集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ).ppt

2020 1 29 1 9 1概述9 2零點(diǎn)漂移9 3差動(dòng)放大電路9 4集成運(yùn)算放大器的性能參數(shù)9 5集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 第9章集成運(yùn)算放大器 2020 1 29 2 研究對(duì)象 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 關(guān)注焦點(diǎn) 如何利用理想運(yùn)放的特點(diǎn) 分析運(yùn)放電路 本章主要討論集成運(yùn)放的應(yīng)用 關(guān)于集成運(yùn)放的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)留給要深入了解集成運(yùn)放同學(xué)自學(xué) 集成運(yùn)放的應(yīng)用電路從功能上分有信號(hào)運(yùn)算 信號(hào)處理 信號(hào)產(chǎn)生電路等 2020 1 29 3 1 集成電路簡介 集成電路 Integratedcircuit縮寫為IC 是應(yīng)用半導(dǎo)體制造工藝把晶體管 場效應(yīng)管 電阻 小容量電容等許多元器件以及它們之間的連線都做在同一硅片上 然后封裝在管殼里 這樣制成的具有特定功能的電子電路稱為集成電路 特點(diǎn) 體積小 重量輕 性能好 功耗低 可靠性高 9 1概述 2020 1 29 4 2 集成電路的分類 集成電路按功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類 模擬集成電路按其特點(diǎn)分為集成運(yùn)算放大器 集成穩(wěn)壓器 集成功率放大器等 2020 1 29 5 3 集成電路的工藝特點(diǎn) 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路 2 集成電路的芯片面積小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 3 不易制造大電阻 需要大電阻時(shí) 往往使用有源負(fù)載 4 只能制作幾十pF以下的小電容 因此 集成放大器都采用直接耦合方式 如需大電容 只有外接 5 不能制造電感 如需電感 也只能外接 2020 1 29 6 9 2零點(diǎn)漂移 零漂現(xiàn)象 產(chǎn)生零漂的原因 溫漂指標(biāo) 由溫度變化引起的 當(dāng)溫度變化使第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生微小變化時(shí) 這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大 最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移 因而零點(diǎn)漂移也叫溫漂 輸入Vi 0時(shí) 輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生 溫度每升高1度時(shí) 輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值 2020 1 29 7 例如 若第一級(jí)漂了100uV 則輸出漂移1V 若第二級(jí)也漂了100uV 則輸出漂移10mV 假設(shè) 第一級(jí)是關(guān)鍵 減小零漂的措施 用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償 采用差分式放大電路 漂了100uV 漂移10mV 100uV 漂移1V 10mV 漂移1V 10mV 2020 1 29 8 9 3差動(dòng)放大電路 即 1 2 VBE1 VBE2 VBErbe1 rbe2 rbeRC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 2020 1 29 9 1 差動(dòng)放大電路一般有兩個(gè)輸入端 雙端輸入 從兩輸入端同時(shí)加信號(hào) 單端輸入 僅從一個(gè)輸入端對(duì)地加信號(hào) 2 差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端 一個(gè)是集電極C1 另一個(gè)是集電極C2 雙端輸出 從C1和C2輸出 單端輸出 從C1或C2對(duì)地輸出 二 幾個(gè)基本概念 2020 1 29 10 3 差模信號(hào)與共模信號(hào) 差模信號(hào) 共模信號(hào) 差模電壓增益 共模電壓增益 總輸出電壓 4 共模抑制比 2020 1 29 11 三 差動(dòng)放大電路的基本工作原理 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算 忽略Ib 有 Vb1 Vb2 0V 2020 1 29 12 2 抑制零漂的原理 vo vC1 vC2 0 vo vC1 vC1 vC2 vC2 0 當(dāng)vi1 vi2 0時(shí) 當(dāng)溫度變化時(shí) vC1 vC2 vC1 vC2 2020 1 29 13 1 加入差模信號(hào) 設(shè) vi1 vi2 vid 2 vic 0 3 電路的動(dòng)態(tài)分析 Re對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路 設(shè)vi1 vi2 ib1 ib2 ie1 ie2 ie1 ie2 IRe不變 VE不變 2020 1 29 14 其等效電路為 因?yàn)関i1 vi2 差模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻 輸出電阻 2020 1 29 15 2 加入共模信號(hào) 設(shè) vi1 vi2 vic vid 0 設(shè)vi1 vi2 使vo1 vo2 因vi1 vi2 vo1 vo2 vo 0 理想化 共模電壓放大倍數(shù) 2020 1 29 16 四 差動(dòng)放大器的輸入輸出方式 差動(dòng)放大器共有四種輸入輸出方式 1 雙端輸入 雙端輸出 雙入雙出 2 雙端輸入 單端輸出 雙入單出 3 單端輸入 雙端輸出 單入雙出 4 單端輸入 單端輸出 單入單出 主要討論的問題有 差模電壓放大倍數(shù) 共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻 2020 1 29 17 1 雙端輸入雙端輸出 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 共模電壓放大倍數(shù) 3 差模輸入電阻 4 輸出電阻 2020 1 29 18 2 雙端輸入單端輸出 這種方式適用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號(hào) 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 差模輸入電阻 3 輸出電阻 2020 1 29 19 4 共模電壓放大倍數(shù) 共模等效電路 2020 1 29 20 3 單端輸入雙端輸出 單端輸入等效雙端輸入 因?yàn)橛覀?cè)的Rb rbe歸算到發(fā)射極回路的值 Rs rbe 1 Re 故Re對(duì)Ie分流極小 可忽略 于是有 vi1 vi2 vi 2 計(jì)算同雙端輸入雙端輸出 2020 1 29 21 4 單端輸入單端輸出 注意放大倍數(shù)的正負(fù)號(hào) 設(shè)從T1的基極輸入信號(hào) 如果從C1輸出 為負(fù)號(hào) 從C2輸出為正號(hào) 計(jì)算同雙入單出 2020 1 29 22 1 差模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關(guān) 只與輸出方式有關(guān) 差動(dòng)放大器動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算總結(jié) 雙端輸出時(shí) 單端輸出時(shí) 2 共模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關(guān) 只與輸出方式有關(guān) 雙端輸出時(shí) 單端輸出時(shí) 2020 1 29 23 3 差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入 差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍 單端輸出時(shí) 雙端輸出時(shí) 4 輸出電阻 2020 1 29 24 5 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo) 或 雙端輸出時(shí)KCMR可認(rèn)為等于無窮大 單端輸出時(shí)共模抑制比 2020 1 29 25 五 帶恒流源的差動(dòng)放大電路 根據(jù)共模抑制比公式 恒流源的直流電流數(shù)值為IE3 VZ VBE3 Re 可以看出 加大Re 可以提高共模抑制比 為此可用恒流源T3來代替Re 恒流源相當(dāng)于阻值很大的電阻 恒流源不影響差模放大倍數(shù) 恒流源使共模放大倍數(shù)減小 從而增加共模抑制比 理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無窮大的電阻 所以共模抑制比無窮大 恒流源的作用 2020 1 29 26 思考題 1 若在基本差動(dòng)放大電路中增加兩個(gè)電阻Re 如圖所示 則動(dòng)態(tài)指標(biāo)將有何變化 答 雙端輸出差模增益 差模輸入電阻 單端輸出共模增益 2020 1 29 27 差動(dòng)放大器實(shí)例 2020 1 29 28 思考題 2 差動(dòng)放大電路如圖所示 分析下列輸入和輸出的相位關(guān)系 反相 vC1與vi1 同相 vC2與vi1 同相 vC1與vi2 反相 vC2與vi2 反相 vO與vi1 同相 vO與vi2 3 靜態(tài)時(shí) 兩個(gè)輸入端是否有靜態(tài)偏置電流 2020 1 29 29 1 認(rèn)識(shí)集成運(yùn)算放大器目前集成運(yùn)放常見封裝方式有圓金屬殼式和雙列直插式封裝 后者居多 雙列直插式有8 10 12 14 16管腳等種類 在這些管腳中 有一個(gè)同相輸入端 一個(gè)反相輸入端和一個(gè)輸出端 有正 負(fù)電源輸入端和公共地端 此外根據(jù)設(shè)計(jì)的不同要求還有若干個(gè)外接調(diào)零端 至少有一個(gè)外接調(diào)零端 9 4集成運(yùn)算放大器的性能參數(shù) 2020 1 29 30 2 集成運(yùn)算放大器的常用技術(shù)指標(biāo) 開環(huán)增益 器件輸出電壓同相應(yīng)輸入電壓的比值 它表示器件放大倍數(shù)的大小電壓增益 輸出電壓變化量同相應(yīng)輸入電壓變化量比值電源電壓范圍 器件正常工作的電源電壓變化范圍 電源電流 器件輸入為0 輸出開路 正常工作時(shí)從電源拉出的電流輸入失調(diào)電壓 使器件輸出0V時(shí)的輸入電壓 輸入電阻 在一個(gè)輸入端接地時(shí) 輸入電壓的變化量與輸出電流變化量的比 2020 1 29 31 輸入電壓范圍 使器件能夠正常工作的輸入電壓的變化范圍 電源電壓擬制比 電源電壓規(guī)定的變化量與此范圍內(nèi)如失調(diào)電壓變化量之比 共模擬制比 開環(huán)增益與共模增益的比值 單位是dB 帶寬 電壓增益降至低頻率值以下3dB時(shí)的頻率 轉(zhuǎn)換時(shí)間 輸入大的階躍信號(hào)后 受內(nèi)部限制可以得到輸出電壓的變化速率 2020 1 29 32 3 集成運(yùn)算放大器的重要指標(biāo) 1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod一般Aod越大越好 理想情況Aod 2 最大輸出電壓Uop p集成運(yùn)放最大不失真輸出電壓的峰 峰值 例如 F007電源電壓為 15V Uop p 10V 若Aod 105 則差模輸入電壓Uid 0 1mV 2020 1 29 33 3 差模輸入電阻rid 差模輸入電阻越大越好 理想情況rid 4 輸出電阻ro 輸出電阻越小 說明帶負(fù)載能力越強(qiáng) 理想情況ro 0 2020 1 29 34 9 5集成運(yùn)算放大器應(yīng)用 運(yùn)算放大器的兩個(gè)工作區(qū)域 狀態(tài) 1 運(yùn)放的電壓傳輸特性 設(shè) 電源電壓 VCC 10V 運(yùn)放的AVO 104 Ui 1mV時(shí) 運(yùn)放處于線性區(qū) AVO越大 線性區(qū)越小 當(dāng)AVO 時(shí) 線性區(qū) 0 2020 1 29 35 2 理想運(yùn)算放大器 開環(huán)電壓放大倍數(shù)AV0 差摸輸入電阻Rid 輸出電阻R0 0 為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū) 給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件 電路中有負(fù)反饋 運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法 虛短 U U 虛斷 ii ii 0 3 線性區(qū) 2020 1 29 36 4 非線性區(qū) 正 負(fù)飽和輸出狀態(tài) 運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件 電路中開環(huán)工作或引入正反饋 運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析方法請同學(xué)們閱讀有關(guān)參考書 2020 1 29 37 9 5 1比例運(yùn)算電路 一 反相比例運(yùn)算 虛地點(diǎn) i1 iF 虛斷 因?yàn)橛胸?fù)反饋 利用虛短和虛斷 u 0 u u 0 虛地 平衡電阻 使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等 RP R1 RF f 反饋方式 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 2020 1 29 38 例1 R1 10k RF 20k ui 1V 求 uo Ri RP應(yīng)為多大 Au Rf R1 20 10 2 特點(diǎn) 共模輸入電壓 0 u u 0 缺點(diǎn) 輸入電阻小 Ri R1 uo Auui 2 1 2V Ri R1 RP R1 Rf 10 20 6 7k 2020 1 29 39 采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路 目的 在高比例系數(shù)時(shí) 為避免RF阻值太大 分析 u u 0 虛短 i1 i2 虛斷 2020 1 29 40 二 同相比例運(yùn)算放大器 u u ui i1 iF 虛斷 RP Rf RF 因?yàn)橛胸?fù)反饋 利用虛短和虛斷 反饋方式 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 2020 1 29 41 例2 R1 10k Rf 20k ui 1V 求 uo RP應(yīng)為多大 uo Auui 3 1 3VRP Rf R1 10 20 6 7k 特點(diǎn) 輸入電阻 高 2020 1 29 42 當(dāng)RF 0時(shí) Au 1 uo ui 三 電壓跟隨器 此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況 輸入電阻大 輸出電阻小 在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同 但是電壓跟隨性能好 2020 1 29 43 1 反相求和運(yùn)算 虛地 若R1 R2 R 取RP R1 R2 Rf i1 i2 iF 9 5 2基本運(yùn)算電路 一 加法運(yùn)算電路 2020 1 29 44 2 同相求和運(yùn)算 取R2 R3 R1 Rf 2020 1 29 45 二 減法運(yùn)算電路 一 利用加法器 vi2 vi1 vi2 vi1 反相器 1 2020 1 29 46 疊加定理 二 減法器 差動(dòng)減法器 Vi1作用 Vi2作用 綜合 2020 1 29 47 1 積分電路 三 積分和微分電路 2020 1 29 48 反相積分器 如果ui 直流電壓U 輸出將反相積分 經(jīng)過一定的時(shí)間后輸出飽和 積分時(shí)限 設(shè)Uom 15V U 3V R 10k C 1 F 0 05秒 2020 1 29 49 練習(xí) 畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形 a 階躍輸入信號(hào) b 方波輸入信號(hào) 積分器的輸入和輸出波形圖 2020 1 29 50 應(yīng)用舉例 輸入方波 輸出是三角波 2020 1 29 51 2 微分電路 u u 0 2020 1 29 52 2020 1 29 53 一 對(duì)數(shù)電路 9 5 3對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 自學(xué) 利用PN結(jié)的指數(shù)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算 2020 1 29 54 其中 IES是發(fā)射結(jié)反向飽和電流 uO是ui的對(duì)數(shù)運(yùn)算 BJT的發(fā)射結(jié)有 注意 ui必須大于零 電路的輸出電壓小于0 7伏 利用虛短和虛斷 電路有 也可利用半導(dǎo)體三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算 2020 1 29 55 二 反對(duì)數(shù) 指數(shù) 電路 2020 1 29 56 uO是ui的反對(duì)數(shù)運(yùn)算 指數(shù)運(yùn)算 用半導(dǎo)體三極管實(shí)現(xiàn)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 利用虛短和虛斷 電路有 要求 以上兩個(gè)電路溫漂很嚴(yán)重 實(shí)際電路都有溫度補(bǔ)償電路 2020 1 29 57 1 基本原理 三 對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型模擬乘法器 實(shí)現(xiàn)框圖 2020 1 29 58 對(duì)于差放有 2 集成模擬乘法器 一 基本原理 2020 1 29 59 模擬乘法器功能 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘 其中K為比例因子 量綱 V 1 符號(hào) 2020 1 29 60 二 模擬乘法器的應(yīng)用 1 相乘運(yùn)算 模擬相乘器 立方運(yùn)算電路 2 平方和立方運(yùn)算 平方運(yùn)算電路 3 除法運(yùn)算電路 據(jù)虛斷 如果令K R2 R1則 工作 負(fù)反饋 條件 4 開平方運(yùn)算電路 v1為負(fù)值 負(fù)反饋條件 二極管作用 5 開立方運(yùn)算電路 2020 1 29 64 有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器 濾波器的功能 對(duì)頻率進(jìn)行選擇 過濾掉噪聲和干擾信號(hào) 保留下有用信號(hào) 9 5 4有源濾波電路 濾波器的分類 低通濾波器 LPF 高通濾波器 HPF 帶通濾波器 BPF 帶阻濾波器 BEF 2020 1 29 65 有源濾波器的頻響 本課討論由運(yùn)放及RC元件構(gòu)成的濾波器 2020 1 29 66 濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號(hào)中無用的頻率成分 例如 有一個(gè)較低頻率的信號(hào) 其中包含一些較高頻率成分的干擾 2020 1 29 67 1 一階RC低通濾波器 無源 一 低通有源濾波器 2020 1 29 68 幅頻特性 幅頻特性曲線 2020 1 29 69 2 一階有源低通濾波器 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項(xiàng) 故稱為一階濾波器 2020 1 29 70 相頻特性 幅頻特性及幅頻特性曲線 2020 1 29 71 電路特點(diǎn) 2020 1 29 72 3 二階有源低通濾波器 A0 1 RF R1 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的二次項(xiàng) 故稱為二階濾波器 2020 1 29 73 以上兩式表明 當(dāng)時(shí) Q 1 在處的電壓增益將大于 幅頻特性在處將抬高 當(dāng)Ao 3時(shí) Q 有源濾波器自激 由于將C1接到輸出端 等于在高頻端給LPF加了一點(diǎn)正反饋 所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高 甚至可能引起自激 幅頻特性曲線 2020 1 29 74 二 高通有源濾波器 1 一階有源高通濾波器 2020 1 29 75 幅頻特性及幅頻特性曲線 2020 1 29 76 2 二階有源高通濾波器 由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線 1 通帶增益 2 頻率響應(yīng) 其中 2020 1 29 77 結(jié)論 當(dāng)f f0時(shí) 幅頻特性曲線的斜率為 40dB dec 當(dāng)AO 3時(shí) 電路自激 頻率響應(yīng)特性曲線 2020 1 29 78 可由低通和高通串聯(lián)得到 必須滿足 低通特征角頻率 高通特征角頻率 三 有源帶通濾波器 2020 1 29 79 可由低通和高通并聯(lián)得到 必須滿足 四 有源帶阻濾波器