集成运算放大器1.ppt

第五章集成运放及应用 要点 1 典型差分放大电路静态工作点和放大倍数的计算 抑制温漂和共模抑制比的意义 2 运放电压传输特性的特点 主要性能指标 类型 如何选择和合理使用 3 集运放组成的同相 反相比例运算电路 加法 减法运算电路 基本运算电路运算关系的分析方法 5 1集成放大电路 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 特点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 分类 模拟集成电路 数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 通用型集成运算放大器的组成及基本特性 1 模拟集成电路的特点 1 直接耦合 采用差分电路形式 元件相对误差小 2 大电阻用恒流源代替 大电容外接 3 二极管用三极管代替 B C极接在一起 4 高增益 高输入电阻 低输出电阻 2 组成方框图 输入级 差分电路 大大减少温漂 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 输出级 OCL电路 第六章功率放大电路 带负载能力强 偏置电路 镜像电流源 微电流源 概述 模拟集成电路种类繁多 电路功能千差万别 但基本组成十分相似 以集成运放为例 差分式放大电路 功能 放大两个输入信号之差 电路完全对称的理想情况下 差分式放大电路的差模电压增益 结论 放大电路两个输入端所共有的任何信号对输出电压都不会有影响 a 取决于两个输入信号的差模信号 两输入端所加信号大小相等 极性相反的信号电压即差模信号 这种输入方式称为差模输入 b 还取决于两个输入信号的共模信号 两输入端所加信号大小相等 极性相同的信号电压即共模信号 这种输入方式称为共模输入 实际情况 共模信号两个输入信号的算术平均值 差模信号两个输入信号之差 于是 当差模信号和共模信号同时存在的情况下 对于线性放大电路来说 应用叠加原理求出总的输出电压 即 差模电压增益 共模电压增益 例 两种情况下差模信号是相同的 但共模信号却不一致 结论 差分式放大电路的输出电压是不相同的 问题 集成电路制造工艺中电容制造困难 解决办法 级与级之间采用直接耦合 新问题 零点漂移 简称零漂或温漂 即当放大电路输入端短路时 输出端还有缓慢变化的电压产生 即输出电压偏离原来的起始点而上下浮动 解决办法 采用差分式放大电路 温度或电源电压的波动引起两管集电极电流以及集电极电压相同的变化 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号 由于电路对称性和恒流源偏置 可使输出电压不变 从而抑制了零点漂移 a 双端输入 双端输出b 双端输入 单端输出c 单端输入 双端输出d 单端输入 单端输出 一 信号输入和输出方式 二 输入信号 差模信号 共模信号 输出信号 理想情况 实际情况 基本差分放大电路 1 工作原理a 静态分析b 动态分析双端输入 双端输出的差模电压增益当集电极C1 C2两点间接入负载电阻RL时 结论 电路完全对称 双端输入 双端输出的情况下 基本差分放大电路与单边电路的电压增益相等 该电路用成倍的元器件换取抑制零点漂移的能力 b 动态分析双端输入 单端输出的差模电压增益单端输入的双端输出 单端输出差模电压增益 b 动态分析双端输入 双端输出的共模电压增益温度变化或其他干扰存在时 两个三极管的电流将按相同的方向一起增大或减小 相当于给差分放大电路加上一个共模输入信号 即可认为 差模输入信号反映的是有效信号 而共模输入信号反映的是漂移信号或者是伴随输入信号一起加入的干扰信号 对两边输入相同的干扰信号 因此 共模电压增益越小 说明放大电路的性能越好 双端输入 单端输出的共模电压增益 结论 单端输出时共模信号掩盖了差模信号 b 动态分析 为了定量说明差分式放大电路抑制共模信号的能力 定义共模抑制比来衡量 定义为放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压增益之比的绝对值 即 c 共模抑制比 两种表示方式 基本差分放大电路存在问题a 内部参数不可能完全匹配 输出电压仍然存在温度漂移 共模抑制比很低b 单个管子的集电极对地电压来看 其温度漂移与单管放大电路相同 丝毫没有改善 解决办法 淘汰基本差分放大电路 改进型差分放大电路 长尾式差分放大电路和恒流源式差分放大电路 例题 a 双端输入 双端输出b 双端输入 单端输出c 单端输入 双端输出d 单端输入 单端输出 差模电压增益 a 双端输入 双端输出b 双端输入 单端输出c 单端输入 双端输出d 单端输入 单端输出 共模电压增益 注意 5 2差分放大电路 一 差分放大电路的工作原理 特点 a 两个输入端 两个输出端 b 元件参数对称 c ui1 ui2时 uo 0 能有效地克服零点漂移 ICQ1 ICQ2 IEE IEQ1 IEQ2 UCQ1 VEE UBEQ IEEREE IEE VEE UBEQ REE ICQ1 ICQ2 VEE UBEQ 2REE UCQ1 VCC ICQ1RC UCQ2 VCC ICQ2RC Uo UCQ1 UCQ2 0 1 电路组成及静态分析 直流通路 UCQ2 共模信号和差模信号示意图 二 差模信号和共模信号 差分放大电路仅对差模信号具有放大能力 对共模信号不予放大 温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号 差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式 差模信号是指在两个输入端加上幅度相等 极性相反的信号 共模信号是指在两个输入端加上幅度相等 极性相同的信号 1 差模输入与差模特性 差模输入 ui1 ui2 差模输入电压 uid ui1 ui2 2ui1 ui2 差模信号交流通路 ic1 ic2 使得 ic1 ic2 uo1 uo2 差模输出电压 uod uC1 uC2 uo1 uo2 2uo1 差模电压放大倍数 带RL时 RL Rid 2rbe 差模输入电阻 差模输出电阻 Rod 2RC 大小相同极性相反 二 动态分析 例已知 80 r bb 200 UBEQ 0 6V 试求 1 静态工作点 2 差模电压放大倍数Aud 差模输入电阻Rid 输出电阻Rod 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 10 10 5 k Rid 2rbe 2 7 59 15 2 k Rod 2RC 20 k 例题 2 共模输入与共模抑制比 共模输入 ui1 ui2 共模输出电压 uic ui1 ui2 使得 ie1 ie2 IEQ1 ie1 IEQ2 ie2 ue 2ie1REE 2REE 2REE 共模输入电压 uoc uC1 uC2 0 共模抑制比 用对数表示 大小相同极性相同 共模信号交流通路 2 若Aud 50 Auc 0 05 求输出电压uo 及KCMR 1 01V 0 99V 解 可将任意输入信号分解为共模信号和差模信号之和 1 ui1 1 01 1 00 0 01 V ui2 0 99 1 00 0 01 V uid ui1 ui2 1 01 0 99 0 02 V uiC ui1 ui2 2 1 V 2 uod Auduid 50 0 02 1 V uoc Aucuic 0 05 1 0 05 V uo Auduid Aucuic 1 05 V 60 dB 1 求差模输入电压uid 共模输入电压uic 例 例题 二 具有电流源的差分放大电路 1 电流源电路 增大共模放大倍数的思路 增大RE 用恒流源代替RE 特点 直流电阻为有限值 动态电阻很大 1 三极管电流源 简化画法 电流源代替差分电路中的RE 2 比例型电流源 二极管温度补偿 比例型电流源 UBE1 UBE2 多路电流源 镜像电流源 UBE1 UBE2 I0 IREF 微电流源 I0R2 UBE1 UBE2 3 镜像和微电流源 V3 V4构成比例电流源电路 2 具有电流源的差分放大电路 简化画法 能调零的差分电路 例 1 求静态工作点 2 求电路的差模Aud Rid Ro 解 1 求 Q ICQ1 ICQ2 0 5I0 UCQ1 UCQ2 6 0 42 7 5 2 85 V 2 求Aud Rid Ro Ro 2RC 15 k 100 总结 三 差分放大电路的输入 输出方式 1 单端输入 输出方式 1 单端输出 输出为双端输出的一半 较双端输出小 即ui1 ui ui2 0 参数计算与双端输入相同 四种连接方式比较 P170 2 单端输入 为双端输入的特例 5 4集成运放电路分析方法及其基本运放电路 一 集成运算放大器电路符号及理想化条件 1 运放的符号 老符号 现用符号 等效电路 U 同相端 U 反相端 UId 差模输入电压 uid u u Aud 开环差模电压放大倍数 uo Aud u u 2 运放特性的理想化 6 UIO 0 IIO 0 理想运放 4 KCMR 5 BW 1 Aud 2 Rid 3 Ro 0 传输特性 O uid uo Uomax Uomax 理想 线性区 实际 3 理想运放工作在线性区的两个特点 u u 虚短 证明 uo Aud u u Auduid u u uo Aud 0 i i 0 虚断 证明 i uid Rid 0 同理i 0 4 理想运放工作在非线性区的两个特点 1 u u 时 uo UOmax u u 时 uo UOmax 2 i i 0 虚断 一 比例运算电路 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 基本运算电路 i 0 v 0 v v v 0 又 iI 0 i1 if R2 平衡电阻 R2 R1 Rf 若R1 Rfvo vi此为反相器 一 反相放大器 反相比例放大器 输出电阻 Ro 0 输入电阻 Ri R1 从输入和地向里看 1 基本电路 二 同相放大器 同相比例放大器 v v vi 由于if i1 输入电阻为 Ri 输出电阻为 Ro 0 但是电路有共模信号输入 vo vi此为电压跟随器 vo 三 电压跟随器 四 差分比例运算电路 为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡 同时为了降低共模抑制比 通常要求 差分比例运算电路的差模输入电阻为 常被用作测量放大器 一 求和运算电路 v 0iI 0 i1 i2 if 若R1 R2 Rf则vo vs1 vs2 若在输出端加一级反相器 则vo vs1 vs2 二 加减运算电路 示例 P 184 185图5 4 7 图5 4 8 二 减法电路 1 利用反相求和以实现减法运算 若R2 Rf2 vo vs1 vs2 若R1 Rf1 2 利用差分电路以实现减法运算 解方程组得 上式中 若取 此电路存在共模信号 应选KCMR高的电路 而利用反相求和实现的减法器 电路中无共模信号 例下图所示电路中 假设各运放具有理想特性 1 指出A1 A2 A3各组成什么电路 2 写出v01 v02 v03的表达式 解 1 A1 电压跟随器 A2 反相求和电路 A3 同相比例放大器 2 vo1 vi 5 5电压比较器 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较 输出一定的高低电平 功能 特性 运放组成的电路处于非线性状态 输出与输入的关系uo f ui 是非线性函数 1 运放工作在非线性状态的判定 电路开环或引入正反馈 运放工作在非线性状态基本分析方法 2 运放工作在非线性状态的分析方法 若U U 则UO UOM 若U U 则UO UOM 虚断 运放输入端电流 0 注意 此时不能用虚短 1 过零比较器 门限电平 0 一 单门限电压比较器 利用电压比较器将正弦波变为方波 t 2 单门限比较器 与参考电压比较 UREF UREF为参考电压 当ui UREF时 uo Uom当ui UREF时 uo Uom 运放处于开环状态 UREF 当uiUREF时 uo Uom 若ui从反相端输入 用稳压管稳定输出电压 忽略了UD 3 限幅电路 使输出电压稳定 稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上 R R 二 迟滞比较器 1 迟滞比较器 特点 电路中使用正反馈 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM 3 当uo负饱和时 uo UOM 迟滞比较器 设ui 当ui UT uo从 UOM UOM 这时 uo UOM U UT 设初始值 uo UOM U UT 设ui 当ui UT uo从 UOM UOM 传输特性 UT 上门限电压UT 下门限电压UT UT 称为回差 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 加上参考电压后的迟滞比较器 上下限 例题 R1 10k R2 10k UZ 6V UR 10V 当输入ui为如图