第四章集成运放.

集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；一、集成电路的简述1.集成运放的电路结构特点（1）采用直接耦合方式；几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成；大电容要外接。（5）采用差放电路作输入级；（6）允许采用复杂的电路形式；（4）常用有源器件代替无源元件；高阻值电阻用三极管代替或外接。（3）晶体管和场效应管常采用复合结构。（2）二极管一般用三极管的发射结构成。2.集成运放的组成及各部分作用（1）输入级：高性能差放电路；输入电阻大、共模抑制比大、静态电流小。（2）中间级：复合管共射电压放大电路；提供电压放大。（3）输出级：互补对称输出电路。带载能力强、失真小。（4）偏置电路：电流源电路；提供合适的静态工作点。§4.2差分放大电路一、零漂现象RB+UCCRCTu0vi输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生,即uO≠0。uo0t二、原因电源电压波动、元件老化等也会产生输出电压的漂移。主要原因是温度变化引起，也称温漂。（2）采用温度补偿。（3）输入级采用差分式放大电路。（1）在电路中引入直流负反馈。三、改善方法四、典型差分放大电路ui1+UCCRC1T1RC2T2ui2RE–UEE+-+-vE+-uOC1C21、结构由两个结构对称、特性及参数相同的单级放大电路组成。长尾电阻，直流负反馈，稳定Q点。用恒流源代替RE，可使电路进一步改善双端输入双端输出2、分析计算（1）静态工作点的计算（2）动态分析任一个输入端都包含有用信号和干扰信号。ui1ui2有用信号——差模信号(differentialmode)：大小相等，极性相反+2mV-2mV干扰信号——共模信号(commonmode)：大小相等，极性相同+8mV+8mV+10mV+6mV一对任何输入信号可分解为差模输入和共模输入的线性组合:12idiiuuu差模信号(differentialmode)有用信号共模信号(commonmode)干扰信号121()2iciiuuu差模和共模信号同时存在时,oudiducicuAuAu①只有差模信号输入：其中：ui1=-ui2ui1RC1T1RC2T2ui2+-+-vE+-uOC1C2∴计算单边增益即可。uid=ui1-ui2OC1C1udu1u2idi1i1u2uuA==AAu2uuRE相当于接地了。uC1EC1RCibui1rbeib+-+-Cudu1be-βRA=A=r若输出端接了负载，则又应如何计算？思考：-uO+ui1RC1T1RC2T2ui2+-+-vEC1C2RL分析：RL中点电位为0。即相当于每边接了。12LRC1-uO+ui1RC1RC2ui2+-+-vEC212LR12LRLCudu1beR-β(R//)2A=A=r---uC1EC1RCibui1rbeib+-+ui2EC2ibuC2rbeib++RCri1rid=2ri1=2rberO=2rO1=2RCrO1②只有共模信号输入：其中：ui1=ui2uiC=½(ui1+ui2)o12ucici1uA==0uuCCuu差分放大电路很好的抑制了温漂信号。这种抑制主要是通过电路参数的对称性实现的。ui1RC1T1RC2T2ui2+-+-vE+-uOC1C2RE1122eeEeEEEuiRiRRRui1RC1T1RC2T2ui2+-+-ue+-uOC1C22RE2REui1RC1T1RC2T2ui2+-+-ue+-uOC1C2REie1RC2REui1ibib1rbeuC1+-+-ric=1/2[rbe+(1+β)2RE]rO=2rO1=2RCui1+UCCRC1T1RC2T2ui2RE–UEE+-+-vEuOC1C2双端输入单端输出1、差模输入：OC1udu1idi1uu1A==Au2u212CbeRr若输出端接了负载，则ud(//)1A2CLbeRRrrid=2ri1=2rberO=rO1=RC思考：若uO从C2点取出呢？ui1+UCCRC1T1RC2T2ui2RE–UEE+-+-vEuOC1C2双端输入单端输出2、共模输入：OC1uCu1iCi1uuA===Auu(//)(1)2CLbeERRrR当RE越大，共模增益越小，抑制共模信号（零点漂移）的能力越强。常用恒流源代替RE。RC2REui1ibib1rbeuC1+-+-ric=1/2ri1=1/2[rbe+(1+β)2RE]rO=rO1=RCRC2REui1ibib1rbeuC1+-+-(5)共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。beEELbeLCMR2/'2/'rRRRrRKucudCMRAAKdBlg20ucudCMRAAK，或双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：差模输入共模输入电压增益双出：beLcdu)2//(rRRA单出：beLcud2//rRRA0ucAuC(//)A(1)2CLbeERRrR输入电阻beid2rr1[(1)2]2icbeErrR输出电阻ro=2RC双出：单出：ro=RC共模抑制比双出：单出：KCMR=∞beECMRrRKRE接地2RE4.4集成电路运算放大器（简称：运放）--------对直流信号、交流信号放大金属封装器件以管键为辨认标志，由器件顶上向下看，管键朝向自己，管键右方第一根引线为引脚1。双列直插式以缺口为辨认标记，由器件顶上向下看，标记朝向自己，标记右方第一根引线为引脚1，然后逆时针围绕器件，依次数出其余引脚数。集成运放常见的封装方式是金属封装和双列直插式塑料封装，如上图所示，金属壳封装有8、10、12管脚等种类，双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类。一、集成运算放大器的基本结构及符号差分放大电路（输入级）-ui+电压放大电路（中间级）互补功率放大器（输出级）uo直流偏置电流源１、基本结构2、符号u+uo+-+∞u--+u+u-uo国际标准符号国内标准符号同相输入端反相输入端二、集成运算放大器的技术指标(1)开环差模电压放大倍数(开环增益)大Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=105-107倍;(2)共模抑制比高KCMR=100db以上;(3)输入电阻大ri1M,有的可达100M以上;(4)输出电阻小ro=几~几十三、集成运放的类型1、通用型:性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广,允许有较大的输入电压等,如CF741等。还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。2、低功耗型:静态功耗≤2mW，如XF253等。3、高精度型:失调电压温度系数在1μV／℃左右,能保证组成的电路对微弱信号检测的准确性,如CF75、CF7650等。4、高阻型：输入电阻可达1012Ω,如F55系列等。四、理想运算放大器1、理想集成运放的主要参数（1）开环差模电压放大倍数：Au→∞；(2)输入电阻：ri→∞；(3)输出电阻：ro→0；(4)带宽：BW→∞(6)转换速率：SR→∞。（SR越大，对信号的细节成分还原能力越强）。(5)共模抑制比：KCMR→∞；u+uo+-+∞u-当ui不等于零时，即当反相输入端的电压和同相输入端的电压不等时,形成输出电压uo；i+-uuu当时，输出电压uo被限制在正、负饱和极限值上，不再随ui变化而变化，进入饱和区。uiuoAu越大，运放的线性范围越小，对于理想运放而言，当反相输入端和同相输入端不等时，输出电压是一个恒定的值，失去放大作用。必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。例：若UOM=12V，Ao=106，则|ui|=12V时，运放处于线性区。线性放大区2、运放的电压传输特性曲线:uo=f(ui)=f(u+-u-)的曲线。+UOM-UOMu+-u-u+uo+-+∞u-ui3、理想运放的特点uAir………虚短oiuuuuuA………..虚断0uu即：0iiiuiri+i-u+uo+-+∞u-ui0ii即：（1）反相输入五、运放的线性应用1、比例运算0uu0,ifiiiR2=R1//Rf当两个输入端分别对地的电阻相等时，才能保证输入级的对称，减小温漂。平衡电阻:1iiuiR1offfiuiRRuR_++RfR1R2uiuoiiifi-i+1iiuuiRifii1_11()(1)(1)offffiuiRRRRuuRR（2）同相输入思考：若有对地电阻R3,会有什么变化？R3323iRuuRR3123(1)foiRRRuuRRu+u-iiuiR2R1Rfifuo+-∞+同相输入的比例运算电路的特例----电压跟随器11fouiRuAuRR1=Rf=0由同相输入的比例运算电路电压放大倍数，可知：当R1=、Rf=0时，Au=1,从而可构成电压跟随器。同相输入的比例运算电路电压跟随器oiuuuu特点：ifu+u-i+i-iiuiR2R1Rfuo_+∞+u+u-uiR2uo_+∞+此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。2、加法运算若R1=R2=Rf,则取R3=R1//R2//RF0uui1+i2=ifui1R1=ui2R2+-uoRfuo_++RfR1R2ui2R3ui1i1i2if1212()iiofuuuRRR12()oiiuuu也有同相加法电路，但共模增益大，故应用较少。3、减法运算（1）由加法电路和反比电路构成+Rf2R2R3R5ui2uo+-∞+Rf1R1R4ui1uo1+-∞12232()oiofuuuRRR1111foiRuuR1122132()fiiofRuuuRRRR(2)由差分电路构成_++∞RfR1R2ui2uoR3ui1由叠加原理可得：fo1i11Ru=-uR当ui1单独作用时，是反比电路：当ui2单独作用时，是同比电路：222133(1)foiRuRuRRRoo1o2u=u+u4、微分运算：RiufodtduCiiCfCiidtduRCuioui－++uoRR1iCifC)90sin(tRCtRCuocostui0tuo0tsinui例：,求uo。dtduRCuio90°uuo1－CRAi+R+∞iiC则输出会出现尖脉冲，所以这个电路应用较少。若输入是阶跃信号，uituot为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。限制输入电流限制输出电压幅值滞后补偿iR_++RfR1R2uiuoifiCCPD调节器：比例-微分运算电路dtduCRuRRuifif1o上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分。控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。5、积分运算Ruiiif1dtduCdtduCioCfdtuRCuio1i1ifui-++RR1Cuouc+-oCuu反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间设Uom=15V,ui=+3V,R=10k,C=1FtuRCud1iotuRCi1求积到饱和值的时间：MiOM1TuRCUs05.0iOMMuRCUT应用举例：输入方波，输出是tui0tuo0三角波。++uo电路中没有引入负反馈或引入的是正反馈，理想运放工作于非线性区。因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：uuUuuUuoOLOH六、运放的非线性应用•电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与