模拟电子技术集成运算放大器

2023/3/30项目三集成运算放大器目录Chadongfangdadianlu差动放大电路Fuheguanfangdadianlu复合管放大电路Gonglvfangdadianlu功率放大电路Fangdadianludefufankui放大电路地负反馈jichengyunfangjiqidianlumoxing集成运放以及理想电路模型2023/3/30学习要点理解差动放大电路利用其对称性实现抑制零点漂移地原理;掌握反馈,正反馈,负反馈地概念;熟悉集成运放地主要技术指标与电压传输特性;掌握集成运放地理想化条件,理解"虚断"与"虚短"两个重要概念。2023/3/303.1差动放大电路——集成运算放大器概述集成运算放大器地性能特点及应用1959年世界上第一块集成电路问世近60年地时间里,集成运放地应用几乎遍及各个领域。集成运放体积小,密度大,功耗低,引线短,外接线少,.集成运放具有近乎无穷大地增益,无穷大输入阻抗,零偏置电流以及零失调电压,它不受封装尺寸限制,不占用空间,组装工作量小,成本低。集成运放地应用在工农业,日常生活及科技领域地相当多产品都有集成运放地身影:在导弹,卫星,战车,舰船,飞机等军事装备;在数控机床,仪器仪表等工业设备;在通信技术与计算机;在音响,电视,录像,洗衣机,电冰箱,空调等家用电器。集成电路地发展,对各行各业地技术改造与产品更新起到了促进作用。2023/3/30常见地集成运算放大器地封装形式02010403单列扁平式双列直插式圆壳式扁平式早期,运放主要用来完成模拟信号地求与,微分与积分等运算,故称为运算放大器。现在,运放地应用已远远超过运算地范围。它在通信,控制与测量等设备得到广泛应用。2023/3/30集成运算放大器地结构组成运放输入级采用差动放大电路,利用其对称特性提高整个电路地模抑制比与电路性能。运放地间级一般由多级放大电路组成。用来提高电路电压增益。运放地输出级通常由互补电压跟随器构成,用来降低输出电阻,提高运放地负载能力。偏置电路地主要作用是向各级提供合适地偏置电流。以保证各级放大电路具有合适地静态工作点。2023/3/303.1.2直接耦合放大电路需要解决地问题1.各级静态工作.点相互影响,互相牵制;2.存在零点漂移。由于温度以及其它原因,当输入信号为零时,输出却出现一个无规则地,持续缓慢地变化量,这种现象称为零点漂移。零漂严重时,产生地噪声甚至会把需要传输与放大地信号淹没。2023/3/303.2.2差动放大电路地组成运放地输入级要求运放输入级电路地输入电阻要高,差模电压放大倍数要大,模抑制能力要强,静态电流要小。差动放大电路可满足上述要求差动放大电路由两个对称地射基本放大电路组成。其VT1,VT2是两个特性完全相同地晶体管,两管基极信号电压ui1,ui2大小相等,相位相反。2023/3/303.2.2差动放大电路地组成——差模信号差模信号差动电路两输入端信号地差值uid=ui1-ui2,是放大电路需要传输与放大地有用信号。差模信号实际上就是差动电路地输入电压2023/3/303.2.2差动放大电路地组成——模信号模信号外界电磁干扰,温度影响等因素造成地零漂电压,相当于在差动放大电路地输入端加了"模信号"。模信号是干扰信号,需要抑制与消除。2023/3/303.2.3差动放大电路地工作原理画出输入等于零地直流通道静态分析电路对称,可按单边求解对下回路列写KVL方程:2023/3/303.2.3差动放大电路地工作原理画出电路地交流通道动态分析由于电路对称,射极电阻RE上无电压,可视为交流短路。画出地交流通道地单边微变等效电路。2023/3/303.2.4差动放大电路地类型双端输入双端输出单端输入双端输出双端输入单端输出单端输入单端输出2023/3/30差动放大电路不同类型地性能比较性能指标双（单）端输入双端输出双（单）端输入单端输出差模放大倍数Ad差模输入电阻rid差模输出电阻rod2RCRC模放大倍数Ac≈0模抑制比KR→∞实际输出电压UOAd*2Uid+AC*Uic上表各项指标均为差动放大电路不带负载地情况下给出地。显然,双端输出地差动放大电路对零漂地抑制能力更好！2023/3/303.2.5恒流源式差动放大电路恒流源式差动放大电路,当温度变化时,VT3地发射极电位与发射极电流基本保持稳定,ic1与ic2之与近似等于ic3,不会受温度变化地影响而发生变化。可见,恒流源式差放电路地模抑制能力更强,性能更稳定。电路地RE阻值越大,抑制零漂地效果就越好。但RE地阻值选取越大,同样工作电流条件所需负电源−VEE地数值也越大。为在增大射极电阻地同时不提高－VEE,通常采用恒流源代替RE。图用晶体管VT3与电阻Rb1,Rb2与Re构成其分压式偏置电路。由偏置电路可知,只要电源VCC与偏置电路地电阻Rb2数值不变,VT3地集电极电流即差放电路地射极电流IC3基本不变。2023/3/303.2.5恒流源式差动放大电路已知图示电路＋VCC=12V,－VEE=－12V,三个三极管地电流放大倍数β均为50,rbb’=200Ω,Re=33kΩ,RC=100kΩ,R=10kΩ,RW=200Ω,稳压管地UZ=6V,R1=3kΩ。试估算:①该放大电路地静态工作点Q;②差模电压放大倍数;③差模输入电阻与差模输出电阻。解例①2023/3/303.2.5恒流源式差动放大电路解由交流通道可得半边微变等效电路:式:②由于恒流源上地电流恒定,当差模信号输入时,对称地两个三极管就会一个射极电流增大,另一个射极电流减小,且增大与减小地数值相同,所以RW上地点交流电位为零,其交流通路如下图所示:2023/3/303.2.5恒流源式差动放大电路解输入电阻:恒流源在放大电路地作用有两个:一是可以起到稳定电流地作用;二是做放大电路地有源负载,能够更好地抑制模信号。输出电阻:2023/3/303.1差动放大电路123何谓差模信号？何谓模信号？什么是零漂现象？零漂是如何产生地？采用什么方法可以抑制零漂？差动放大电路有哪几种类型？4恒流源在差动放大电路起什么作用？Sikaoyulianxi思考与练习2023/3/303.2复合管放大电路由于集成电路通常要求其间级基级电流大—相当前级提供地输出大,单管放大电路实现这种要求很困难。采用复合管地发射极电路作为集成运放地间级电路,可以解决这个难题。放大电路采用复合管,主要目地就是为了增大管子地电流放大倍数β,减小前级驱动电流,复合以后,管子地电流放大倍数为:2023/3/303.3功率放大电路何谓功率放大器？扩音系统信号放大信号提取例执行机构被放大后地模拟信号在推动实际负载时需要较大地功率,能完成此任务地器件就是功率放大器。功放常用作放大电路地输出级,以驱动执行机构如扬声器发声,继电器动作,仪表指针偏转等。2023/3/303.3.1功率放大器地特点及主要技术指标01020304功放电路地主要任务是向负载提供一定地功率,因此要求输出电压与电流地幅度足够大;由于功放输出信号幅度大,三极管通常工作在极限应用状态,因此输出信号必然存在一定程度地失真。功放电路输出功率地同时,三极管消耗地能量也较大,因此三极管地管耗与散热问题异常突出。功率放大器工作在大信号地极限运用状态,小信号地估算法不再适用,只能采用图解法进行估算。2023/3/303.3.1功率放大器地特点及主要技术指标01020304效率尽可能高大信号情况下地输出功率与功耗都较大,效率问题突显。在允许地失真范围内除了满足输出功率,首先应考虑管子地效率。足够大地输出为获得最大功率输出,要求功放管工作在接近"极限运用"状态。选用时应考虑管子地三个极限参数I,P与U(BR)CEO。失真尽可能小处于大信号工况下地管子不可避免地存在非线性失真。应考虑在获得尽可能大地功率输出下将失真限制在允许范围内。散热条件要好"极限运用"状态下地晶体管产生地结温与管壳温升非常大。散热问题应充分重视,需要采取措施使功放管有效地散热。2023/3/303.3.2功率放大器地交越失真推挽工作地互补对称功放电路,两个管子在信号周期内交替工作,各自产生半个周期地信号波形。ui/Vωt00.6-0.6uo/Vωt00.6-0.6过零处地失真称作交越失真由于两管工作时存在死区2023/3/303.3.3功率放大器地分类乙类甲乙类甲类存在交越失真,功耗小,效率高,可达78%以上。保真效果好,功耗低,效率在甲类与乙类之间。Q甲乙类功放是在乙类功放地基础上改造地,因此二者优点兼而有之,实际应用最为普遍。高保真,功耗大,效率低,最多可达50%。QQ2023/3/303.3.3功率放大器地分类——OCL电路双电源供电方式,射极电位VE=0:特点VE2023/3/303.3.3功率放大器地分类——OCL电路工作原理OCL电路只要R1,R2数值选择适当,当ui=0时,二极管VD1与VD2导通,使IB1,IB2,VB1与VB2处于一定地静态值,让VT1与VT2地发射结静态时始终存在一个适当地微偏压,用以消除乙类功放过零处地交越失真。VE=0静态分析ui=0时,两管均处于微导通状态,有显然,两管射极电流大小相等,方向相反,因此:VE=02023/3/303.3.3功率放大器地分类——OCL电路工作原理VE=0动态分析输入信号正半周,ui>0,三极管VT1导通,VT2截止,电流iC1经+VCC自上而下经VT1流过负载RL;输入信号负半周,ui<0,三极管VT2导通,VT1截止,电流iC2经-VCC与VT2自下而上流过负载RL,在负载上形成负半周输出电压。可见,OCL电路是在乙类功放地基础上改造而得,消除了交越失真现象。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——OCL电路地参数计算1.最大输出功率Pom:理想情况下,晶体管地饱与压降UCES可忽略不计:4.管耗RV:2.直流电源提供地直流功率PVCC:理想情况下,Uom=VCC,可得电源最大供给功率为:3.效率η:理想情况下:通常情况下,OCL电路地最大管耗为0.4Pom,即单管地最大管耗为0.2Pom。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——功放管地选择功放管地极限参数有P,I与U(BR)CEO,选择时应满足:2.功放管地最大耐压U(BR)CEOP1是单管在负载电阻RL上获得地信号不发生明显失真地最大功率.1.功放管单管集电极地最大允许功耗3.功放管地最大集电极电流I显然,一只管子饱与导通时,另一只管子承受地最大反向电压为2VCC。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——OTL电路1.单电源供电;2.有输出大电容。特点2023/3/303.3.3功率放大器地分类——OTL电路工作原理静态分析电路地VT2与VT3参数对称,静态时K点电位为VCC/2,由于电容地隔直作用,负载上无电压输出。动态分析输入信号正半周,ui>0,三极管VT2导通,VT3截止,电流iC2经VCC自上而下经VT2流过负载RL,同时对电容C充电;输入信号负半周,ui<0,三极管VT3导通,VT2截止,电容CL放电,充当VT3管地负电源,电流自下而上流过负载RL,负载上得到一个完整地信号波形。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——OTL电路地参数计算1.最大输出功率POM:理想情况下,晶体管地饱与压降UCES可忽略不计。2.管耗RV:3.直流电源提供地直流功率PVCC理想情况下,Uom=VCC,可得电源最大供给功率为:4.效率η:显然,与OCL功放电路参数计算有一点不同,公式地VCC都除以2。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——集成功放地应用集成功放LM386简介2023/3/303.3.3功率放大器地分类——集成功放地应用集成功放LM386简介第一级为差分放大电路,VT1与VT3,VT2与VT4分别构成复合管,作为差分放大电路地放大管;VT5与VT6组成镜像电流源作为VT1与VT2地有源负载;信号从VT3与VT4管地基极输入,从VT2管地集电极输出,因此输入级是双端输入单端输出地差动放大电路。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——集成功放地应用第二级为射放大电路,VT7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数。2023/3/303.3.3功率放大器地分类——集成功放地应用第三级地VT8与VT9管复合成PNP型管,与NPN型管VT10构成准互补输出级。二极管VD1与VD2为输出级提供合适地偏置电压,可以消除交越失真。2023/3/30利用瞬时极性法可以判断出,引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端;电路由单电源供电,故为OTL电路。输出端(引脚5)应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到VT2地发射级,形成反馈通路,并与R4与R6构成反馈网络。从而引入了深度电压串联负反馈,使整个电路具有稳定地电压放大倍数。3.3.3功率放大器地分类——集成功放地应用2023/3/303.3功率放大器——集成功放地典型应用电路2023/3/303.3.4采用复合管地互补对称功放电路电路各元器件地作用:VT1为激励级,其基极偏压取自于点电位VCC/2。RP1与R1是VT1管地偏置电阻,其作用是引入交直流电压并联负反馈。RP2,VD1,VD2为功放复合管提供偏压,其作用是克服交越失真与提供温度补偿。R4,R5地作用是减小复合管穿透电流。R7,R8为负反馈电阻,起稳定静态工作点Q地作用,以减小电路失真。2023/3/303.3功率放大器练习题3与一般电压放大器相比,功放电路在性能要求上有什么不同？练习题4甲类,乙类与甲乙类3种功放电路地特点各是什么？Sikaoyulianxi思考与练习练习题1练习题2何谓"交越失真"？哪种电路存在"交越失真"？如何克服"交越失真"？OTL互补输出级是如何工作地,与负载串联地大容量电容器有何作用？2023/3/303.4放大电路地负反馈——反馈地基本概念从放大电路输出回路取出部分或全部地输出信号,通过适当地途径回送到输入端,对输入信号进行调控地过程称为反馈。Xo反馈网络FAXiXFXd叠加框图,Xi是放大电路地输入信号,Xo是放大电路地输出信号,XF是放大电路地反馈量,Xd是放大电路地输入信号Xi与反馈量XF二者地叠加,称为放大电路地差值输入信号——差值信号。2023/3/303.4.1反馈地基本概念Xo反馈网络FAXiXFXd若反馈使输入量增强,称为正反馈;工程实际常用于振荡器。增强若反馈使输入量削弱,称为负反馈;工程实际用于各种放大器。负反馈地作用稳定静态工作点;稳定放大倍数;提高输入电阻;降低输出电阻;扩展通频带。削弱2023/3/303.4.1反馈地基本概念——几个关系闭环电压放大倍数开环电压放大倍数反馈系数···········+=+==FFA1AX)A1(XAXXAddiOFoFXXF···=反馈深度2023/3/30反馈深度对电路地影响1432反馈深度基本放大电路输入信号被消弱,反馈形式为负反馈;>1时基本放大电路输入信号被增强,反馈形式为正反馈;<1时此时无输入信号也会有输出信号,放大电路出现自激;=0时电路引入深度负反馈,此时AF仅取决反馈系数F地倒数。>>1时2023/3/303.4.2负反馈地基本类型及其判别负反馈地基本类型1电压串联负反馈2电压并联负反馈4电流并联负反馈3电流串联负反馈2023/3/30负反馈地基本类型地判别1432负反馈类型判别ui电压串联负反馈uo取自电压电压反馈串联反馈ui电压并联负反馈uo取自电压电压反馈并联反馈ui电流串联负反馈io取自电流电流反馈串联反馈ui电流并联负反馈io取自电流电流反馈并联反馈2023/3/303.4.2负反馈地基本类型及其判别如何进行类型判别？判断电压反馈还是电流反馈？从输出端入手,若反馈信号取自于输出电压,则为电压反馈,若反馈信号取自于输出电流,则为电流反馈。交直流反馈地判别判断串联反馈还是并联反馈？从输入端入手,若反馈信号,输入信号与差值信号三者以电压代数与形式出现,为串联反馈;若三者以电流代数与形式出现则为并联反馈。如果反馈网络地反馈元件是电阻,则为交直流反馈;若反馈网络元件是电容,则为交流反馈。2023/3/30负反馈基本类型地判别举例举例ubeuiufuo对输入回路列KVL:ui=ube+uf从输出端看,反馈量uf取自于输出电压,判断为电压反馈;从输入端看,反馈量,输入量及净输入量以电压求与地形式出现,因此是串联反馈;结论电压串联负反馈分析2023/3/30负反馈基本类型地判别举例举例iiui对输入回路列KCL:ii=ib+if从输出端看,反馈量if取自于输出电压,判断为电压反馈;从输入端看,反馈量,输入量及净输入量以电流求与地形式出现,因此是并联反馈;结论电压并联负反馈uoifid分析2023/3/30举例ube结论电流串联负反馈uiuf对输入回路列KVL:ui=ube+uf从输出端看,反馈量uf取自于输出电流,判断为电流反馈;从输入端看,反馈量,输入量及净输入量以电压求与地形式出现,因此是串联反馈;负反馈基本类型地判别举例分析2023/3/30举例ii结论电流并联负反馈ifid对输入回路列KCL:ii=ib+if从输出端看,反馈量if取自于输出电流,判断为电流反馈;从输入端看,反馈量,输入量及净输入量以电流求与地形式出现,因此是并联反馈;io负反馈基本类型地判别举例分析2023/3/30判断下图有哪些反馈回路,属于交流反馈还是直流反馈？例解根据反馈网络元件判断反馈是直流反馈?交流反馈?还是交直流反馈？该反馈通道是阻容支路,由于电容地通交隔直作用,判断此反馈通道属于交流反馈形式。该反馈通道元件是电阻,因此属于交直流反馈形式。负反馈基本类型地判别举例2023/3/30负反馈对放大电路性能地影响01提高了放大电路地稳定性02展宽了放大电路地通频带03减小了放大电路地非线性失真04提高输入电阻减小输出电阻2023/3/30判断是正反馈还是负反馈一般采用什么方法？思考与练习判断下图所示各电路地反馈类型。a.电压串联负反馈参考答案:b.电压并联负反馈2023/3/301.什么叫反馈？正反馈与负反馈对电路地影响有何不同？放大电路一般采用哪种反馈形式？如何判断放大电路地各种反馈类型？Sikaoyulianxi思考与练习放大电路引入负反馈后,能给电路地工作性能带来什么改善？放大电路地输出信号本身就是一个已产生了失真地信号,引入负反馈后能否使失真消除？2023/3/303.5集成运放以及理想电路模型通用型以通用为目地而设计地。产品有单运放μA741,双运放LM358,四运放地LM324及以场效应管为输入级地LF356等.。高速型高速型运算放大器地主要特点是具有较高地转换速率与较宽地频率响应。常见地高速型集成运放有LM318,μA715等,其SR=50～70V/μs,BWG＞20MHz。低功耗型常用地低功耗型运算放大器有TL-022C,TL-060C等,其工作电压为±2～±18V,消耗电流为50～250μA。目前有地产品功耗已达微瓦级,.高阻型这类运放地特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,常用地有四运放地LF356,LF355,LF347等。低温漂型自动控制仪表常用地高精度,低温漂运算放大器有OP-07,AD508及或由MOS应管组成地斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。.高压大功率型高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压与大电流。常用地有D41,μA791等。3.5.1集成运算放大器地分类2023/3/303.5.2集成运放管脚功能及元器件特点图示为常用μA741集成运放芯片产品实物图μA741集成运放地8个管脚排列图如下:调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚2023/3/303.5.2集成运放管脚功能及元器件特点μA741集成运放图形符号μA741集成运放外部接线图反相输入端同相输入端输出端－12V+12V管脚1与5分别与调零电位器地两个固定端相连调零电位器调零电位器地可调端与管脚4相连。2023/3/303.5.2集成运放管脚功能及元器件特点01020304在同一硅片上用相同工艺制造出来地元器件性能比较一致,对称性好,相邻元器件地温度特性较一致电阻及电容集成数值范围窄,电阻仅在几十Ω至几十kΩ,电容仅为几十μμF。电感目前不能集成。集成运放地元器件性