模电第五章05信号运算电路

1、15.1 5.1 运算放大器的工作原理运算放大器的工作原理5.2 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数5.3 运算电路的三种输入方式运算电路的三种输入方式5.4 加减运算电路加减运算电路 5.5 积分电路和微分电路积分电路和微分电路 2 集成运算放大器简介集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。个半导体基片上。集成电路集成电路:优点优点:工作稳定、使用方便、体积小、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。重量轻、功耗小。分类分类:模拟集成电路、数字集成电路模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路小、中、大、超大规模集成

2、电路 3集成电路内部结构的特点集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。件代替或外接。3、几十、几十PF以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。、二极管一般用三极管的发射结构成。4运算放大器外形图运算放大器外形图5运算放大器外形图

3、运算放大器外形图67 集成运算放大器结构集成运算放大器结构 （1 1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用一般采用差分式放大器差分式放大器。（2 2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。输入电流，增加输入电阻。（3 3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。率放大，提高带负载的能力。8输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级

4、 电压放大器电压放大器偏置电路偏置电路 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成9 1.1.输入级输入级要使用高性能的差分放大电路，它要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力。必须对共模信号有很强的抑制力。 4.4.偏置电流源偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。变化的偏置电流，以稳定工作点。 3.3.互补输出级互补输出级由由PNPPNP和和NPNNPN两种极性的三极两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。压或电流。具体电路参阅

5、功率放大器。 2.2.中间放大级中间放大级要提供高的电压增益，以保证要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。路和带有源负载的高增益放大器。10例如例如 100,=V1A若第一级漂了若第一级漂了100 VV，则输出漂移则输出漂移 1 V。 若第二级也漂若第二级也漂了了100 VV，则输出漂移则输出漂移 10 mV。假设假设F 第一级是关键第一级是关键。 1= 100,=V3V2AA3. 减小零漂的措施减小零漂的措施F 用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿F 调制解调方式。如调制解调方式

6、。如“斩波稳零放大器斩波稳零放大器”F 采用差分式放大电路采用差分式放大电路漂了漂了 100 VV漂移漂移 10 mV+100 VV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV11输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级输出输出+VCCVo+反相反相输入输入-VEE同相同相输入输入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C12 通用集成运放的基本结构通用集成运放的基本结构输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同

7、相端T3T4T5T1T2IS基本原基本原理框图理框图13T3T4T5T1T2IS V V反相端反相端同相端同相端Vo与与Vo反相反相与与Vo同相同相14-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：要求：输入级输入级尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大。尽可能大。15-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级足够大的电压放大倍数足够大的电压放大倍数16-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间

8、级中间级 输出级输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。17VV+ Vo集成运算放大器符号集成运算放大器符号 反相输入端反相输入端 V同相输入端同相输入端 V+ 输出端输出端 Vo国际符号：国际符号：国内符号：国内符号：18 运算放大器的引线运算放大器的引线 运算放大器的符号中有运算放大器的符号中有三个引线端三个引线端，两个输两个输入端入端，一个输出端一个输出端。一个称为。一个称为同相输入端同相输入端，即该端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号输入信号变化的极性与输出端相同，用符号 +或或IN +表示；

9、另一个称为表示；另一个称为反相输入端反相输入端，即该端输入，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号信号变化的极性与输出端相异，用符号“ - -”或或IN “ - -”表示。表示。输出端输出端一般画在输入端的另一侧，在符一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有号边框内标有 +号。实际的运算放大器通常必须号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。19集成运算放大器的技术指标集成运算放大器的技术指标(1) (1) 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数( (开环增益开环增益) )大大 A Ao o(A(Ad d)=V)

10、=Vo o/(V/(V+ +-V-V- -)=10)=107 7-10-101212倍倍; ;(2) (2) 共模抑制比高共模抑制比高 K KCMRRCMRR=100db=100db以上以上; ;(3) (3) 输入电阻大输入电阻大 r ri i1M1M , , 有的可达有的可达100100M M 以上以上; ;(4) (4) 输出电阻小输出电阻小 r ro o = =几几 - -几十几十 20理想运放：理想运放： 集成运算放大器的分析方法集成运算放大器的分析方法 理想化理想化Ao = KCMRR= ri = ro = 021Vo =Ao (V+ V) Ao V+ V 0V+ VVo VV+

11、ib-ib+ V+ =V ib-= ib+ =0 ri ib- 0 ib+ 0输出电压变化范围输出电压变化范围:最大最大+VCC -VEE22集成运算放大器的分析方法集成运算放大器的分析方法: :放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关，Vo VV+ ib-ib+RL因为因为ro = 0所以所以放大倍数与负载放大倍数与负载无关，放大倍数可以无关，放大倍数可以独立计算。独立计算。ro23 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器24end简化电路简化电路255.2 集成电路运算放大器的主要参数集成电路运算放大器的主要参数1. 输入失调电压输入失调电压VIO2. 输入偏置电流输入偏置电流II

12、B3. 输入失调电流输入失调电流IIO4. 温度漂移温度漂移（1）输入失调电压温漂）输入失调电压温漂 VIO / T（2）输入失调电流温漂）输入失调电流温漂 IIO / T5. 最大差模输入电压最大差模输入电压Vidmax6. 最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax7. 最大输出电流最大输出电流Iomax261. 静态功耗静态功耗PCPC=VCCIC+ VEEIE 2. 电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR)(ddEECC10SVRVVVK 5.2.5 电源特性参数电源特性参数5.2 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数27运放线运放线性运用性运用信号的放大、运算信号的放大、

13、运算恒压源、恒流源电路恒压源、恒流源电路有源滤波电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与输入在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加之间加负反馈负反馈，使运放工作于线性状态。，使运放工作于线性状态。(4-28)1. 1. 差模输入电阻差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可认为是零，即可认为是零，即。idr2. 2. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 输出电压是一个输出电压是一个有限值，有限值，0uA00 VoAVVV VV即即,0 V 3.3.如果信号从反向端输入，同相端接地如果信号从反向端输入，同相端接地 0 V反相端近于反相端近于“地地”电位，即电位，即返回目

14、录返回目录(4-29)运算放大器在饱和区时的情况运算放大器在饱和区时的情况当当 时时， VVo(sat)V oV例题o(sat)V oV当当注意：注意：此时输入端的输入电流也等于零此时输入端的输入电流也等于零返回目录返回目录(4-30)V;10V,15)1( VVV;10V,5)2( VVmV;50V,)3( VVV;0mV,5)4( VV V V+ Vo (4-31)V651021360 VoAVVV解只要两个输入端之间的电压绝对值超过只要两个输入端之间的电压绝对值超过6565V V，输出电压就达到正或负的饱和值。输出电压就达到正或负的饱和值。5VV10)1015(10265 oVv;10v

15、,15)1( VV输出电压3VV10)105(10265 oVv;10v,5)2( VV输出电压3V1 oVmV;50V,)3( VV输出电压3V1 oVV;0mV,5)4( VV输出电压返回返回 (4-32)213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)每两个每两个运放共运放共用一个用一个偏置偏置电阻电阻四个四个运放运放共用共用V VDDDD、V VSSSS端端C14578C14578外引线排列图外引线排列图213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)返回目录返回目录(4-33) 5.3 V

16、iVoViVo+VOM-VOM Ao越大，运放的线性范围越小，必须加越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。负反馈才能使其工作于线性区。_+ +A05. 1.1 概述概述(4-34)运放线运放线性运用性运用(4-35)F007F007（5G245G24）外引线图）外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V接接 线线 图图顶顶 视视 图图CCVEEVOUTININ (4-36)由于运放的开环放大倍数很大，输入电由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在

17、分析时常将其理想阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件：理想运放的条件： 0A ir0ro )(00 VVAVV VV0Ii 。虚短路虚短路虚开路虚开路(4-37)理想运放的符号理想运放的符号_+ + V+V-V0(4-38)_+ + R2R1RPViVo0 VVi1i2i1=i221RVRVoi 1210RRVVAu (4-39)_+ + R2R1RPViVoRi=R1(4-40)_+ + R2R1RPViVo02 VV(4-41)R RR R2 2R R1 1F FV Vi iV Vo o电位为零电位为零，虚地虚地电位为零 注意注

18、意虽然虽然0 VV返回目录返回目录(4-42)_+ + R2R1RPViVoV-= V+= Vi12RVRVViio ioVRRV)1(12 电压串联负反馈电压串联负反馈输入电阻高。输入电阻高。共模电压：共模电压：Vi没有虚地概念。没有虚地概念。例：例：,k10RF ,k2R1 ,k2R2 ,k18R3 V,1i V求：求：oV(4-44)解：此电路为同相比例运算电路，此电路为同相比例运算电路，R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 30.9VV18211832i3 RRVRV于是于是5.4VV9 . 02101o V式式 VRRV1Fo1中的中的 V是指加在同相

19、是指加在同相输入端的输入电压输入端的输入电压 (4-45)(3) 差动放大器差动放大器_+ + R2R1R1Vi2VoR2Vi1 VV211RVVRVVoi 212RVRVVi )(1212iioVVRRV 解出：解出：(4-46)_+ + R2R1R1Vi2VoR2Vi1(4-47)_+ + R2ViVoioVVVV 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出

20、器更好。VoVi+ Vo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压oVR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui i2 2u ui i1 1R R2 2R R1 1R RF Fu uo oA A1 1A A2 2解答解：解：A1A1是电压跟随器，是电压跟随器，i1o1VV A2A2是差动运算电路，是差动运算电路，o11Fi21Fo1VRRVRRV i11Fi21F1VRRVRR 想一想：为什么要加想一想：为什么要加A1A1？ (4-51)以上电路的比较归纳：以上电路的比较归纳：1.它们都

21、引入电压负反馈，因此输出电阻它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小都比较小 。2.关于输入电阻：关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。输入电阻高。3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。模电压小。(4-52)_+ + R2R11R12Vi2VoRPVi1i11i12iF0 VVF1211iii )(212211120iiVRRVRRV VRRVF)1(10V+ Vi1 、Vi2？22221211222122iiVRRRVRRRV R1RF+V i1+_VoR21R22Vi2-)(1(212111111211121iiFOVRRRVRRRRRV )(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FoVRRRVRRRRRV Vi2VoRFVi1Ri2Ri1+ R1+Vi2VoRFVi1Ri2Ri1+ R2+)(2i2