电路与模拟电子技术基础课件 第10章 集成运算放大器

电子技术基础ElectronicTechnologyFundamentals单元导学10.1集成运算放大器集成运放的结构及特点集成电路的几种外形输入级要求其输入阻抗高，抑制共模信号效果好，通常采用差分输入电路。中间级主要作用是进行电压放大，一般由多级共射放大电路构成，且受到集成工艺条件的限制，级间均采用了直接耦合方式。输出级要求输出电阻小，能够输出足够大的电压和电流，多采用互补对称放大电路或射极输出器组成。偏置电路的作用是为各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。10.2零点漂移定义：对于一个理想放大电路，其输入信号为零的时候，输出信号应该也为零。但在实际电路中，输入信号为零的时候，输出信号显示往往是缓慢变化的无规则信号，我们称这种现象为“零点漂移”现象，简称“零漂”。造成零点漂移现象的外界原因有很多，如环境温度的变化、电源电压的波动、元器件参数的变化都可能造成零点漂移现象。其中温度变化引起的零点漂移现象最为普遍，在放大电路中常分析的是“温漂”现象。在直接耦合的多级放大电路中，第一级的零漂（温漂）现象会被逐级放大和传输，严重时零漂（温漂）输出会淹没有用输出信号，使得放大器无法正常工作。因此抑制零漂（温漂）现象的关键在放大电路的第一级。抑制零漂现象的措施也有很多，如采用差分电路、负反馈连接电路、温度补偿电路、选用稳定性高的电源等。对于内部电路为多级直接耦合方式的集成运放来说，目前应用最为广泛的抑制零漂措施就是在输入级采用了差分放大电路。10.3差分放大电路一.基本差分放大电路1.电路结构两个三极管特性一致、电路参数对应相等、结构完全对称的共射放大电路组成。由于电路集成在同一晶片上，温度对它们的影响效果几乎相同。2.抑制零漂原理当两个输入均为零的时候，由于电路完全对称，此时T1和T2的集电极电位相等，所以输出电压uo为零。当温度升高时，两个三极管的集电极电流增加量也相同，集电极电阻的电压变化量相同，此时输出电压uo仍然为零，不受温度变化影响，从而抑制了温漂（零漂）现象。差分放大电路的对称性越好，对温漂（零漂）的抑制作用就越显著。基本差分放大电路10.3差分放大电路3.输入信号共模输入信号差分输入信号基本差分放大电路差模输入信号若两个输入信号大小相等、方向相同，则称这两个输入为共模信号，uic1uic2若两个输入信号大小相等、方向相反，则称这两个输入为差模信号，uid1uid2若差分电路的两个输入信号的大小和相位任意，分别加在两个输入端和地之间，则我们称这样的信号为差分输入信号。任意的差分输入信号都可以分解为共模分量和差模分量的叠加。10.3差分放大电路4.工作形式双端输入单端输出双端输入单端输出单端输入双端输出单端输入单端输出10.3差分放大电路二.长尾式差分放大电路1.电路结构长尾式差分放大电路提高了差分放大电路的共模信号抑制能力。与基本的差分放大电路相比较，除了一对完全对称的单管共射放大电路以外，长尾式差分放大电路还采用了正负双电源工作方式，一般取uCC=uEE在两个三极管的发射极共同连接了电阻RE，去掉了基极偏置电阻。长尾式差分放大电路10.3差分放大电路二.长尾式差分放大电路2.静态分析静态分析电路输入信号为零（静态）时，即ui1＝ui2=0，相当于两输入端短路，直流通路如图所示。列出基极到射极的回路KVL方程式：10.3差分放大电路二.长尾式差分放大电路3.动态分析动态分析电路输入共模信号当输入共模输入信号时，三极管T1和T2的集电极电流变化趋势相同，集电极电阻两端电压变化相同，因而两个集电极电位变化量也相等，即,采用双端输出形式，此时输出电压此时电路对共模信号的电压放大倍数为010.3差分放大电路二.长尾式差分放大电路3.动态分析单侧动态等效电路输入共模信号,采用单端输出形式若采用单端输出形式，射极电阻RE接收两个同样变化量的射极电流，从一侧的放大电路看，三极管的射极等效为接入了一个2RE的电阻。无论采用单独输出还是双端输出，长尾式差分放大电路，都具有较高的共模抑制能力，克服了基本差分放大电路单端输出无法抑制共模信号的缺点。共模输入电压放大倍数值很小10.3差分放大电路二.长尾式差分放大电路3.动态分析单侧动态等效电路输入差模信号,以双端输入电路形式为例。当输入差模输入信号时，三极管T1,T2的射极动态电流大小相等，方向相反，这两个电流对电阻RE的影响互相抵消，对差模信号来说，RE电压降为0，相当于短路。此时三极管集电极电流引起的动态电压同样也是大小相等，方向相反的两个量，分析时，可以认为负载的中间点为动态信号的零点。三极管T1对应的一侧单侧动态等效电路如图所示：10.3差分放大电路单侧放大电路对差模输入信号的电压放大倍数为：根据对称性，，，双端输出的差模电压放大倍数为：双端输出长尾式差动放大电路对差模输入信号的电压放大倍数与单侧放大器对差模信号的放大倍数相同。10.3差分放大电路三.共模抑制比定义：,差分放大器对差模信号的放大能力及对共模信号的抑制能力，常用共模抑制比作为一项重要技术指标来衡量，其定义为放大电路对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的放大倍数Auc之比的绝对值，即或用对数表示:单位：分贝()长尾式差分放大电路中，通过增大射极电阻RE的方法提高了共模抑制能力，但这种电路会使得静态时RE上压降过大，两个三极管的管压降降低，从而使得信号输入动态范围变小。10.3差分放大电路四.恒流源差分放大电路,1.电路结构三极管T3和R1,R2,RE共同组成了恒流源电路,替代了长尾式差分电路中射极电阻RE2.抑制零漂原理温度升高共模信号输入时，由于恒流源可等效为非常高的动态电阻，从而大大提高了共模信号抑制能力。当差模信号输入时，流经恒流源的动态电流为零，恒流源不影响差模信号的放大。因此，恒流源差分放大电路在取得共模信号抑制能力的同时，保证了差模信号的放大倍数。又由于恒流源具有较低的电压占有率，从而保障了较宽的动态输入范围，改善了长尾式差分放大电路的缺点。10.4集成运放及其分析方法一.理想集成运放的主要参数,

主要性能参数开环电压放大倍数Aod=∞输入电阻rid=∞

输出电阻

r0d=0共模抑制比KCMR=∞同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端集成运放的符号理想集成运放在现实中并不存在，但在目前工艺条件下，实际集成运放参数已经非常接近理想集成运放。理想特性集成运放的电压传输特性u0(V)u+-u-(mV)0＋Uom－Uom实际特性线性区正饱和区线性区输出、输入电压的关系为：10.4集成运放及其分析方法二.集成运放的电压传输特性负饱和区实际运放电压传输特性包括线性区和饱和区由于开环电压放大倍数所以线性区很陡，即使输入电压很小，也很容易就进入饱和工作区。所以为了保证集成运放能够稳定工作在线性区，通常要在电路中引入深度负反馈非常大，由于电源电压的限制，输出电压uo增大到一定值后，将进入正负饱和区，此时输出电压值将保持为＋Uom和－Uom10.4集成运放及其分析方法三.集成运放电路分析的重要依据1.工作在线性区的特点（1）虚短由于,是一个有限值，所以即：两输入端电位相等，好像两个输入端之间用短路线短接一样，但电路实际上并没有真正的短路，这个特点我们称之为“虚短”。（2）虚断运放工作在线性区时，输出电压与输入电压的关系：因为理想集成运放的输入电阻流为0，即，所以两个输入端中的电两输入端不从外部电路分流，两个输入端和外部电路之间好像是断开一样，但电路实际上并没有真正的断开，这个特点我们称之为“虚断”。三.集成运放电路分析的重要依据2.工作在饱和区的特点（1）正负饱和（2）虚断因为理想集成运放的输入电阻流为0，即，所以两个输入端中的电集成运放的线性工作区的输入电压范围很窄，如果集成运放处于开环状态或者电路引入了正反馈，那么集成运放就很容易进入饱和状态，此时的输入电压范围可以近似认为是和0比较。即当时当时10.4集成运放及其分析方法一.比例运算电路1.反相比例运算电路10.5集成运放及其分析方法因为有负反馈，工作在线性区，用虚短和虚断反馈方式：电压并联负反馈虚地点平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):据虚断可得：据虚短可得：（虚地）据虚断可得：即：电压放大倍数为：负号表示输出与输入相位相反当时，，，称为反相器一.比例运算电路2.同相比例运算电路10.5集成运放及其分析方法因为有负反馈，工作在线性区，用虚短和虚断反馈方式：电压串联负反馈据虚断可得：据虚短可得：（虚地）据虚断可得：即：电压放大倍数为：当或时，，，称为电压跟随器10.5集成运放及其分析方法电压跟随器二.加法运算电路10.5集成运放及其分析方法据虚断可得：据虚短可得：（虚地）据虚断可得：即：特殊的，当时，特殊的，当时，反相加法器三.减法运算电路10.5集成运放及其分析方法据虚断可得：据虚短可得：据虚断可得：因为：当时，为了使集成运放的两个输入端平衡以减少共模输入，一般取四.积分运算电路10.5集成运放及其分析方法据虚断可得：据虚短可得：据虚断可得：设电容初始电压为零，则两边同时积分，并将常数项移出积分号，整理后可得：若输入是直流电压,输出将反相积分，但由于工作电源的限制，经过一定的时间后输出将会饱和。积分电路主要应用于波形变换电路中，譬如方波电压输入经过积分电路可以转换为三角波电压输出。五.微分运算电路10.5集成运放及其分析方法据虚断可得：据虚短可得：据虚断可得：设电容初始电压为零，则整理后可得：微分电路的抗干扰能力较差，输出信号的信噪比较低，实用的微分电路是在输入端串接一个小电阻，以抑制高频干扰。滤波电路10.6集成运放构成的信号处理电路滤波器是信号通信中的一个基本环节，本质上是一种选频电路，能顺利通过选定频率范围内的信号，同时“滤除”超出频率范围的信号。根据允许通过信号的频率范围，滤波器可以分为低通、高通、带通和带阻等四种基本类型。（a）低通滤波器

（b）高通滤波器（c）带通滤波器

（d）带阻滤波器10.6集成运放构成的信号处理电路一.低通滤波器据同相比例运算公式可得：其中则此时的放大倍数为：若令则其中称为截止角频率电路放大倍数的幅频特性为：为通频带电压放大倍数可以看出，当输入信号角频率<<时，输入信号无衰减通过>>时，输入信号被抑制低频通过，高频被抑制10.6集成运放构成的信号处理电路10.6集成运放构成的信号处理电路二.高通滤波器据同相比例运算公式可得：其中则此时的放大倍数为：若令则其中称为截止角频率电路放大倍数的幅频特性为：为通频带电压放大倍数可以看出，当输入信号角频率<<时，输入信号无衰减通过>>时，输入信号被抑制低频被抑制，高频通过10.6集成运放构成的信号处理电路10.6集成运放构成的信号处理电路三.带通和带阻滤波器若设定低通滤波器的截止角频率高于高通滤波器的截止角频率，并将低通滤波器和高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器。低