運算放大器的線性模型（小信號模型），即線性等效電路，第24頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三Rid2Ric2RicRo+-++運算放大器的交流線性模型（小信號模型）RL輸出電壓為第25頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三

實際運算放大器的開環(huán)電壓增益和共模抑制比是在規(guī)定負載的情況下測得的。

通常，開環(huán)電壓增益可達104（80dB）以上，共模抑制比可達103（60dB）以上。差模信號和共模信號是同一數(shù)量級的量。實際運算放大器的輸出電壓主要取決于差模輸入信號和開環(huán)電壓增益。

Rid2Ric2RicRo+-++運算放大器的交流線性模型（小信號模型）RL運放的簡化小信號模型RidRo+-+誤差項！有用信號：差模信號誤差信號：共模信號第26頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三*2.4.2直流電源和溫度的影響+-VEEVCCRLRNRP

但是，在直流電源作用下，實際運算放大器的輸出電壓不為零，其值稱為輸出失調(diào)電壓VOO（是直流分量）。理想情況下，要求輸出電壓也為0。

通常將直流電壓源對輸出電壓的影響等效為對輸入信號的影響，然后，利用交流等效電路計算輸出失調(diào)電壓。Voo的大小是由運算放大器的內(nèi)部電路和外部電路引起的。1．運算放大器內(nèi)部電路的影響

由于運放內(nèi)部電路的結構不理想,產(chǎn)生輸出失調(diào)電壓Voo。稱為輸入失調(diào)電壓第27頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2．運算放大器外部電路的影響

+-VEEVCCRLRNRPIBPIBN電源在輸入端產(chǎn)生偏執(zhí)電流。定義：輸入偏置電流輸入失調(diào)電流

由電路，共模電壓分量差模電壓分量偏執(zhí)電流在外部電阻上引起差模電壓和共模電壓。第28頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三3．考慮直流電源影響的線性模型

考慮對輸出電壓的最壞影響，電源在輸入端引起的最大差模電壓和最大共模電壓為最大差模電壓為（差模電壓絕對值相加）：最大共模電壓為（共模電壓絕對值相加）：運算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/2第29頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三運算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/2由疊加原理輸出電壓為：信號電源輸入誤差電壓和輸出誤差電壓主要是和VID引起的。第30頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三運算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/2輸入誤差電壓和輸出誤差電壓主要是和VID引起的。Rid2RicRo+-++RLVID/2VID/2小信號誤差模型第31頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三運算放大器的模型選擇進行信號分析時，選擇小信號模型：運放的簡化小信號模型RidRo+-+進行誤差分析時，選擇小信號誤差模型，并令信號為零：Rid2RicRo+-++RLVID/2VID/2第32頁，講稿共37頁，2023年5月2日，星期三2.4.3運算放大器的開環(huán)增益頻率特性

電子等帶電粒子在半導體元件中移動形成電流時具有一定的電荷積累效應，這種效應可用皮法（10-12F）級的電容元件模擬。

當信號頻率很小時，電荷積累效應不明顯，可以不考慮它對運算放大器增益的影響。但是，當信號頻率足夠大時，電荷積累效應將明顯地使增益隨頻率增大而減小。-20dB/10倍頻程