第8章-集成放大电路及其应用

第八章：集成放大电路及其应用内容提要内容提要本章主要介绍运算放大器及其应用在介绍时，先用方框图介绍主干电路的组成，当具体到内部电路时，对一些辅助电路则用通用符号表示，不给出详细电路即使是主干电路，也只给出其中影响基本工作原理的部分电路，而对一些提高指标的附加部分，择其重要而又有代表性的部分进行适当的介绍对集成引脚端的内部电路介绍较为详细，从而有助于实际中的使用运算放大器概述(一)第一节：运算放大器概述运算放大器的电路符号中有两个输入端和一个输入端：同相输入端反相输入端运放通常具有高增益，从而容易在深负反馈条件下运用，此时闭环下的输入、输出电压关系取决于外接反馈电路根据外接反馈的不同，输入输出之间具有不同的运算关系，运算放大器也由此得名运算放大器概述(二)第一节：运算放大器概述第一级采用差放电路的原因在于其有很高的共模抑制比第二级有较大的放大量，采用电路结构简单的单边线路第三级采用互补线路，可以减小大信号时引起的非线性失真利用中间级输入、输出端的跨接电容来防止和消除自激振荡对称输入式双极型管运算放大器电路第二节：通用运算放大器的工作原理静态工作点由、和确定，，，组成共集-共基混合连接差动放大电路输入级，，是中间增益级由于这种电路具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，故用电压放大倍数来表征其放大量时，其值较少受信号源内阻和负载变化的影响非对称输入式双极型管运算放大器电路第二节：通用运算放大器的工作原理该运放也有两个输入端：Y端连接和的基极，为高输入阻抗端X端连接和的发射极，为低输入阻抗端由于两个输入端的电路结构和输入阻抗均不相同，故称为非对称输入级中间级的结构末级的结构该电路具有很好的温度稳定性所需的补偿电容较小MOS型运算放大器电路第二节：通用运算放大器的工作原理MOS电路具有密度高、功耗小的特点，和为恒流源电路，各自具有不同的作用和组成输入级的差动放大电路为第二级放大管只有两级的原因在于该运放用于集成电路内部，其负载一般为MOS管的栅极，不要求大电流是为防止自激振荡的补偿电容直流参数(一)第三节：运算放大器的主要参数输入失调电压使输出电压为0的外加差模输入电压输入失调电压漂移(温漂)系数输入失调电压的大小随温度而变化，这一现象称为温漂。失调电压的变化与相应的温度变化的比值即为温漂系数输入偏置电流当运放的输出直流电压为0时，两个输入端的偏置电流的平均值输入失调电流使输出电流为0的外加差模输入电流直流参数(二)第三节：运算放大器的主要参数其定义类似于输入失调电压漂移系数输入失调电流漂移(温漂)系数电源电压抑制比当运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压改变的变化率输出电压峰-峰值特定负载条件下，运放能输出的最大电压幅度最大差模输入电压与最大共模输入电压交流参数(一)第三节：运算放大器的主要参数开环带宽运放的开环增益比零频增益值下降3dB时所对应的信号频率单位增益带宽将运放的输出端通过一个电阻和反相输入端相连，输入信号施加于同相输入端，构成零频闭环增益为1的电路。小信号闭环增益下降至零频增益的0.707倍时的带宽即为单位增益带宽用简化等效电路推导可得：交流参数(二)第三节：运算放大器的主要参数摆动速率在额定的负载条件下，运放输出电压的最大变化率。也称为转换速率运放的摆率与是否加有负反馈无关，也与输入信号形状无关推导可得：交流参数(三)第三节：运算放大器的主要参数满功率带宽当输出电压幅度达到某一额定值时，输出波形失真系数不超过某一值的频率推导可得：建立时间从到达偏离某一特定值范围内所需的时间交流参数(四)第三节：运算放大器的主要参数差模输入阻抗运放工作于线性区时，两输入端的差模电压变化与相应的输入端电流变化之比共模输入阻抗当给运放施加共模输入电压时，共模输入电压的变化量与相应的电流变化量之比输出阻抗其定义与普通放大电路的相同反相输入式放大电路(一)第四节：运算放大器输入信号的连接方式关于电源端、失调端的说明电路结构说明温漂补偿电阻的原理说明在深负反馈条件下，可推导得出反相输入式放大电路(二)第四节：运算放大器输入信号的连接方式使用T型网络代替后，可以在不使用高阻值电阻来获得提高输入电阻且保持放大倍数不变的效果同相输入式放大电路第四节：运算放大器输入信号的连接方式各元件的作用与反相输入式放大电路中的相同在深负反馈条件下，可推导得出闭环输出电阻与反相输入式放大电路相同同相输入式放大电路的反相输入端有一个等于输入电压的共模电压，而在反相输入式放大电路中，共模输入电压接近0以运放为基本放大器的电路的分析方法第四节：运算放大器输入信号的连接方式深负反馈下器件的重要特性：同相输入端和反相输入端之间具有虚开路特性同相输入端和反相输入端之间具有虚短路特性由于反馈是电压负反馈，故输出电压十分稳定，基本不随负载而变理想运放的特点：输入阻抗无限大开环增益无限大输出阻抗为0需要注意二者之间的原则性区别：深负反馈是有条件的，且必须加有电压负反馈；而理想运放是无条件的深负反馈是建立在“相对误差”小上的；理想运放是建立在绝对值大小上的非对称输入式运算放大器综述第五节：非对称输入式运算放大器的特性反馈分为电流反馈和电压反馈，是根据反馈电路在放大器输出端的连接方式而确定的：若反馈信号取样元件在放大器输出端和负载串联，则为电流反馈若反馈信号取样元件在放大器输出端和负载并联，则为电压反馈无法用电流反馈、电压反馈的定义来区分右图使用非对称/对称输入式的叫法来区分将更加清晰明确开环特性第五节：非对称输入式运算放大器的特性推导可得：为电流镜CM1或CM2的等效输出电阻若负载为，则：分析闭环特性的简化等效电路第五节：非对称输入式运算放大器的特性为简化问题，假定：反馈电路在输出端的连接方式是电压反馈，从而可忽略放大器的开环输出电阻同相输入时，信号源的内阻远比Y端输入电阻小，近似认为Y端输入电阻无穷大在工作频率内，整个电路中影响频率特性的电抗是两个输入端之间的等效方式中间级电流镜的电流和相等输出级的等效方式注意：反相输入式放大电路(一)第五节：非对称输入式运算放大器的特性推导可得：其中两种运放构成的反相输入式放大电路的零频闭环增益相等，原因为两种情况下电路均满足虚短路和虚开路的条件由于两者X端(同相输入端)阻抗不等，故其反馈系数表达式不同反相输入式放大电路(二)第五节：非对称输入式运算放大器的特性开环上截止频率：闭环上截止频率：分别通过改变或来改变闭环带宽时，对闭环上截频和带宽增益积的影响不同因此，笼统地认为非对称输入运放的带宽增益是常数，或不是常数而与增益成正比，都是片面的，因为得出两种不同的结论的条件不同同相输入式放大电路第五节：非对称输入式运算放大器的特性推导可得：其中关于截止频率和增益带宽的讨论与反相输入式放大电路相似需要注意，在频率较高，接近闭环上截止频率时，极间电容的影响还是可观的摆动速率第五节：非对称输入式运算放大器的特性摆动速率是一个大信号参数，与对称输入式运放一样，它取决于补偿电容的充电速率。补偿电容上的电压通过射极输出电路送到输出端，故上的电压就是输出电压和对称输入式运放不同的是给电容充电的电流不是输入级的电流，而是中间级电流镜的输出电流。当补偿电容容量相等时，二者摆动速率之比，便是非对称输入式运放中间级电流镜的最大可能输出电流与对称输入式运放输入级最大可能输出电流之比单电源供电运算放大电路第六节：其他集成放大电路若双电源供电运放的电源正端接运放的正电源连接端，电源负端和运放的负电源连接端连接，并接公共地端；则运放输入端接地时运放将无法工作静态时，至、 和的集电结均处于零偏压状态当输入信号不为0时，输入级各管的集电结电压将在0V左右变化注意该电路输入、输出电压范围双电源供电运放的单电源供电运用第六节：其他集成放大电路该电路难以放大缓慢变化的信号跨导运算放大器(一)第六节：其他集成放大电路和构成一般的差动放大电路分别构成4个电流镜在各个电流镜均为理想的情况下，负载的电流为若负载电阻远小于输出电流镜的内阻，则有：跨导运算放大器(二)第六节：其他集成放大电路该电路为集电极输出，具有较高的输出电阻；输入为基极，输入电阻也较高。故增益用输出电流与输入电压之比来表示较为合适，且增益大小受信号源内阻和负载电阻变化的影响较小由于该电路增益的量纲为跨导，故称为跨导运放当外加反馈电路满足深负反馈条件时，控制端的作用便失效电压跟随器电压跟随器也成为电压缓冲器，或缓冲放大器，常用于要求高输入阻抗和低输出阻抗的阻抗变换电路中第六节：其他集成放大电路将通用运放加100%的电压负反馈，信号由同相输入端输出，便是电压跟随器。但这种方法所构成的通频带会变得很窄使用专用跟随器或开环式电压跟随器时，频带会更宽一些。其主要原因在于专用电压跟随器中放大器无需高增益，补偿电容也相对较小集成功率放大器第六节：其他集成放大电路集成功率放大器也称为功率集成块，此类放大器多应用于声频范围该电路也是由3个放大级组成的推导可得：电路结构说明及其它注意事项相加运算电路(一)第七节：运算放大器构成的运算电路利用运放构成运算电路的原理是深负反馈放大器的放大倍数取决于反馈电路的反馈系数，而与放大器内部参数无关故选用不同元件组成反馈电路，便可得到输出电压与输入电压的不同运算关系运算结果的精确性，取决于深负反馈条件满足的程度相加运算电路(二)第七节：运算放大器构成的运算电路故改变某一路输入信号的信号源与运放反相输入端之间的电阻，就可以单独改变该路信号的传输比例系数物理原因在于参与相加运算的会聚点具有虚地特性反相输入式相加电路相加运算电路(三)第七节：运算放大器构成的运算电路同相输入式相加电路相加运算电路(四)第七节：运算放大器构成的运算电路同相输入式相加电路不能通过改变信号源和放大器输入端之间的一个电阻，单独改变某一路的传输比例系数原因在于各路信号的会聚点会随任一输入电压的改变而发生变化输入端具有较高的共模电压输入电阻并不大相减运算电路第七节：运算放大器构成的运算电路可以使用独立源叠加定理来进行分析积分运算电路(一)第七节：运算放大器构成的运算电路反相输入式积分电路注意：随着工作频率的升高，放大器的放大倍数会减小，误差将随之增大积分运算电路(二)第七节：运算放大器构成的运算电路同相输入式积分电路要使该图获得精确的积分关系，4个电阻必须精确匹配，否则会出现运算误差积分运算电路(三)第七节：运算放大器构成的运算电路差动积分电路微分运算电路第七节：运算放大器构成的运算电路反相输入式微分电路推导可得：工作频率降低时，运算误差减小；工作频率升高时，误差增大差动微分电路可按照差动积分电路类似的方式推导其电压传输关系基本对数运算电路第七节：运算放大器构成的运算电路当加到PN结上的电压大于100mV且流过二极管的电流不十分大时，有：在深负反馈条件下，可得：为满足对数运算的条件，除深负反馈以外，电流只允许有个数量级的动态运用范围以三极管作为对数管的对数运算电路第七节：运算放大器构成的运算电路利用运放反相输入