集成运算放大器ppt课件

1、CHECKPOINT差分放大器差分放大器多级放大器多级放大器输出级输入级中间级输入端输入端输出端输出端偏置电路 ? + + 同相输入端 反相输入端 uo u u+ - -+u-u+uo Circuit Symbol1. Current Source Circuit 5.1.1 Image Current Source作用作用提供稳定的直流偏置。提供稳定的直流偏置。作为有源负载，用于提高放大器的增益。作为有源负载，用于提高放大器的增益。2C1CrBEQCCrIIRUUI Rr由两个性能上完全配对的由两个性能上完全配对的晶体管和一个电阻晶体管和一个电阻RrRr组成组成2. Image Curren

2、t Source1C1rBEQCCrIRRUUI R2R121r2CRRII R2R1R3R4UoUo2R2Re eUO2UO2T2T2RcRcUi2Ui2-UEE-UEE2Re2ReRcRc+Ucc+UccUi1Ui1T1T1UO1UO1UiUiUi=0时，时，Uo=0。 Ui1=-Ui2=Ui/2；放大差模信号。放大差模信号。Ui1=Ui2=Uic；抑制共模信号。抑制共模信号。特点特点RWeEEeBEQEE1CQR2UR2UUI -UEE-UEE2Re2ReRcRc+Ucc+UccUi1Ui1T1T1UO1UO1UoUo2R2Re eUO2UO2T2T2RcRcUi2Ui2UiUieEEe

3、BEQEE1CQR2UR2UUI a. DC a. DC AnalysisAnalysis加加RbRbC1CQCC1CQRIUU RbRbb. AC Analysisu1id1odidodudAU2U2UUA beCurRA beidr2r 1. Differential-Mode SignalRcUid1T1UOd1RcUid2T2UOd2UOdUid差模信号差模信号 幅度相等、相位相反的一对输入信号幅度相等、相位相反的一对输入信号即即 Uid1= -Uid2 Uid1= -Uid2 ，Uid= Uid1-Uid2=2Uid1=-Uid= Uid1-Uid2=2Uid1=-2Uid2 2Ui

4、d2 CoR2r 1EQbeImV26)1(300r ud2ud1udA21AA RcRcUid1Uid1T1T1UOd1UOd1RcRcUid2Uid2T2T2UOd2UOd2UOdUOdUidUid加加 RL RLbeLurRA beidr2r CoR2r 2R/RRLCL RLRL双端输出时双端输出时, RL, RL的中点电位为差模地端的中点电位为差模地端, , 每管负载为每管负载为 RL/2 RL/2bebLurRRA )rR(2rbebid CoR2r RcRcUid1Uid1T1T1UOd1UOd1RcRcUid2Uid2T2T2UOd2UOd2UOdUOdUidUidRLRL加加

5、 Rb RbRbRb加加 RWRW1/2RW1/2RW2R)1(rRRAWbebLu 2R)1(rR 2rWbebid CoR2r 2. Common-Mode Signalu1ic1ocic1oc1ucAUUUUA 021icococicocucUUUUUAeCebebC1ucR2RR)1(2rRRA 共模信号共模信号 幅度相等、相位一样的一对输入信号幅度相等、相位一样的一对输入信号即即 UiC1= UiC2 UiC1= UiC2 ，UiC= UiC1=Uid2UiC= UiC1=Uid2RcRcUiC1UiC1T1T1UOC1UOC1RcRcT2T2UOC2UOC2UiC2UiC2UiUi

6、C C2Re2Re2Re2ReUOCUOC2uc1ucAA 3. Common-Mode Rejection Ration KCMRucudCMRAAK bee1uc1udCMRrRAAK KCMR KCMR 是衡量差分放大器对差模信号的放大才干和对是衡量差分放大器对差模信号的放大才干和对 共模信号的抑制才干。其定义为差模放大倍数共模信号的抑制才干。其定义为差模放大倍数 与共模放大倍数之比的绝对值。与共模放大倍数之比的绝对值。KCMR KCMR 越大，差分放大器分辨差模信号的才干越强，越大，差分放大器分辨差模信号的才干越强， 受共模信号的影响就越小。受共模信号的影响就越小。双端输出时双端输出时

7、:Auc=0:Auc=0，KCMR(KCMR(普通在普通在8080120dB)120dB)。单端输出时：单端输出时：)dB(AAlg20KucudCMR 用dB表示 用恒流源替代Re，它具有小的直流电阻、大的交流电阻，可大大提高共模抑制比。VKKKVUR221162mA3 . 1K1)on(VV2IBE3CQ mA65. 02III3CQ2CQ1CQ V86. 365. 03 . 36U1CQ V56. 4)V7 . 0(86. 3UUUEC1CEQ RCRCR1R2R3等效等效ReRe112121122icidiiiiiUUUUUUU222121222)(icidiiiiiUUUUUUUEx

8、ample 1 双端输入双端输入双端输出差分放大器中，双端输出差分放大器中，mA6 . 0K20V12R2UIeEE1CQ 102R)1(rRRAWbebLud V6RIV12UCCQ1CQ K4 .2ImV26)1(200rEQbe K52R/RRLCLEWB上的仿真结果上例中设上例中设RL= 10K，并改为单端，并改为单端mA6 . 0K20V12R2UIeEE1CQ K5R/RRLCL52R)1(rR2RAWbebL1ud ReTO1RWTRbRL-U2EEURb1Rc+UccRcUiT3T3、T4T4组成的组成的恒流源电路作恒流源电路作为为T1T1、T2T2组成组成的差动放大器的差动放

9、大器的集电极电阻，的集电极电阻，并具有双端变并具有双端变单端的作用。单端的作用。OCL OTL BTLOperating State of AmplifierIB1 0 uCE1iC1IB2IB4IB30AC Load lineQ1Q1 Class AQ2Q2 Class BQ3Q3 Class ABQ4Q4 Class C一一. Basic . Basic Circuit Circuit Push-Pull Complementary Power AMPO C L CC Circuit假设UBE(on)=0O T LUUUU二二.Properties.PropertiesLCCLomORUR

10、UP2222121L2CCDCRU2P CComUU 4PPDCO 单电源供电单电源供电计算公式中计算公式中UccUcc用用Ucc/2Ucc/2代入代入ODCCPPP UCCQ-UCC-UCCQAC load LineAC load LineIcmIcm0 T/20 T/2UomUomT1导通T/2 TT/2 TT2导通IB1IB1 0 uCE1iC10 iC2uCE2IB2IB4IB3IB5IB2IB4IB3IB5T1截止T2截止LCCORUP2221L2CCDCRU2P 4PPDCOCComUU ODCCPPP L2CCmaxoRU21P PO PDC PCPomax0.4Pomax0.6

11、360.6361 11.27Pomax%5 .784max maxomaxcP2 . 0P 每管每管Example： 在双电源供电的在双电源供电的OCL电路中，知电路中，知UCC=20V，RL=8。试求。试求(1)输出信号输出信号Uom=10V时的时的PO、PDC、。(2)UCES=1V时时的的PO 、PDC、。(3)电路最大的电路最大的PO 、PDC、。 Po=6.25W Po=6.25W(1)=0.5 (1)=0.5 PDC=15.92WPDC=15.92W =39.25% =39.25% Po=25W Po=25W(3)=1 (3)=1 PDC=31.75WPDC=31.75W =78.

12、5% =78.5% Po=22.56W Po=22.56W(2)=0.95 PDC=30.25W(2)=0.95 PDC=30.25W =74.58% =74.58%三三.Safe operating of Power .Safe operating of Power TransistorTransistor平安任务平安任务CMmaxomaxcPP2 . 0P CEOCCmaxCEUU2u CMCmmaxCIIi CM2maxoP5P CMCEO1maxoIU41P Example：3DD3D的参数为：的参数为：PCM=1W，UCEO=30V，ICM=0.3A， 用它组成乙类推挽功放电路，计算

13、可输出的最用它组成乙类推挽功放电路，计算可输出的最大功率。大功率。W25. 23 . 03041IU41PCMCEO1maxo W5P5PCM2maxo 最大可输出最大可输出2.25W2.25W功率功率四四. Main Parameters集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM ICM QBIIC QBCII 1.1.电流放大系数电流放大系数：2.2.极间反向电流：极间反向电流：ICM UCEOPCM4.4.频率参数：频率参数： fTfCBOICBOCEOII)1( f 0 0707. 0 f1 10 0Tf3.3.极限参数：极限参数： 反向击穿电压反向击穿电压UCEOUCEO UCBO

14、UCBO 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCMPCM ff时时ff)f (T 五五. Practical Circuits. Practical Circuits管子配对管子配对充分鼓励充分鼓励过载维护过载维护交叉失真交叉失真Crossover Distortion+ +UiUi- -+ +UoUo- -信号幅度一致信号幅度一致R并电容并电容恒流源代恒流源代R3R3温度稳定性温度稳定性恒压偏置恒压偏置二极管代二极管代R R加负反响加负反响恒压偏置+ +UiUi- -+ +UoUo- -R1负反响自举电路Practical CircuitRW2=22RW2=22RW2=132RW2=132

15、0u+-u uo -UOMUOM uo=Aud(u+-u-)-+u-u+uoI I+运放电压传输特性理想特性uuuuuu非线性任务区非线性任务区正饱和电压正饱和电压负饱和电压负饱和电压形状反转形状反转线性任务区线性任务区( (深度负反响深度负反响) )-+u-u+uoI I+uo=Aud(u+-u-)0Iuu虚短虚短虚断虚断5.2.2. 5.2.2. 三种根本运算电路三种根本运算电路一、一、Inverting AmplifierInverting Amplifier1FuRRA FEATURESi1FOURRU -+-UiUoRFR1R2uun 信号加在反相输入端信号加在反相输入端n 反响网络

16、接在反相输入端反响网络接在反相输入端 n 虚地虚地0uu =R1/RF二二. Non-inverting . Non-inverting AmplifierAmplifier1F1uRRRA i1F1OURRRU -+UiUoRFR1R2uuFEATURESn 信号加在同相输入端信号加在同相输入端n 反响网络接在反相输入端反响网络接在反相输入端n 共模输入共模输入iuuu ui1uo +-R3R2RFi1R1减法电路ifui2三、差分比例运算电路三、差分比例运算电路 当两个输入端都有信号当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可输入时，即为差动输入，可进展减法运算进展减法运算 1111111

17、-RRRuuuRiuuFoiii1123231o)1 (iFiFuRRuRRRRRu3322-RRRuui时且当321RRRRF)(121oiiFuuRRui121uuuRRAioFu则 由于电路存在共模电压，为了由于电路存在共模电压，为了保证运算精度，应中选用共模抑制保证运算精度，应中选用共模抑制比较高的运算放大器。比较高的运算放大器。 Example 1 由理想运算放大器组成的电路中，由理想运算放大器组成的电路中，当输入信号当输入信号ui = 4Sint(V)时，画出输出信号时，画出输出信号uo的瞬态波形。的瞬态波形。-+Ui6K4K2.4K-+Uo1K1K0.5K3V6t tuo(V)u

18、o(V)-+ui16K6K1.7K-+uo10K5K10Kui24K5Kui3ui4OuExample 2 由理想运算放大器组成的电路中，由理想运算放大器组成的电路中，知知ui1=-2V，ui2=5V，ui3=5V，ui4=-10V，计，计算算uo。2O1OOuuu V5V)66(5uV3V)46(2u2O1O 431oooOuuuu1 10 0V VV V5 51 10 05 51 10 05 55 51 10 0u u1 10 0V VV V5 51 10 05 51 10 05 51 10 05 5u u4 4V V) )V V5 51 10 0( (2 2u u0 04 40 03 3

19、O O1 1V2V5V3uO .1加法运算加法运算 i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路 在反相端输入假设干路在反相端输入假设干路信号，构成反相加法运算电信号，构成反相加法运算电路路 131211fiiii)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRuFofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR当当时，时，FRR 1再假再假设设，那，那么么)(3211oiiiFuuuRRu)(321oiiiuuuu5.3.2 5.3.2 积分和微分运算电路积分和微分运算电路 dtuCRd

20、tiCuuiFfF1co110-uui1uo +-R2CFi1R1积分电路ifuc1if1Ruii当输入信号为阶跃电压时，当输入信号为阶跃电压时，tCRUuFi1ouiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot1 1 积分运算电路积分运算电路 例例: :画出在给定输入波画出在给定输入波形作用下积分器的输形作用下积分器的输出波形。出波形。(a) 阶跃输入信号阶跃输入信号(b)方波输入信号方波输入信号 积分器的输入和输出波形图积分器的输入和输出波形图2. 2. 微分运算微分运算 ui1uo +-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，微分运算是积分的逆运算，dtduCdtduCi

21、i1c11 当输入信号为阶跃电当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得微分电路稳定性不高，用得较少。较少。( (波形如右图波形如右图) )dtduCRRiRiuiFFF11fouiUuooottuoui1 +-R2C1icPD调理器iRRF 右图是在控制系统中使右图是在控制系统中使调理过程加速的比例调理过程加速的比例微分微分调理器调理器PDPD调理器。调理器。5.3.3 5.3.3 电压电压- -电流变换器电流变换器电压电压- -电流变换器电流变换器电压电压- -电流变换器图电流变换器图由图可知由图可知i1iLO11i=uRiiiRiu1或所以

22、输出电流与输入电压成比例。所以输出电流与输入电压成比例。 电压-电流和电流-电压变换器广泛运用于放大电路和传感器的衔接处，是很有用的电子电路。 电流电流-电压变换器电压变换器由图可知：由图可知：fSO=Riv 可见输出电压与输入可见输出电压与输入电流成比例，输出端的负电流成比例，输出端的负载电流：载电流：SLfLfSLOO=iRRRRiRvi 假设假设 RL RL 固定，那么输出电流与输入电流成比例，固定，那么输出电流与输入电流成比例，此时该电路也可视为电流放大电路。此时该电路也可视为电流放大电路。电流电流-电压变换电路图电压变换电路图5.3.4 5.3.4 交流放大电路交流放大电路a a反相

23、输入交流放大电路反相输入交流放大电路 b b同相输入交流放大电路。同相输入交流放大电路。 Fuf1RAR Fuf11RAR 5.3.5 5.3.5 精细整流流电路精细整流流电路半波精细整流电路 输入、输出波形 传输特性 5.3.6 5.3.6 有源滤波器有源滤波器滤波电路的根底知识滤波电路的根底知识作用：选频。作用：选频。一、滤波电路的种类：一、滤波电路的种类：低通滤波器低通滤波器LPF高通滤波器高通滤波器HPF带通滤波器带通滤波器BPF带阻滤波器带阻滤波器BEF 有源滤波器的频响有源滤波器的频响 滤波器也可以滤波器也可以由无源的电抗性元由无源的电抗性元件或晶体构成，称件或晶体构成，称为无源滤

24、波器或晶为无源滤波器或晶体滤波器。体滤波器。 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如下图分的干扰。滤波过程如下图。 滤波过程滤波过程uiuo +-RC有源低通滤波器ucRFR1如图为有源低通滤波器。CjCjRUUUic 11RCjUi 1URRUFo)1 (1011/1/11/1 jRRRCjRRUUAFFioufRCfRC 21100或20ufAo0 幅频特性20/111 RRFufA (b)Magnitude Ver

25、sus-Frequency Au()Aum21Aum0oRCj1UUCj1RCj1UUiiC RCj1URR1URR1Ui1F1Fo (a) Circuit R +RFR1 Cuoui1. 一阶低通滤波器一阶低通滤波器oum1Fiouj1ARCj11RR1UUA 2oumu1AA 式中：1FmuRR1A 为通频带放大倍数 RC1o 称为截止角频率 电压放大倍数的幅频特性为： 高通滤波器和低通滤波器一样，有一阶和高阶滤波器。将低通滤波器中的电阻R和电容C对调即成为高通滤波器。二阶低通有源滤波器R +RFR1CuouiRC 一阶有源低通滤波器的滤波效果不够理想，采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤

26、波效果。 AuAum21Aum0o一阶二阶 幅频特性Uo8.2K1000pF+-+-UiA1A21000pF8.2K8.2K8.2K8.2K33K 开关电容是模拟开关与电容的组合，在时钟信号控制下，完成电荷的存贮和转移。时钟控制：时钟控制：S1S1、S2S2同时闭合，然后同时断开，同时闭合，然后同时断开， S3 S3、 S4 S4 同时闭合。同时闭合。开关电容相减器开关电容相减器S S3 3S S1 1C CS S2 2S S4 4U Ui in n1 1U Ui in n2 2U Uo ou ut t= =U Ui in n1 1- -U Ui in n2 2- -+ +S S1 1S S2

27、 2C C2 2C C1 1U Uo oU Ui i+ + +- - -+ +- -A A开关电容积分器开关电容积分器 假定运算放大器是理想的，假定运算放大器是理想的，S1S1、S2S2分别受时钟分别受时钟11、22控制，在某一瞬间闭合，且初始形状控制，在某一瞬间闭合，且初始形状Uc1=Uc2Uc1=Uc2。t=0 t=0 时辰，时辰，S1S1受时钟受时钟1 1 控制而合上，控制而合上，Ui Ui 向电向电容容C1 C1 充电，充电， UC1 UC1充得充得电压为电压为 V V，然后，然后S1S1，S2 S2 断开，断开，当当t = 5us t = 5us 时，时，S2S2受时受时钟钟22控制

28、而合上。根据控制而合上。根据 可求出可求出 ，dtduCicc VCCu212c VCCu21o U UiV V= =1 1V Vt t( (u us s) )t t( (u us s) )t t( (u us s) )0 10 20 30 40 505 15 25 35 45U Uc1U UoVCCU21215.4.1 集成运放的非线性任务区集成运放的非线性任务区+UOMuOuP-uNOUOMUOM集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是任务在开环在电压比较器中，集成运放不是任务在开环形状，就是任务在正反响。形状，就是任务在正反响。5.4 电压比较器电压比较器uRuo +-R2电压比较器R1ui 运放任务于开环形状，运放任务于开环形状，uRuR是参考电压，当输入与参考电是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便压有微小差值时，输出信号便会到达饱和，即运放任务于非会到达饱和，即运放任务于非线性线性饱和区。饱和区。 参考电压等于零时，称为参考电压等于零时，称为过零比较器。过零比较器。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuR5.4.2单限比较器单限比较器当当 uI 0 时，时，uO = - UOM ；UOM 为集