集成運(yùn)算放特性

關(guān)于集成運(yùn)算放特性2.1.1放大電路的概念

信號(hào)放大是對(duì)信號(hào)乘比例系數(shù)的運(yùn)算，比例系數(shù)稱(chēng)為增益或放大倍數(shù)。

放大電路（放大器）是實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能的電子電路。音頻放大器+V

擴(kuò)音機(jī)放大電路框圖

當(dāng)有聲波輸入時(shí)，拾音器將聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，音頻放大器將其幅度和功率放大并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器將輸出電壓信號(hào)還原成較強(qiáng)的聲波。所以，放大器僅對(duì)輸入信號(hào)按一定比例(通常大于1)放大產(chǎn)生輸出信號(hào)，即輸出信號(hào)不失真地放大復(fù)制輸入信號(hào)。

當(dāng)無(wú)聲波輸入時(shí)，拾音器輸出電壓為0，音頻放大器的輸出電壓亦為0，揚(yáng)聲器沒(méi)有聲波輸出，即直流電源+V不直接產(chǎn)生輸出電壓。第2頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(hào)功率的源泉。例如，當(dāng)關(guān)掉電源時(shí)，揚(yáng)聲器無(wú)聲音輸出。在輸入信號(hào)的控制下，放大器的直流電源按信號(hào)變化規(guī)律發(fā)出功率，幫助增大輸出信號(hào)幅度，從而實(shí)現(xiàn)了功率放大（信號(hào)功率與其幅度的平方成正比）。所以，放大器的實(shí)質(zhì)是信號(hào)功率的放大。放大器必需包含有將直流電源功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)功率的電子元器件，稱(chēng)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(hào)頻率范圍內(nèi)，對(duì)于輸入輸出信號(hào)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(luò)。圖中，VS和RS表示信號(hào)源電壓和內(nèi)阻，RL表示負(fù)載。

放大電路框圖放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL第3頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天放大電路的增益定義為：根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，增益分為：電壓增益：（無(wú)量綱）

2.電流增益：（無(wú)量綱）

3.互阻增益：4.互導(dǎo)增益：（電阻量綱）

（電導(dǎo)量綱）

5.功率增益：對(duì)于電阻性負(fù)載：

放大電路框圖放大器ViVo+--+iiioRSVS+-RL第4頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天放大器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(chēng)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(dǎo)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(luò)從輸出端看：含獨(dú)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(wú)獨(dú)立源電阻性電路等效為電阻—輸入電阻。開(kāi)路電壓增益第5頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(zhuǎn)換為信號(hào)功率的能力。輸出電壓：負(fù)載電壓增益：結(jié)論：輸出電阻越小、開(kāi)路增益和輸入電阻越大，則電壓增益越大。放大電路實(shí)際的輸入電壓：信號(hào)源電壓增益：

電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--第6頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

綜上所述，設(shè)計(jì)放大器時(shí)，總是希望其開(kāi)路電壓增益和輸入電阻大（Ri>>RS）、輸出電阻很?。≧o<<RL）。一個(gè)理想放大器的輸入電阻為無(wú)窮大、輸出電阻為0，等效為一個(gè)理想的電壓控制電壓源。為了增大電壓增益，可用多個(gè)放大電路級(jí)聯(lián)。Ro2Ri2AVO2Vo1+ViVo1+--+iiioRSVSRLRo1Ri1AVO1Vi+-+Vo+結(jié)論：級(jí)聯(lián)放大器的電壓增益等于各個(gè)單級(jí)放大器的增益之積，輸入電阻等于第一級(jí)的輸入電阻（Ri1），輸出電阻等于最末級(jí)的輸出電阻（Ro2）。

第7頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天iSRLiiioRSRoRiAisii(2)電流放大模型(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--

對(duì)信號(hào)源或受控源進(jìn)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(dǎo)放大模型。開(kāi)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(dú)立源電流獨(dú)立源電壓受控源電流受控源第8頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)互阻放大模型iSVo-+iiRSRLRoRiAroii+(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--開(kāi)路電壓增益：開(kāi)路互阻增益：輸入電阻和輸出電阻不變電壓獨(dú)立源電流獨(dú)立源第9頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天(4)互導(dǎo)放大模型RLVi+-ioRSVSRiRoAgsvi+(1)電壓放大模型ViVo+--+iiioRSVSRLRoRiAVOVi++--開(kāi)路電壓增益：短路互導(dǎo)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(shí)際放大器。無(wú)特別聲明，通常采用電壓模型。第10頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.3放大電路的主要性能指標(biāo)

放大電路的性能指標(biāo)是衡量其品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，是正確使用的依據(jù)。主要的性能指標(biāo)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(duì)于無(wú)量綱的增益，可用分貝表示。

對(duì)數(shù)運(yùn)算將乘法轉(zhuǎn)換成加法，故多級(jí)放大器的增益分貝數(shù)等于各單級(jí)增益分貝數(shù)之和。第11頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天of有用信號(hào)頻段AVfLfH0.707AV(b)實(shí)際放大器的頻率特性of有用信號(hào)頻段AV(a)理想放大器的頻率特性3．通頻帶寬

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

有用信號(hào)頻段的增益稱(chēng)為中頻增益增益（Av），使增益下降為中頻增益的0.707倍所對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)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(chēng)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天(a)幅度失真(b)相位失真：相位不同

當(dāng)信號(hào)頻段與放大器的中頻區(qū)不相同時(shí)，將引起輸出信號(hào)失真，稱(chēng)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天o

理想放大器的傳輸特性o

實(shí)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(guān)系曲線稱(chēng)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(guò)零點(diǎn)的直線。4．非線性失真系數(shù)

但是,實(shí)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天放大器的非線性失真ooo

虛線輸入信號(hào)在特性的線性區(qū)，輸出不失真。

實(shí)線輸入信號(hào)超出特性的線性區(qū)，輸出失真。

失真的輸出信號(hào)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(yán)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(fù)載容許的非線線失真系數(shù)的條件下，當(dāng)輸入電壓再增大就會(huì)使輸出電壓產(chǎn)生非線性失真時(shí)的輸出電壓幅度。第15頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在容許的非線線失真系數(shù)的條件下，負(fù)載能夠獲得的最大平均信號(hào)功率稱(chēng)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2集成運(yùn)算放大器的基本概念

集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱(chēng)為運(yùn)算放大器（OperationalAmplifier）或運(yùn)放（OP），是一種特殊類(lèi)型的高增益集成電路放大器。 1．運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電路

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

運(yùn)放的內(nèi)部電路主要由半導(dǎo)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(yùn)算放大器的外特性。第17頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天+RLRNRPRP+VEEVCCRLRN+-VEEVCCRLRNRP+電路符號(hào)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電路運(yùn)算放大器同相輸入端反相輸入端輸出端正、負(fù)電源端電位參考節(jié)點(diǎn)輸入信號(hào)電源用節(jié)點(diǎn)電位表示理論上，電源不直接產(chǎn)生輸出信號(hào)開(kāi)環(huán)：信號(hào)只能從輸入端傳遞到輸出端

第18頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．差模信號(hào)和共模信號(hào)+RLRNRP任意輸入信號(hào)可分解為差模信號(hào)和共模信號(hào)：共模抑制比第19頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在電子系統(tǒng)中，差模信號(hào)是有用信號(hào)，需要增強(qiáng)；共模信號(hào)則是無(wú)用信號(hào)或誤差信號(hào)，應(yīng)該抑制。

所以，運(yùn)算放大器的差模增益很大，通常可達(dá)104（80dB）以上，而共模增益卻很小，導(dǎo)致共模抑制比很大，通?？蛇_(dá)103（60dB）以上。第20頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天Vidmax-VidmaxVOsat+VOsat-Vidl-Vidl∥∥2.3運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)傳輸特性

運(yùn)算放大器的輸出電壓與差模輸入電壓的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為開(kāi)環(huán)傳輸特性。雙電源（VCC，-VEE）運(yùn)算放大器的開(kāi)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(yùn)算放大器的特性和電源電壓有關(guān)。例如，運(yùn)算放大器LM741通常作用的電源電壓為±15V，開(kāi)環(huán)差模電壓增益為105。其VOsat+=15V，VOsat-=-15V，Vidmax=13V，Vidl=0.15mV。所以，實(shí)際高增益運(yùn)算放大器的線性區(qū)很窄，開(kāi)環(huán)工作通常處于飽和區(qū)（非線性區(qū)）。

由于開(kāi)環(huán)增益很大和輸出電壓有限，實(shí)際運(yùn)放的開(kāi)環(huán)特性抽象為理想的開(kāi)環(huán)特性。

Vidmax-VidmaxVOsat+VOsat-o

具有理想開(kāi)環(huán)特性的運(yùn)放稱(chēng)為理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益、帶寬和輸入電阻是無(wú)窮大，輸出電阻為0，VOsat+=VOsat-=VCC

。第22頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1運(yùn)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(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益頻率特性2.4運(yùn)算放大器的線性模型第23頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.1運(yùn)算放大器的交流線性模型Rid2Ric2RicRo+-++RL+RL當(dāng)輸入信號(hào)很?。ǎr(shí)，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)。應(yīng)用疊加原理

因此，應(yīng)用戴維寧定理，可以構(gòu)造出運(yùn)算放大器的線性模型（小信號(hào)模型），即線性等效電路，第24頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天Rid2Ric2RicRo+-++運(yùn)算放大器的交流線性模型（小信號(hào)模型）RL輸出電壓為第25頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天

實(shí)際運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓增益和共模抑制比是在規(guī)定負(fù)載的情況下測(cè)得的。

通常，開(kāi)環(huán)電壓增益可達(dá)104（80dB）以上，共模抑制比可達(dá)103（60dB）以上。差模信號(hào)和共模信號(hào)是同一數(shù)量級(jí)的量。實(shí)際運(yùn)算放大器的輸出電壓主要取決于差模輸入信號(hào)和開(kāi)環(huán)電壓增益。

Rid2Ric2RicRo+-++運(yùn)算放大器的交流線性模型（小信號(hào)模型）RL運(yùn)放的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型RidRo+-+誤差項(xiàng)！有用信號(hào)：差模信號(hào)誤差信號(hào)：共模信號(hào)第26頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天*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(shí)際運(yùn)算放大器的輸出電壓不為零，其值稱(chēng)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(duì)輸出電壓的影響等效為對(duì)輸入信號(hào)的影響，然后，利用交流等效電路計(jì)算輸出失調(diào)電壓。Voo的大小是由運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路和外部電路引起的。1．運(yùn)算放大器內(nèi)部電路的影響

由于運(yùn)放內(nèi)部電路的結(jié)構(gòu)不理想,產(chǎn)生輸出失調(diào)電壓Voo。稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓第27頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．運(yùn)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．考慮直流電源影響的線性模型

考慮對(duì)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(duì)值相加）：最大共模電壓為（共模電壓絕對(duì)值相加）：運(yùn)算放大器完整的線性模型Rid2RicRo+-++RLVID/2VICVICVID/2第29頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天運(yùn)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(hào)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(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天運(yùn)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(hào)誤差模型第31頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天運(yùn)算放大器的模型選擇進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，選擇小信號(hào)模型：運(yùn)放的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型RidRo+-+進(jìn)行誤差分析時(shí)，選擇小信號(hào)誤差模型，并令信號(hào)為零：Rid2RicRo+-++RLVID/2VID/2第32頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4.3運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益頻率特性

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

當(dāng)信號(hào)頻率很小時(shí)，電荷積累效應(yīng)不明顯，可以不考慮它對(duì)運(yùn)算放大器增益的影響。但是，當(dāng)信號(hào)頻率足夠大時(shí)，電荷積累效應(yīng)將明顯地使增益隨頻率增大而減小。-20dB/10倍頻程ofdB204060