集成运算放大电路.ppt

一 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合时 输入电压为零 但输出电压离开零点 并缓慢地发生不规则变化的现象 原因 放大器件的参数受温度影响而使Q点不稳定 也称温度漂移 图4 1 1零点漂移现象 放大电路级数愈多 放大倍数愈高 零点漂移问题愈严重 4 1直接耦合放大电路 4 1 1直接耦合放大电路的零点漂移现象 第四章集成运算放大电路 二 抑制温度漂移的方法 1 引入直流负反馈以稳定Q点 2 利用热敏元件补偿放大器的零漂 图利用热敏元件补偿零漂 R2 R1 VCC T2 Rc T1 uI uO iC1 Re R uB1 3 采用差分放大电路 4 1 2差分放大电路 差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路 一 电路的组成 利用射极电阻稳定Q点但仍存在零点漂移问题 T的UCQ变化时 直流电源V始终与之保持一致 采用与图 a 所示电路参数完全相同 管子特性也相同的电路 图4 1 2差分放大电路的组成 c 电路以两只管子集电极电位差为输出 可克服温度漂移 共模信号输入信号uI1和uI2大小相等 极性相同 差模信号输入信号uI1和uI2大小相等 极性相反 差分放大电路也称为差动放大电路 差分放大电路的改进图 将发射极电阻合二为一 对差模信号Re相当于短路 典型差分放大电路 长尾式差分放大电路 便于调节静态工作点 电源和信号源能共地 二 长尾式差分放大电路 图4 1 3长尾式差分放大电路 1 静态分析 IE1 IE2 UEE UBE 2Re UCE1 UCE2 UCC UEE RC 2Re IE1 Uo 0 IB1 IB2 IE1 1 由于Rb较小 其上的电压降可忽略不计 2 对共模信号的抑制作用 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化 所以 共模增益 电路参数的理想对称性 温度变化时管子的电流变化完全相同 故可以将温度漂移等效成共模信号 差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用 射极电阻Re对共模信号的负反馈作用 抑制了每只晶体管集电极电流的变化 从而抑制集电极的电位的变化 3 对差模信号的放大作用 图4 1 5差分放大电路加差模信号 a 分析时注意二个 虚地 E点电位在差模信号作用下不变 相当于接 地 负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变 相当于接 地 差模信号作用下的等效电路 图4 1 5差分放大电路加差模信号 b 动态参数 Rid 2 Rb rbe Rod 2RC 共模抑制比 双端输出 理想情况 三 差分放大电路的四种接法 双入 双出 双入 单出 单入 双出 单入 单出 基于不同的应用场合 有双 单端输入和双 单端输出的情况 所谓 单端 指一端接地 静态工作点 IE1 IE2 UEE UBE 2RE UCE1 Uo UEE REIE 1 双端输入单端输出电路 图4 3 7双端输入单端输出差分放大电路 IB1 IB2 IE1 1 注意 由于输出回路的不对称性 UCEQ1 UCEQ2 图4 1 9图4 3 7所示电路对差模信号的等效电路 动态分析 Rid 2 Rb rbe Rod RC 共模电压增益 如输入共模信号 uoc ICR L uic IB rbe 1 2Re 图4 1 10共模信号作用下的双入单出电路 增大Re是改善共模抑制比的基本措施 静态分析 2 单端输入 双端输出 与双入双出的一样 IE1 IE2 VEE VBE 2RE VCE1 VCE2 VCC VEE RC 2RE IE Vo 0 IB1 IB2 IE1 1 图4 1 11单端输入 双端输出电路a 动态分析 运用叠加定理 与双入双出的一样 图4 1 11单端输入 双端输出等效电路 b 静态分析 与双入单出的一样 IE VEE VBE 2RE VCE1 Vo VEE REIE Vo VCCRL RC RL ICRLRC RC RL 3 单端输入 单端输出 图4 1 12单端输入单端输出电路 动态分析 与双入单出的一样 略 IB1 IB2 IE1 1 双端输出时 单端输出时 2 共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 双端输出时 单端输出时 4 差动放大器动态参数计算总结 1 差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 3 差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入 差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍 4 输出电阻 5 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标 或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大 单端输出时共模抑制比 4 2集成运算放大电路概述 集成电路简称IC IntegratedCircuit 集成电路按其功能分 数字集成电路 模拟集成电路 模拟集成电路类型 集成运算放大器 集成功率放大器 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器 集成乘法器 集成稳压器 集成数 模或模 数转换器等 集成电路的外形 集成电路的外形 a 双列直插式 b 圆壳式 c 扁平式 4 2 1集成运放的电路结构特点 一 对称性好 适用于构成差分放大电路 二 集成电路中电阻 其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间 如需高阻值电阻时 要在电路上另想办法 三 在芯片上制作三极管比较方便 常常用三极管代替电阻 特别是大电阻 四 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难 电路通常采用直接耦合电路方式 五 集成电路中的NPN PNP管的 值差别较大 通常PNP的 10 常采用复合管的形式 一 输入级 差分电路 大大减少温漂 二 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 三 输出级 互补对称电路 带负载能力强 四 偏置电路 电流源电路 为各级提供合适的静态工作点 4 2 2集成运放电路的组成及其各部分的作用 实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路 图4 2 1集成运算的基本组成 4 2 3集成运放的电压传输特性 图4 2 2集成运放的符号和电压传输特性 uO f uP uN 集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反向输入端uN 电压传输特性 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 集成运放的工作区域 线性区域 Aod为差模开环放大倍数 非线性区域 输出电压只有两种可能的情况 UOM或 UOM UOM为输出电压的饱和电压 4 3集成运放电路简介 典型的集成运放 双极型集成运放F007 CMOS集成运放C14573 一 引脚 4 3 1双极型集成运放F007 F007的引脚及连接示意图 a b 连接示意图 二 电路原理图 图4 3 1F007电路原理图 1 偏置电路 至输入级 至中间级 基准电流 基准电流产生各放大级所需的偏置电流 各路偏置电流的关系 IREF I11 IC10 I3 4 IC9 IC8 IC12 IC13 微电流源 镜像电流源 输入级 镜像电流源 中间级 输出级 图4 3 1 1F007的偏置电路 2 输入级 T1 T2 T3 T4组成共集 共基差分放大电路 T1 T2基极接收差分输入信号 T5 T6有源负载 T4集电极送出单端输出信号至中间级 uO RW调零电阻 R外接电阻 T7与R2组成射极输出器 图4 3 1 2 若暂不考虑T7和调零电路则电路可简化为 1 T1 T2共集组态 具有较高的差模输入电阻和共模输入电压 2 共基组态的T3 T4 与有源负载T5 T6组合 可以得到很高的电压放大倍数 3 T3 T4共基接法能改善频率响应 4 该电路具有共模负反馈 能减小温漂 提高共模抑制比 图4 3 1 2简化示意图 3 中间级 输入来自T4和T6集电极 输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极 中间级T16 T17组成复合管 T13作为其有源负载 8 9两端外接30pF校正电容防止产生自激振荡 4 输出级 图4 3 1 4F007输出级原理电路 T14 T18 T19准互补对称电路 D1 D2 R9 R10过载保护电路 T15 R7 R8为功率管提供静态基流 调节R7 R8阻值可调节两个功率管之间的电压差 这种电路称为UBE倍增电路 4 4 1理想运放的两个工作区 一 理想运放的性能指标 开环差模电压增益Aod 输出电阻ro 0 共模抑制比KCMR 差模输入电阻rid UIO 0 IIO 0 UIO IIO 0 输入偏置电流IIB 0 3dB带宽fH 等等 理想运放工作区 线性区和非线性区 4 4基本运算电路 二 理想运放在线性工作区 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 理想运放工作在线性区特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 即 虚短 2 理想运放的输入电流等于零 由于rid 两个输入端均没有电流 即 虚断 三 理想运放的非线性工作区 UOM UOM 图4 4 1集成运放的电压传输特性 理想运放工作在非线性区特点 当uP uN时 uO UOM当uP uN时 uO UOM 1 uO的值只有两种可能 在非线性区内 uP uN 可能很大 即uP uN 虚地 不存在 2 理想运放的输入电流等于零 实际运放Aod 当uP与uN差值比较小时 仍有Aod uP uN 运放工作在线性区 例如 F007的UoM 14V Aod 2 105 线性区内输入电压范围 但线性区范围很小 4 4基本运算电路 集成运放的应用首先表现在它能够构成各种运算电路上 在运算电路中 集成运放必须工作在线性区 在深度负反馈条件下 利用反馈网络能够实现各种数学运算 基本运算电路包括 比例 加减 积分 微分 对数 指数 4 4 2比例运算电路 R2 R1 RF 由于 虚断 i 0 u 0 由于 虚短 u u 0 虚地 由iI iF 得 反相输入端 虚地 电路的输入电阻为 Rif R1 图1 1 基本电路 电压并联负反馈 一 反相比例运算电路 2 T型网络反相比例运算电路 图2T型网络反相比例运算电路 电阻R2 R3和R4构成T形网络电路 节点N的电流方程为 i4 i2 i3 输出电压 u0 i2R2 i4R4 所以 将各电流代入上式 二 同相比例运算电路 R2 R1 RF 根据 虚短 和 虚断 的特点 可知 i i 0 又u u u 得 当图3RF 0或R1 时 如下图所示 三 电压跟随器 Auf 1 u0 uI 集成电压跟随器性能优良 常用型号AD9620 计算方法小结 1 列出关键结点的电流方程 如N点和P点 2 根据虚短 地 虚断的原则 进行整理 四差分比例运算电路 图5差分比例运算电路 在理想条件下 由于 虚断 i i 0 由于 虚短 u u 所以 电压放大倍数 4 4 3加减运算电路 一 求和运算电路 1 反相求和运算电路 由于 虚断 i 0 所以 i1 i2 i3 iF 又因 虚地 u 0 所以 当R1 R2 R3 R时 图6 2同相求和运算电路 由于 虚断 i 0 所以 解得 其中 由于 虚短 u u 图8 二 加减运算电路 利用叠加原理求解 图 a 为反相求和运算电路 图 b 为同相求和运算电路 若电路只有二个输入 且参数对称 电路如图10 上式则为 图10差分比例运算电路 电路实现了对输入差模信号的比例运算 若R1 R2 Rf R3 R4 R5 例 用集成运放实现以下运算关系 解 比较得 选RF1 20k 得 R1 100k R3 15 4k 选RF2 100k 得 R4 100k R2 10k 4 4 4积分运算电路和微分运算电路 一 积分运算电路 由于 虚地 u 0 故 uO uC 由于 虚断 iI iC 故 uI iIR iCR 得 RC 积分时间常数 图11 积分电路的输入 输出波形 一 输入电压为阶跃信号 图12 t0 t1 UI 当t t0时 uI 0 uO 0 当t0 t t1时 uI UI 常数 当t t1时 uI 0 uo保持t t1时的输出电压值不变 即输出电压随时间而向负方向直线增长 二 输入电压为正弦波 可见 输出电压的相位比输入电压的相位领先90 因此 此时积分电路的作用是移相 图13 二 微分运算电路 图14基本微分电路 由于 虚断 i 0 故iC iR 又由于 虚地 u u 0 可见 输出电压正比于输入电压对时间的微分 实现波形变换 如将方波变成双向尖顶波 1 基本微分运算电路 微分电路的作用 微分电路的作用有移相功能 2 比例积分运算电路 PI调节器 3 比例微分运算电路 PD调节器 4 4 5对数运算电路和指数运算电路 一 对数运算电路 由二极管方程知 当uD UT时 或 利用 虚地 原理 可得 用三极管代替二极管可获得较大的工作范围 图15 1 采用二极管和三极管的对数运算电路 二 指数运算电路 当uI 0时 根据集成运放反相输入端 虚地 及 虚断 的特点 可得 所以 可见 输出电压正比于输入电压的指数 图16指数运算电路 1 基本电路 三利用对数和指数电路实现的乘除电路 乘法电