第2章_集成运放特性.ppt

2.1放大电路基础2.2运算放大器的基本概念2.3运算放大器的开环传输特性2.4运算放大器的线性模型2.5运算放大器的非线性模型,第2章集成运算放大器的开环特性和等效模型,2.1.1放大电路(amplifier)的概念2.1.2放大电路的等效模型2.1.3放大电路的主要性能指标,2.1放大电路基础,2.1.1放大电路的概念,信号放大是对信号乘比例系数的运算，比例系数称为增益或放大倍数。,放大器仅对输入信号按一定比例(常数，通常大于1)放大，即输出信号不失真地放大并复制输入信号。,直流电源+V不直接产生输出电压。,放大器的实质是完成信号功率的放大，必须包含将直流电源功率转换为信号功率的电子元器件，称为有源元件。由电路理论可知，有源元器件可以等效为受控电源。,对于输入输出信号而言，包括直流电源在内的放大电路等效为含有受控源的电阻性二端口网络。,vS信号源电压、RS内阻、RL负载,2.1.1放大电路的概念,放大电路的增益：,根据信号的性质，增益分为：,电压增益：,（无量纲）,2.电流增益：,（无量纲）,3.互阻增益：,4.互导增益：,（电阻量纲）,（电导量纲）,5.功率增益：,对于电阻性负载：,（无量纲）,2.1.1放大电路的概念,2.1.2放大电路的等效模型,1.电压放大模型,含有受控源的电阻性二端口网络,从输出端看：输出电阻和电压源串联。,戴维宁定理,从输入端看：输入电阻。,开路电压增益,受控源Avovi反映了放大电路的电压放大能力和功率放大能力，即将直流电压源输出功率转换为信号功率的能力。,输出电压：,负载电压增益：,输入电压：,信号源电压增益：,输入电流：,2.1.2放大电路的等效模型,负载效应,空载电压增益,源电压增益,输出电阻越小、开路增益和输入电阻越大，则电压增益越大。,设计电压放大器时，总是希望其开路电压增益和输入电阻大（RiRS）、输出电阻很小（RoRL）。一个理想电压放大器的输入电阻为无穷大、输出电阻为0，等效为一个理想的电压控制电压源。,2.1.2放大电路的等效模型,结论：,为了增大电压增益，可用多个放大电路级联。,2.1.2放大电路的等效模型,结论1）级联放大器的电压增益等于各个单级放大器的增益之积；2）输入电阻等于第一级的输入电阻（Ri=Ri1）；3）输出电阻等于最末级的输出电阻（RO=Ro2）。,2.1.2放大电路的等效模型,(2)电流放大模型,(1)电压放大模型,开路电压增益：,短路电流增益：,2其他形式的等效模型,输入电阻和输出电阻不变,电压独立源,电流独立源,电压受控源,电流受控源,2.1.2放大电路的等效模型,(3)互阻放大模型,(1)电压放大模型,开路电压增益：,开路互阻增益：,输入电阻和输出电阻不变,电压独立源,电流独立源,2.1.2放大电路的等效模型,(4)互导放大模型,(1)电压放大模型,开路电压增益：,短路互导增益：,输入电阻和输出电阻不变,电压受控源,电流受控源,4种放大模型可以互相等效变换，所以，可采用任何一种模型表示实际放大器。无特别声明，通常采用电压模型。,2.1.2放大电路的等效模型,2.1.3放大电路的主要性能指标,主要的性能指标是输入电阻，输出电阻，增益，通频带宽，非线性失真系数，最大不失真输出幅度，最大输出功率和效率等。,输入电阻和输出电阻,略。,2.增益(Gain),对于无量纲的增益，可用分贝表示。,对数运算将乘法转换成加法，故多级放大器的增益分贝数等于各单级增益分贝数之和。,(b)实际放大器的频率特性,3通频带宽（BW，bandwidth）,已知工程实际问题的有用信号通常是频谱有限的。例如，音频信号的频率范围为20Hz,20kHz，带宽近似为20kHz。,实际放大器的增益频率特性不能突变。,高频区,低频区,2.1.3放大电路的主要性能指标,有用信号频段的增益称为中频增益增益（Av），使增益下降为中频增益的0.707倍所对应的频率称为截止频率或3dB频率。,fL-下限截止频率,fH上限截止频率,2.1.3放大电路的主要性能指标,2.1.3放大电路的主要性能指标,3通频带宽（BW，bandwidth）,(a)幅度失真,(b)相位失真：,当信号频段与放大器的中频区不相同时，将引起输出信号失真，称为频率失真。失真是指输入输出波形不同。,输出波形与输入波形不同,2.1.3放大电路的主要性能指标,4线性失真Nonlineardistortion,放大电路的输出量随输入量变化的关系曲线称为传输特性。,5非线性失真nonlineardistortion,非线性的传输特性通常引起失真。,2.1.3放大电路的主要性能指标,a.虚线输入信号在特性的线性区，输出不失真。,b.实线输入信号超出特性的线性区，输出失真。,失真的输出信号包含基波和高次谐波。,非线性失真系数：,2.1.3放大电路的主要性能指标,5非线性失真nonlineardistortion,6最大不失真输出电压幅度,定义：在负载容许的非线性失真系数的条件下，当输入电压再增大就会使输出电压产生非线性失真时的输出电压幅度。,2.1.3放大电路的主要性能指标,最大输出功率（Pom）：在容许的非线性失真系数的条件下，负载能够获得的最大平均信号功率。通常，它与最大不失真输出电压幅度的平方成正比。,7最大输出功率和效率,输出功率源于直流电源发出的平均功率（Pv）。效率：最大输出功率与直流电源发出的平均功率之比的百分值，即,end,2.1.3放大电路的主要性能指标,2.2集成运算放大器的基本概念,集成运算放大器简称为运算放大器（OperationalAmplifier）或运放（OP），是一种特殊类型的高增益集成电路放大器。,运算放大器可以组成信号处理电路，实现各种运算，如放大、加、减、积分和微分等运算。,运放A741的封装图,本节仅介绍运算放大器的外特性，其内部电路见第9章。,美国仙童公司,1-5接调零电位器；8空脚,有源负载,T13B:有源负载,恒流源偏置,恒流源偏置,过流保护,T13A:恒流源,共集共基差分电路,共集共射组合管,互补对称共集/射极输出功率放大电路,共集驱动管,集成运算放大器A741,电路符号,运算放大器,同相输入端,反相输入端,输出端,正、负电源端,电位参考节点,输入信号,简化的电路,开环：信号仅从输入端传递到输出端。,2.2集成运算放大器的基本概念,1运算放大器的开环电路openloop,2差模信号differentialmode和共模信号commonmode,任意输入信号可分解为差模信号和共模信号：,共模抑制比,2.2集成运算放大器的基本概念,差模信号是有用信号，需要增强；共模信号则是无用信号或误差信号，应该抑制。,end,2差模信号differentialmode和共模信号commonmode,2.2集成运算放大器的基本概念,运算放大器的差模增益很大，通常可达104（80dB）以上;而共模增益却很小，因此共模抑制比很大，通常可达103（60dB）以上。,2.3运算放大器的开环传输特性,运算放大器的输出电压与差模输入电压的函数关系称为开环传输特性。双电源（VCC，-VEE）运算放大器的开环传输特性：,整体非线性,饱和(saturate)电压VOsat+、VOsat-,最大差模输入电压vidmax、-vidmax,线性区边界输入差模电压Vidl,单电源的开环传输特性如何？,2.3运算放大器的开环传输特性,线性区：,线性范围：,饱和区：,线性区边界输入差模电压Vidl、最大差模输入电压Vidmax、饱和电压VOsat+和VOsat-与运算放大器的特性和电源电压有关。,2.3运算放大器的开环传输特性,例如，运算放大器LM741通常作用的电源电压为15V，开环差模电压增益为105。其VOsat+15V，VOsat-15V，Vidmax=13V，Vidl=0.15mV。实际高增益运算放大器的线性区很窄，因此开环工作通常处于饱和区（非线性区）。,理想的开环特性曲线,具有理想开环特性的运放称为理想运放。理想运放的开环增益、带宽和输入电阻是无穷大，输出电阻为0，VOsat+=-VOsat-=VCC。,2.3运算放大器的开环传输特性,2.4.1运算放大器的交流线性模型*2.4.2直流电源和温度的影响2.4.3运算放大器的开环增益频率特性,2.4运算放大器的线性模型,2.4.1运算放大器的交流线性模型,Rid,2Ric,2Ric,Ro,RL,应用叠加原理,因此，应用戴维宁定理，可以构造出运算放大器的线性模型（小信号模型），即线性等效电路，,ii,2.4.1运算放大器的交流线性模型,输出电压为,定义共模抑制比为,实际运算放大器的开环电压增益和共模抑制比是在规定负载的情况下测得的。,2.4.1运算放大器的交流线性模型,通常，开环电压增益可达104（80dB）以上，共模抑制比可达103（60dB）以上。因此，实际运算放大器的输出电压主要取决于差模输入信号和开环差模电压增益。,有用信号：差模信号误差信号：共模信号,误差项,2.4.1运算放大器的交流线性模型,2.4.1运算放大器的交流线性模型,RL,以后采用的交流线性模型,*2.4.2直流电源和温度的影响,在直流电源作用下，实际运算放大器的输出电压不为零，其值称为输出失调电压VOO（是直流分量）。,理想情况下，要求输出电压也为0。,Voo的大小是由运算放大器的内部电路和外部电路引起的。,通常将直流电压源对输出电压的影响等效为对输入信号的影响，然后，利用交流等效电路计算输出失调电压。,1运算放大器内部电路的影响,由于运放内部电路的结构不理想,产生输出失调电压Voo。,称为输入失调电压,*2.4.2直流电源和温度的影响,2运算放大器外部电路的影响,IBP,IBN,电源在输入端产生偏置电流。,定义：,输入偏置电流,输入失调电流,假设,*2.4.2直流电源和温度的影响,由电路，,共模电压分量,差模电压分量,偏置电流在外部电阻上引起差模电压和共模电压。,IBP,IBN,*2.4.2直流电源和温度的影响,3考虑直流电源影响的线性模型,考虑对输出电压的最坏影响，电源在输入端引起的最大差模电压为（差模电压绝对值相加）：,最大共模电压为（共模电压绝对值相加）：,外部电阻引起的输入失调电压,内部引起的输入失调电压,外部电阻引起的输入共模电压,*2.4.2直流电源和温度的影响,由叠加原理，输出电压为：,信号,电源,输入误差电压和输出误差电压主要是和VID引起的。,*2.4.2直流电源和温度的影响,输入误差电压和输出误差电压主要是和VID引起的。,小信号误差模型,*2.4.2直流电源和温度的影响,运算放大器的模型选择,进行信号分析时，选择小信号模型：,进行误差分析时，选择小信号误差模型，并令信号为零：,end,*2.4.2直流电源和温度的影响,绘制方法：（1）频率轴（横轴）采用对数坐标，增益轴（纵轴）采用分贝坐标；（2）在远离截止频率的频率范围，用渐近线表示真实频率特性；（3）在截止频率附近（左右10倍频程），作适当修正。,因为频率范围宽广，频率特性通常用波特图描述。,2.4.3运算放大器的开环增益频率特性,2.4.3运算放大器的开环增益频率特性,电子等带电粒子在半导体元件中移动形成电流时具有一定的电荷积累效应，这种效应可用皮法（10-12F）级的电容元件模拟。,当信号频率很小时，可以不考虑分布电容对增益的影响。,-20dB/10倍频程,fH-截止频率或3dB频率fT-单位增益频率或特征频率。,ffH,但是，当信号频率足够大时，分布电容将使增益随频率增大而减小。,当ffH时，,当f=fH时，,2.4.3运算放大器的开环增益频率特性,-20dB/10倍频程,ffH,ffH,当f=fT时，,在单位增益频率范围内，大多数运算放大器增益可表示为,2.5运算放大器的非线性模型,VCC=VEEVOsat+=-VOsat-=VCC,通常，对运算放大器施加对称的正电源和负电源，即,2.5运算放大器的非线性模型,定义符号函数：,符号,美标图形符号,作业,2.4；2.5