集成运算放大器原理.ppt

第三章集成运算放大器3 1差动放大电路3 2集成运算放大器3 3信号运算电路3 4信号处理电路3 5小结 3 1差动放大电路 一 零点漂移现象直接耦合多级放大电路的频率特性好 但存在零点漂移现象 1 什么是零点漂移多级放大电路中 在未加入输入信号时 由于温度变化 电源电压波动 元器件老化等原因 引起静态工作点的变动而导致输出端的静态电压上叠加了缓慢变化的输出电压 这种现象称为零点漂移 简称温漂 1 各级放大器都会出现漂移电压 2 减小零漂必须着重解决第一级的零漂电压 3 放大倍数越高 输出零漂越严重 4 在阻容耦合放大电路中 漂移信号都降在耦合电容上 不会传递到下一级而被进一步放大 因此零漂不严重 2 抑制零漂的措施 1 选用稳定性较好的硅三极管作放大管 2 采用直流负反馈以稳定工作点 减小零漂 3 利用热敏元件 补偿放大管受温度影响所引起的零漂 4 采用差动放大器 又称放分放大器 1 电路结构与特点特点 1 由两个完全对称的共射电路组合而成 同时要求参数对称 2 电路采用正负双电源供电 图3 1典型基本差动放大电路 二 差动电路 2 工作分析 1 静态分析 图3 2基本差动放大电路的直流通路 当ui1 ui2 0时 电路如图3 2所示 IE1 IE2 UEE UBE 2IE1Re IE1 UEE UBE 2Re IC1IB1 IE1 UCE1 UCC UEE IC1RC 2IE1RE由于电路对称 故UCE1 UCE2 所以UC1 UC2 UO UC1 UC2 0 表明静态时输出为0 2 交流分析 电路如图3 3所示 uc1 Auui1uc2 Auui2 uo uc1 uc2 Au ui1 ui2 图3 3基本差动放大电路的交流通路 差模信号和差模输入若ui1 ui2大小相同 极性相反 即ui1 ui2 称为差模信号 记为uid 其中uid ui1 ui2输入信号是差模信号的输入方式称差模输入 差模输出uod Au ui1 ui2 Auuid表明差分放大电路可放大差模信号 共模信号和共模输入若ui1 ui2大小和极性都相同 即ui1 ui2 uic 称为共模信号 记为uic 其中uic ui1 ui2 2输入信号是共模信号的输入方式称共模输入 共模输出uoc Au ui1 ui2 0表明差分放大电路可抑制共模信号 3 主要技术指标计算 1 差模特性双端输出的交流通路如图3 4所示 图3 4基本差动放大电路差模输入时的交流通路 差模电压放大倍数AudAud uod uid uo1 uo2 ui1 ui2 2uo1 2ui1 uo1 ui1 Rc RL rbe 若悬空 即RL Avd Rc rbe 若接负载RL 则RL中点为零电位 故 差模输入电阻RidRid 2rbe 差模输出电阻RodRod 2Rc 2 共模特性输入共模信号时的交流通路如图3 5所示 图3 5共模输入时基本差放电路的交流通路 共模电压放大倍数Auc由于vo1 vo2 所以Auc 0 共模抑制比KCMRKCMR Avd Avc 该值越大 表明共模抑制能力越强 理想时 由于Auc 0 所以KCMR 4 差动放大电路的输入 输出形式 1 四种形式双端输入 双端输出 单端输入 双端输出 双端输入 单端输出 单端输入 单端输出 2 性能特点比较 5 恒流源式差动放大电路恒流源的内阻较大 可以得到较好的共模抑制效果 同时利用恒流源的恒流特性给三极管提供更稳定的静态偏置电流 如图3 6所示 图3 6恒流源式差动放大电路 接入恒流三极管后 抑制了共模信号的变化 常常用一个简化的恒流源符号来表示恒流管VT3的具体电路 如图3 7所示 图3 7恒流源式差动放大电路的简化表示法 3 2集成运算放大器 一 集成运算放大器的基本组成和符号集成运算放大器是一个具有高电压放大倍数的多级直接耦合放大电路 1 基本组成 图3 8集成运放的基本组成部分 2 电路符号 图3 9集成运算放大器的电路符号 二 集成运算放大器的主要性能指标1 开环差模电压放大倍数Aud2 输入失调电压UIO3 输入偏置电流IIB4 输入失调电流IIO5 输入失调电压温漂 UIO T和输入失调电流温漂 IIO T6 共模抑制比KCMR7 差模输入电阻rid8 输出电阻rod 三 理想运算放大器1 理想参数 1 开环差模电压放大倍数Aod 2 差模输入电阻rid 3 输出电阻rod 0 4 UIO 0 IIO 0 dUIO dT 0 dIIO dT 0 5 共模抑制比KCMR 6 输入偏置电流IIB 0 7 3dB带宽fh 8 无干扰 噪声 2 结论 仅限于线性工作区 1 理想运放两输入端电位相等 虚短 uo Audui Aud uP uN uP uN uo Aud 0 uP uN 2 理想运放输入电流等于零 虚断 ui uP uN 0且Rid ii ui Rid 0 iP iN 0 1 uo与 uP uN 不再成比例关系 而是达到饱和状态 输出电压为UOH或UOL 如图6 1 2 由于Rid Ric 故iN iP 0 仍满足 虚断 图3 10集成运放的传输特性 3 非线性工作区时的特点 3 3信号运算电路一 比例运算电路1 反相比例运算电路 图3 11反相比例运算电路 1 电路结构 ui加至反相输入端uN Rf构成电压并联负反馈 RP R1 Rf 图3 12反相器 2 闭环电压放大倍数Auf iP iN 0 uN uP 0 ii if ui uN ui R1 即ui iiR1又 if uN uo Rf if uo Rf 即uo Rfif Auf Rf R1 若Rf R RP R 2 则Avf 1 此时电路构成反相器 如图 2 同相比例运算电路 同相比例运算电路又称为同相放大器 其电路如图6 4所示 图3 13同相比例运算电路 1 电路结构 ui加至同相输入端uN Rf构成电压串联负反馈 RP R1 Rf 2 闭环电压放大倍数Auf iP iN 0 i1 if iN if uo i1R1 ifRf i1 R1 Rf uN i1R1又 ui uP iiR2 而ii iP 0 ui uP uN i1R1 图3 14电压跟随器 若R1 或Rf 0 则uo ui 此时电路构成电压跟随器 如图 二 求和运算电路 1 反相求和电路 1 电路结构其中RP Rf R1 R2 图3 15反相求和电路 2 输入输出关系 iP iN 0 vP vN if ii1 ii2 vP vN 0又 vN vo Rfif Rf ii1 ii2 vo vo Rf vi1 R1 vi2 R2 扩充至n个电阻 则vo Rf vi1 R1 vi2 R2 vin Rn 若R1 R2 Rn Rf 则vo vi1 vi2 vin 表明输出电压vo为各输入电压之和 实现加法运算 2 同相求和电路 1 电路结构其中R1 Rf R1 R2 RP 图3 16同相求和电路 2 输入输出关系 则 利用同相比例运放的特性 可得 利用叠加定理求vP vP等于vi1 vi2分别工作时的电压和 vP1 vP2 当vi1单独工作时 当vi2单独工作时 若R1 R2 RP 则 三 减法运算电路 1 电路结构如图6 8所示其中RP R2 Rf R1 图3 17减法运算电路 2 输入输出关系 方法一 方法二 叠加定理 四 积分和微分电路1 积分电路 1 电路结构电容C引入电压并联负反馈 运放工作在线性区 图3 18反相积分电路基本形式 图3 19基本积分电路的积分波形 2 工作波形 2 微分电路 1 电路结构图中R引入电压并联负反馈使运放工作在线性区 图3 20基本微分电路 图3 21微分电路信号波形 工作波形 3 4信号处理电路一 有源滤波电路分为低通滤波 高通滤波 带通滤波 带阻滤波 图3 22滤波器的理想特性和实际滤波器特性 1 低通滤波电路一阶有源低通滤波电路 它由集成运放和一阶RC无源低通滤波电路组成 Rf引入负反馈使运放工作在线性区 二阶低通滤波器 可改善截止频率附近的幅频特性 图3 24二阶低通滤波电路 2 高通滤波电路 图3 25一阶高通滤波电路 为改善低频特性 使其幅频特性更接近于理想特性 可组成二阶滤波电路 图3 26二阶高通滤波电路 3 带通和带阻滤波电路 图3 27带通滤波和带阻滤波电路的组成原理 带通滤波和带阻滤波的典型电路 图3 28带通滤波和带阻滤波的典型电路 4 集成开关电容滤波特点 精度和稳定度均较高 工艺简单 尺寸小 功耗低 价格低廉 易于制成大规模集成电路 1 基本开关电容单元电路两节点间接有带高速开关的电容 相当于该两节点间连接一个电阻 图3 29基本开关电容单元电路 2 开关电容滤波电路图3 40 a 所示为开关电容低通滤波电路 图3 40 b 所示为其原型电路 图3 40 图3 41所示为一种实际的开关电容低通滤波电路 其在滤波环节后加一同相比例运算电路 图3 41一种实际的开关电容低通滤波电路 二 电压比较器功能 将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较 再将比较结果输出 输入信号 边续变化的模拟量输出信号 高电平或低电平 为数字量 可视为模拟电路和数字电路的 接口 运放常工作在非线性区 运放常处于开环状态或加入正反馈 根据传输特性 可分为单限比较器 滞回比较器及双限比较器等 1 单限比较器是指只有一个门限电压的比较器 特点 电路简单 灵敏度高 但其抗干扰能力差 图3 42单限比较器电路和其传输特性 阈值电压 比较器输出电压由一种状态跳变为另一种状态时 所对应的输入电压 用UTH表示 单限比较器的阈值电压UTH UR 若UR 0 则UTH 0 称过零比较器 利用过零比较器可将正弦波变为方波 图3 43简单过零比较器电路和输入 输出波形 2 滞回比较器 迟滞比较器 图3 44所示为存在干扰时 单限比较器的输出 输入波形 为解决这一问题 常常采用滞回电压比较器 图3 44存在干扰时 单限比较器的输出 输入波形 图3 45反相滞回电压比较器 1 电路结构与传输特性电压比较器有两个门限电平 故传输特性呈滞回形状 滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强 图3 46存在干扰时 滞回比较器的输入 输出波形 三 实际应用电路1 精密整流电路 1 功能 将微弱的交流电压转换为直流电压 2 电路结构与波形 图3 47全波精密整流电路及波形 2 精密放大器 图3 48三运放构成的精密放大器 3 5本章小结 差动放大电路是是一种具有两个输入端且电路结构对称的放大电路 差动放大电路具有放大差模信号 抑制共模信号的特点 即可以有效地抑制直接耦合电路中的零点漂移 差动放大电路使用了双倍于基本放大电路的元件数 但换来了抑制共模信号的能力 所以差动放大电路的分析可以利用单边电路的计算来进行 差模电压放大倍数等于单边电路的电压放大倍数 单端输出时是双端输出的一半 差模输入电阻为单边电路输入电阻的两倍 为描述差动放大电路放大差模 抑制共模的能力 定义了共模抑制比KCMR 它是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值 KCMR越大 差动放大电路的性能越好 集成运算放大器是一种多级直接耦合的高电压放大倍数的集成放大电路 具有输入电阻高 输出电阻小的特点 内部结构主要由输入级 中间级 输出级以及偏置电路组成 输入级一般采用可以抑制零点漂移的差动放大电路 中间级采用共射极电路以获得较高的电压放大倍数 输出级采用互