《教材9集成电路》PPT课件.ppt

1 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义 2 理解运算放大器的电压传输特性 理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法 3 理解用集成运放组成的比例 加减 微分和积分运算电路的工作原理 了解有源滤波器的工作原理 4 理解电压比较器的工作原理和应用 5 了解负反馈的类型及其对放大电路性能的影响 本章要求 第9章集成运算放大器及其应用 分立电路 由各种单个元件联接起来的电子电路集成电路 把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上 组成一个不可分割的整体 优点 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 价格便宜分类 集成度 SSI 小规模 MSI LSI VLSI导电类型 双极型 单极型 兼容型功能 数字 模拟 混合 模拟集成电路 集成运算放大器集成功率放大器集成稳压电源集成数模转换电路 在制造工艺上 集成运放很难制造电感 电容大电阻元件 所以需要时一般都采取外接的方法 而制造晶体管却最容易 一般采用晶体管恒流源代替电阻 把晶体管的三极适当组配作二极管用 同时也出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要 运放各级之间均采用直接耦合的方式 集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的 温度性能基本保持一致 因此易制成温度漂移很小的差动放大器 9 1集成运算放大器简介9 1 1集成运算放大器的特点 集成运算放大器由输入级 中间级 输出级和偏置电路四个部分组成 输入级 由差放构成 减小零漂和抑制干扰 中间级 共射放大电路 用于电压放大 输出级 互补对称电路 降低输出电阻 提高带载能力 偏置电路 由恒流源电路构成 确定运放各级的静态工作点 9 1 2 电路的简单说明 运放举例 F007 2 反相输入端 6 输出端 3 同相输入端 4 正电源端 7 负电源端 8 闲置端 NC 1 5 接调零电位器 9 1 2 电路的简单说明 反相输入端 由此端接输入信号 则输入输出信号反相 同相输入端 由此端接输入信号 则输入输出信号同相 为了合理的选用和正确的使用运算放大器 必须了解集成运算放大器的各主要参数的意义 1 开环电压放大倍数AUO在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数 AUO越高 所构成的运算电路越稳定 运算精度也越高 一般约为104 107 2 共模抑制比KCMRR它表示运算放大器的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比的绝对值 若用分贝 dB 为单位 则称KCMRF007型晶体管的KCMR约为80dB 目前有的晶体管的KCMR已高达160dB KCMR越大 说明集成运算放大器的共模抑制性能越好 9 1 3主要参数 3 开环 差模 输入电阻rid运算放大器开环时 从两输入端看进去的等效动态电阻称为开环输入电阻 rid越大说明集成运算放大器由差模信号源输入的电流就越小 F007的rid约为1 2M 4 开环输出电阻ro运算放大器输出级的输出电阻 ro越小 集成运算放大器带负载的能力越强 F007的ro约为500 5 最大输出电压Uopp能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压 F007的Uopp约为 12 13V 9 1 3主要参数 6 输入失调电压UIO理想的运算放大器 当输入电压为零时 即ui1 ui2 0 输出电压uo 0 但在实际的运算放大器中 由于制造中也很难做到参数完全对称 因此当输入电压为零时 uo 0 反过来说 如果要 必须在输入端加一个很小的补偿电压 它就是输入失调电压 UIO一般为几毫伏 显然它越小越好 7 输入失调电流IIO输入失调电流是指输入信号为零时 两个输入端静态基极电流之差 即IIO IB1 IB2 IIO一般在零点零几微安级 其值越小越好 9 1 3主要参数 8 输入偏置电流IIB输入信号为零时 两个输入端静态基极电流的平均值 即IIB IB1 IB2 2 这个电流也是越小越好 一般在零点几微安级 集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的 就不一一说明了 总之 集成运算放大器具有开环电压放大倍数高 输入电阻高 约几兆欧 输出电阻低 约几百欧 零点漂移小 体积小 可靠性高等优点 因此它被广泛地应用于各个技术领域 已成为一种通用器件 9 1 3主要参数 3 开环输出电阻ro 0 2 差模输入电阻rid 4 共模抑制比KCMRR 在分析运算放大器构成的各种电路时 通常将它看成是一个理想运算放大器 1 开环电压放大倍数Auo 9 1 4理想运算放大器及其分析依据1 理想运算放大器 理想化的条件是 实际运放的参数指标很接近理想化条件 故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重 在工程上是允许的 右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线 称为传输特性 从图中看到 实际运放的传输特性与理想运放比较接近 运算放大器的传输特性 2 电压传输特性 虚地 虚断 虚短 从运放的传输特性看 可分为线性区和饱和区 工作在不同区时的分析方法不同 线性区 uo Auo u u rid 故两输入端的输入电流为零 Auo uo为有限值故u u uo Auo 0即u u 分析依据 当有信号输入时 如同相端接地 即u 0则u 0 2 电压传输特性 uo 饱和区 uo Auo u u 当u u 时 uo uo sat 当u u 时 uo uo sat 但两输入端的输入电流仍为零 o Uo sat Uo sat 实际特性 u u 线性区 饱和区 饱和区 2 电压传输特性 uo 运放能完成信号的代数运算有 比例 加减 积分与微分等运算 9 2运放在信号运算方面的应用 1 反相输入比例运算 由KCL KVL和运放工作在线性区的分析依据 及 9 2 1比例运算 RF 反馈电阻 R2 平衡电阻 保持两个输入端外接电阻相等 保证运算放大器工作在对称平衡状态 R2 R1 RF 虚断 虚地 说明 1 式中的负号表示输出与输入反相 因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器 2 如R1和RF的阻值足够精确 而运放的开环放大倍数很高 就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值 而与运放本身的参数无关 因此 保证了比例运算的精度和稳定性 1 反相输入比例运算 及 有 得 2 同相输入比例运算 当R1 RF 0 Auf 1这就是电压跟随器uo ui 在反相端输入若干路信号 构成反相加法运算电路 由此得 当R11 R12 R13 R1时 再若R1 RF 则 9 2 2加法运算 9 2 2加法运算 例 uo1 ui1 uo1 反相器 当两个输入端都有信号输入时 即为差动输入 可进行减法运算 9 2 3减法运算 叠加法推理 ui1 ui2分开作用 9 2 3减法运算 ui1作用 ui2短路接地 电路变为反相输入比例运放 ui2作用 ui1短路接地 电路变为同相输入比例运放 当输入信号为阶跃电压时 9 2 4积分运算 右图是在控制和测量系统中常用的比例 积分调节器 PI调节器 可视为反相比例运算和积分运算的叠加 与以前学过的RC积分电路相比 运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好 这是因为充电电流基本恒定 9 2 4积分运算 微分运算是积分的逆运算 当输入信号为阶跃电压时 输出为尖脉冲电压 微分电路稳定性不高 用得较少 波形如右图 右图是在控制系统中使调节过程加速的比例 微分调节器 PD调节器 9 2 5微分运算 在自动控制系统中常需要进行信号处理 如滤波 信号的测量及信号的比较等 8 5 1有源滤波器 滤波器是一种选频电路 选出有用信号 而抑制无用信号 使一定频率范围内的信号能顺利通过 衰减小 而在此频率范围以外的信号不易通过 衰减大 按选择频率范围的不同 滤波器可分为低通 高通 带通和带阻等 将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器 因运放是有源器件 性能会得到改善 体积小 效率高 频率特性好等 9 3运放在信号处理方面的应用 如图为有源低通滤波器 9 3 1有源滤波器 传递函数为 9 3 1有源滤波器 可见有源低通滤波器 输入信号的频率 0时 输出电压衰减不多 信号容易通过 0称为截止频率 当 0时 当 0时 当测量微弱信号时 需将信号先放大 再测量 常用的测量放大器电路输入级结构对称且输入电阻很高 抑制零点漂移能力很强 第二级采用减法电路 为了提高运算精度 必须使用共模抑制比很高的运算放大器 测量放大器原理图 9 3 2测量放大器 测量放大器原理图 9 3 2测量放大器 第一级根据理想运放的 虚短 虚断 的概念可得 第二级减法电路 uo1 uo2 I 若R4 R5 R6 R 运放工作于开环状态 uR是参考电压 当输入与参考电压有微小差值时 输出信号便会达到饱和 即运放工作于非线性 饱和区 9 3 3电压比较器 参考电压为零时 称为过零比较器 ui uR uo uo sat ui uR uo uo sat 9 3 3电压比较器 有时为了将输出电压限制在某一特定值 以与接在输出端的数字电路的电平配合 可在比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管Dz 作双向限幅用 9 3 3电压比较器 ui Uz o 传输特性 uo Uz 试分析滞回比较器的工作原理并作出传输特性 例 U U 设某一瞬时uo UZ 当ui增大到ui U时 uo变为 UZ 发生负向跃变 当ui减小到ui U时 uo又变为 UZ 发生正向跃变 如此周而复始 随着ui大小的变化 uo为一矩形波电压 当输出电压uo UZ 当输出电压uo UZ 解 9 4放大电路中的负反馈 反馈在现代科技中的应用十分广泛 所有自动调节作用的系统都是通过负反馈来实现自动控制的 反馈还常常用于电子放大电路中 用来改善放大电路的工作性能 9 4 1反馈的基本概念 反馈 凡是将某系统输出信号的部分或全部通过某种方式引回到输入端 就称为反馈 如果反馈所在的系统是放大电路 就是放大电路中的负反馈 其输出信号或输入信号就是电信号 电压或电流 负反馈 若反馈信号削弱输入端信号 使电路的放大倍数下降 就称为负反馈 正反馈 当反馈信号增强了输入端信号 就称为正反馈 9 4 1反馈的基本概念 无反馈的放大电路框图如下 当三者同相时 反馈信号使净输入信号减小 有反馈的放大电路框图为 当Xf与Xi比较使净输入信号Xd增大 因而XO增大 电路具有正反馈 基本放大电路 反馈电路 比较环节 为基本放大电路得到的净输入信号 在负反馈情况下 当Xf与Xi比较使净输入信号Xd减小 因而XO减小 电路具有负反馈 9 4 1反馈的基本概念 开环放大倍数 无反馈 反馈系数 闭环放大倍数 有反馈 由前面负反馈分析可知 Xf与Xd同是电压或电流并同相 所以AF是正实数 一般AF 1 1 AF 称为反馈深度 其值越大 负反馈作用越强 放大倍数越小 引入深度负反馈后 闭环放大倍数只取决于反馈电路 而与基本放大电路几乎无关 9 4 2反馈性质与类型的判别 直流反馈 反馈只对直流分量起作用 反馈元件只能传递直流信号 负反馈 反馈削弱净输入信号 使放大倍数降低 交流反馈 反馈只对交流分量起作用 反馈元件只能传递交流信号 正反馈 反馈增强净输入信号 使放大倍数提高 1 反馈的分类 9 4 2反馈性质与类型的判别 按反馈信号和输出信号的关系分 1 电压 2 电流按反馈信号和输入信号的关系分 1 串联 2 并联 组合 1 串联电压负反馈2 并联电压负反馈3 串联电流负反馈4 并联电流负反馈 2 负反馈的类型 9 4 2反馈性质与类型的判别 3 负反馈类型的判别步骤 3 判别是否负反馈 用瞬时极性法 2 判别是交流反馈还是直流反馈 4 是负反馈 判断是何种类型的负反馈 1 找出反馈网络 一般是电阻 电容 1 接有发射极电阻的放大电路 如图是分压偏置的交流放大电路 但发射极回路没有旁路电容 9 4 2反馈性质与类型的判别 RE既在输入又在输出电路 它的作用是自动稳定静态工作点 充当负反馈电阻 静态时 IC IERE VE VB不动 UBE VB VE IB IC 9 4 2反馈性质与类型的判别 1 判别反馈元件 一般是电阻 电容 1 连接在输入与输出之间的元件 2 为输入回路与输出回路所共有的元件 9 4 2反馈性质与类型的判别 2 判断是交流反馈还是直流反馈 如果有发射极旁路电容 RE中仅有直流分量的信号通过 这时RE引入的则是直流反馈 交 直流分量的信号均可通过RE 所以RE引入的是交 直流反馈 a 判别正负反馈 瞬时极性法 9 4 2反馈性质与类型的判别 动态时 C1C2短路 略去RB1RB2 交流负反馈是重点 设ui在正半周 瞬时极性为正 则ube也在正半周 瞬时极性为正 Uo在负半周 瞬时极性为负 0 ic ie实际与参考方向同 值为正 uf ieRE 0 瞬时极性为正 ube ui uf 当三者同相 同正或同负 时 净输入信号ube减小 故为负反馈 3 判断反馈类型 b 判别反馈类型 串联电流负反馈的交流放大电路 9 4 2反馈性质与类型的判别 从放大电路输入端看 反馈电路输出端与放大电路输入端串联 以电压的形式作比较 为串联反馈 从放大电路输入端看 反馈电路输出端与放大电路输入端并联 以电流的形式作比较 为并联反馈 b 判别反馈形式 串联电流负反馈的交流放大电路 9 4 2反馈性质与类型的判别 如果反馈信号取自输出电流 并与之成正比 或者反馈电路的输入端与放大电路输出端串联 为电流反馈 电流负反馈具有稳定输出电流的作用 如果反馈信号取自输出电压 并与之成正比 或者反馈电路的输入端与放大电路输出端并联 为电压反馈 电压负反馈具有稳定输出电压的作用 C 串联负反馈使ri增高 串联电流负反馈的交流放大电路 9 4 2反馈性质与类型的判别 若无负反馈 则RE取消 E直接接地 放大电路的输入电阻 若有负反馈 则有RE 放大电路的输入电阻 9 4 2反馈性质与类型的判别 Ui a 判别正负反馈 瞬时极性法 设Ui在正半周 瞬时极性为正则 i与 b同相 0 则 f与 b同相 Ib Ii If 当三者同相 同正 时 净输入信号Ib减小 故为负反馈 2 集电极基极偏置电路 9 4 2反馈性质与类型的判别 C1 C2 RC RL ES UCC T RS Ui b 判别反馈形式 从放大电路输入端看 反馈电路输出端与放大电路输入端并联 以电流的形式作比较 为并联反馈 反馈信号取自输出电压 并与之成正比 为电压反馈 UR UO Ube 并联电压负反馈交流电路 9 4 2反馈性质与类型的判别 串联电压负反馈交流电路 0 射极输出器是同相电压跟随器 ube ui uf 净输入信号ube减小 故为负反馈 反馈类型 并联电压负反馈 电路阻抗特征 输入电阻不高 输出电阻很低 9 4 3负反馈的四种基本形式 同相相减 if取自输出电压 并与之成正比 电压反馈 if与i1在输入端以电流形式比较 两者并联 并联反馈 id变小 负反馈 反馈与输入加在同一个输入端 并联反馈 反馈直接从输出端引出 电压反馈 1 反相输入比例运算 反馈类型 并联电流负反馈 9 4 3负反馈的四种基本形式 同相相减 if取自输出电流 并与之成正比 电流反馈 if与i1在输入端以电流形式比较 两者并联 并联反馈 id变小 负反馈 反馈与输入加在同一个输入端 并联反馈 反馈从RL端近地端引出 电流反馈 RL R2 ui R R1 RF uR if 与RL无关 2 反相输入恒流源 反馈类型 串联电压负反馈 9 4 3负反馈的四种基本形式 同相相减 uf取自输出电压 并与之成正比 电压反馈 uf与ui在输入端以电压形式比较 两者串联 串联反馈 ud变小 负反馈 反馈与输入加在不同输入端 串联反馈 反馈直接从输出端引出 电压反馈 RF uo R1 R2 ui RL 3 同相输入比例运算 9 4 3负反馈的四种基本形式 同相相减 uf取自输出电流 并与之成正比 电流反馈 uf与ui在输入端以电压形式比较 两者串联 串联反馈 ud变小 负反馈 反馈与输入加在不同输入端 串联反馈 反馈从RL近地端引出 电流反馈 反馈类型 串联电流负反馈 RL R2 ui uR R 与RL无关 4 同相输入恒流源 反馈类型 并联电流负反馈 9 4 3负反馈的四种基本形式 同相相减 if与ii在输入端以电流形式比较 两者并联 并联反馈 id变小 负反馈 反馈与输入加在同一个输入端 并联反馈 反馈从RL端近地端引出 电流反馈 RL A1 ui a uo RF uo1 5 多级运放反馈分析 A2 9 4 4负反馈对放大电路工作性能影响1 降低放大倍数 开环放大倍数 无反馈 反馈系数 闭环放大倍数 有反馈 由前面负反馈分析可知 Xf与Xd同是电压或电流并同相 所以AF是正实数 一般AF 1 引入负反馈 放大倍数降低了 2 提高放大倍数的稳定性 当外界条件变化时 即使输入一定 输出仍有变化 也就引起放大倍数的变化 如果这种相对变化较小 则说明其稳定性高 当1 AF 100 有反馈的