电工学少课时第10章集成运算放大器1

1、 集成电路采用微电子技术将二极管、晶集成电路采用微电子技术将二极管、晶体管、场效应管、电阻、电容和连接导线等体管、场效应管、电阻、电容和连接导线等元器件，将整个电路都集合在一小块半导体元器件，将整个电路都集合在一小块半导体晶片上，封装上外壳，向外引出若干个管脚，晶片上，封装上外壳，向外引出若干个管脚，构成一个完整的、具有一定功能的电路。构成一个完整的、具有一定功能的电路。按集成度分类：按集成度分类：小规模、中规模小规模、中规模 、大规模、大规模、 超大规模。超大规模。按处理信号分类：按处理信号分类：模拟电路、数字电路模拟电路、数字电路 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数集成运算放大器是一种具

2、有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。应用最广泛的一种模拟集成电路。运放的应用领域：运放的应用领域：信号处理、信号测量信号处理、信号测量 、波、波 形转换、自动控制等。形转换、自动控制等。运放的模拟计算：运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积信号的加、减、乘、除、积 分、微分、对数等运算。分、微分、对数等运算。输入级：输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入级输入级 中间级中间级输出级输出级输入

3、端输入端输出端输出端中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。共发射极放大电路。输出级：输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。互补对称电路或射极输出器构成。uo+u+u+UCCUEEuo+u+u uo+u+u 1、Auo 高高: 80dB140dB2、rid 高高: 105 1011 3、ro 低低: 几十几十 几百几百 4、KCMR高高: 70dB130dB1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。使输出和输入保

4、持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 未接反馈电路时的差模电压放大倍数。未接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，愈高， 所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运 放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB电压传输特性电压传输特性

5、 uo= f (ui) +UOMUOM线性区线性区饱和区饱和区 u+ u uo Ouo = Auoui= Auo( (u+ u)1、线性区：、线性区： uo = Auo( (u+ u)2、非线性区、非线性区饱和区：饱和区： u+ - - u X 时，时，uo = +UOM u+ - - u u 时，时， uo = +UOM u+ 0 ui = Ui UR，uo=+ UOMui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一

6、阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+设设ui为正弦波信号，则为正弦波信号，则故：故： 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0

7、的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之之前前。由于。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定

8、的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器 uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号

9、的变化情况。 SuC+ui+uo+ o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU 动画动画 RCtCCCCeuuutu 0RU RU o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC A1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u- = 0 ，所以当，所以当 u+ = 0时时，A1状态状态改变改变0o2111o2121 uRRRuRRRu当当

10、时时，即即当当 Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1动画动画TT1T2T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2RCRRTf2141 tRCUuio uo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改变比较器的输出改变比较器的输出 uo1、电阻、电阻R1 、R2 即可改即可改变三角波的幅值。变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。即可改变三角波的频率。动画动画Z12URRZ12URR O动画动画 本章作业： P301： 10.5.2 P302： 10.5.4

11、10.5.5 10.5.7fXdXoXiX+fXdXoXiX+doXXAOifXXAoofXXFfidXXX 引入正反馈的目的：引入正反馈的目的：使电路振荡，产生波形使电路振荡，产生波形引入负反馈的目的：引入负反馈的目的：改善放大电路的性能改善放大电路的性能引入交流负反馈的目的：引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点稳定静态工作点并联反馈的作用：并联反馈的作用：减小减小放大电路的放大电路的输入电阻输入电阻串联反馈的作用：串联反馈的作用：增大增大放大电路的放大电路的输入电阻输入电阻串联反馈：串联反馈：反馈信号与输入信号

12、串联，即反馈信反馈信号与输入信号串联，即反馈信 号与输入信号以电压形式作比较。号与输入信号以电压形式作比较。并联反馈：并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信反馈信号与输入信号并联，即反馈信 号与输入信号以电流形式作比较。号与输入信号以电流形式作比较。 。 电压反馈：电压反馈：反馈信号取自输出电压。反馈信号取自输出电压。电流反馈：电流反馈：反馈信号取自输出电流。反馈信号取自输出电流。负负反反馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈电流并联负反馈稳定静态工作点稳定静态工作点反反馈馈正正反反馈馈振荡器振

13、荡器产生信号产生信号RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+uoRFuiR2R1+ RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+uoRFuiR2R1+ RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+ ufube+ ui 与与 uf 串联串联, ,以电压形以电压形式比较式比较, ,净输入信号：净输入信号：ube = ui - uf串联反馈串联反馈串并联反馈的判别串并联反馈的判别: :令令u ui i=0(=0(对地短路对地短路) )若反馈信号不能存若反馈信号不能存在在, ,则是并联反馈则是并联反馈; ;若不清楚则是串联若不清楚则是串联反馈。反馈。

14、RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+ uf电压电流反馈的判别电压电流反馈的判别: :令令R RL L=0(=0(输出对地短路输出对地短路) )若反馈信号取不到若反馈信号取不到(u(uf f=0),=0),则是电压反馈则是电压反馈; ;若不清楚则是电流反若不清楚则是电流反馈。馈。令令R RL L=0(=0(输出对地短路输出对地短路) )反馈信号反馈信号u uf f0R RE E是电流反馈。是电流反馈。RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RSeS+ uf设设u ui i瞬时增加瞬时增加u uo o变化变化 uf变化变化净输入的变化净输入的变化：若净输入增大则为

15、正反馈，若净输入增大则为正反馈，若净输入减小则为负反馈。若净输入减小则为负反馈。 u ubebe=V=Vb b-V-Ve e判断是交流反馈还是直流反馈判断是交流反馈还是直流反馈交、直流信号均可通过交、直流信号均可通过 RF，所以，所以 +UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuo判断反馈类型判断反馈类型电压、电流反馈电压、电流反馈+UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuo令令u ui i=0(=0(对地短对地短路路) )反馈信号不反馈信号不能送入放大器能送入放大器-并联反馈。并联反馈。令令R RL L=0(=0(输出对地短路输出对地短路) )反馈信号取不到是反馈信号取不到是 -电

16、压反馈电压反馈+UCCRCC1RF+RS+C2+RLeSuiuo V Vb bV VC CV VRFRF右右V VRFRF左左fXdXoXiX+AFAXXXXAXXXXXXXXXAOOdfdfdOfdO 111iofAFAA 1fAAAFAAd11dff 若若|AF| 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 例例：|A|=300，|F|=0.01。7501. 030013001 fAFAA则：%6d AA若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 则则：Auiufuo大大略小略小略大略大略小略小略大略大uo AF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波uiudBWFABW)1(of 无负反馈无负反馈f|Au|uiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiur uf+bbeiu FArr0ifi1 ifbbe