集成运算放大器

数字电路综合设计1模拟电子部分2数字逻辑部分课程的基本描述课程名称：数字电路综合设计Comprehensivedesignofdigitalcircuit课程编号：040115HI06课程性质：学科、专业基础适用专业：计算机科学与技术参考教材：理论叶挺秀.电工电子学.第四版.北京：高等教育出版社，2014年毛法尧.数字逻辑（第二版）北京：高等教育出版社，2008年实验总学时：24学时理论学时：12学时实验学时：无上机学时：无翻转、案例实践、创新实践：12学时学分：2学分开课学期：第三学期前导课程：数字电路及逻辑后续课程：计算机组成原理、数据结构、微机接口技术、数字系统设计第5章集成运算放大器5.1集成运放的基本组成5.2集成运放的基本特性5.3放大电路中的负反馈5.4集成运放在模拟信号运算方面的应用5.5集成运放在幅值比较方面的应用5.6应用举例5.7常见集成运放芯片简介5.1集成运放的基本组成•5.1.1概述•运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，广泛应用于模拟信号的运算、放大、滤波等功能。•集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。•集成运算放大器简称为集成运放，习称运放。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能。可以说，集成运放已经成为模拟电子技术领域中的核心通用器件之一。集成运放基本组成框图•5.1.2集成运放的输入级电路-基本差动放大电路•1由两个对称的单管共射放大电路组成的Vl和V2是两只特性相同的三极管、RB1=RB2，RCl=RC22对零点漂移的抑制作用电路完全对称，由此，当uI=0时，uOl=uO2，uO=uOl-uO2=0。如果由于某种原因，使两管集电极电流发生变化，那么，它们各自的变化量大小相等，方向相同。即ΔuOl=ΔuO2，则输出变化量ΔuO=ΔuOl—ΔuO2=0，说明抑制了零点漂移。3差模放大倍数•差模信号：幅度相等极性相反的信号•差模输入方式：若令单管电路的电压放大倍数均为A1，则有：）（＝）（＝i1o2i1o1U21AUU21AU差动放大电路的输出uO为：ioooAUUUU21差模放大倍数（Ad）为：Ad=A1差动放大电路的差模电压放大倍数与构成它的单管电路的电压放大倍数相同。可以认为差动式电路的特点之一是多用一只放大管来换取对零点漂移的抑制。射极耦合差动放大电路4．电路分析•（1）静态分析假定电路完全对称，uI=0时，则基极电流IBl=IB2=IB，集电极电流ICl=IC2=IC。于是在Vl和V2的基极回路中有如下关系：IBRB+uBE+IERE=EE。近似条件下：EEECREII22集电极静态电流IC为：基极静态电流IB为：EECBREII2每管的集-射电压为：静态时基极电位UB为：uCE＝VCC－ICRC≈VCC－EECRER2BBBRIU（2）动态分析•按图5.3所示计算其交流参数差模电压放大倍数为：bebCdrRRAAA21输入电阻ri为：ri=2（Rb+rbe）差模输出电阻ro为：ro=2RC4差动放大电路的连接方式•可以组合成四种不同的连接方式，即：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。详见表5.1bebCdrRRA）∥（/2RL)(2bebirRrCoRr2bebCdrRRA）∥（LR21)(2bebirRrCoRrbebCdrRRA）∥（/2RL)(2bebirRrCoRr2bebCdrRRA）∥（LR21)(2bebirRrCoRr接法电路原理图差分放大倍数输入输出电阻共模抑制比特点双端输入双端输出很高①放大倍数与单管相同②电路对称时共模抑制比→∞③适用于输入输出对称电路双端输入单端输出较高①放大倍数为单管的一半②共模抑制比仍然很高③适用于将差动信号转换为单管信号的情况单端输入双端输出很高①放大倍数与单管相同②电路对称时共模抑制比→∞③适用于将单端输入转为双端输出电路单端输入单端输出较高①放大倍数为单管的一半②共模抑制比仍然很高③适用于输入输出都要接地的情况。5.1.3集成运放的输出级电路-互补对称电路工作原理：ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正；ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR输入输出波形图uiuououo´交越失真死区电压＋－uuＴ１Ｔ２VCCVCCoiLR2.克服交越失真的互补对电路静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。电路中增加D1、D2工作原理：uu－＋２ＴRoLi2R1DD2VCC１1ＴRVCC5.1.4集成运放的图形符号集成运放的特点：•电压增益高•输入电阻大•输出电阻小反相输入端同相输入端输出端国内符号：国际符号：1.输入失调电压UIO输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。5.2.1集成运放的主要参数5.2集成运放的基本特性2.输入失调电流IIO在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流IIB：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。2B1BIB21III4.开环差模电压放大倍数Aod：无反馈时的差模电压增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。UUUAood5.最大差模输入电压Uidmax运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。6.最大共模输入电压Vicmax在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。7.共模抑制比KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。8.最大输出电压Vomax在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。如电源电压为±15V时，Vomax约为±13V。9.最大输出电流Iomax在额定电源电压下达到最大输出电压时所能输出的最大电流。通用一般几到几十毫安。10.输入电阻ri和输出电阻ro集成运放输如电阻ri为双极型管输入级约为105～1011欧，场效应管输入级可达1011欧以上。集成运放输出电阻ro，是从输出端看进去的等效电阻，一般为几十至几百欧。5.2.2集成运放的电压传输特性所谓电压传输特性是指放大电路的输出电压与输入电压之间的函数关系。即：uo=Aoui=Ao(u+－u-)当ui=u+-u-较小，即在-uik到+uik之间变化时，输出与输入之间呈线性关系，-uik到+uik称为线性区。•①开环电压增益Aod≈∞。•②差模输入电阻rid≈∞。•③输出电阻rod≈0。•④共模抑制比KCMR≈∞，5.2.3集成运放的理想特性•传输特性：称为理想运放输入端的“虚短”。如果同相输入端接地时，反相输入端称为虚地Ｉ+=Ｉ-≈0称为虚断。同样，“虚断”与“断路”不同，“虚断”是指某一支路的电流十分微小0AUUUUOdOi＝－＝－＋（1）运放工作在线性工作区时的特点集成运放工作时的特点理想运放的差模输入电压等于零：由于uo为有限值，理想运放Aod=∞，则输入电为无穷小ui→0。即理想运放的输入电流等于零：由于rid=∞，两个输入端均没有电流，即•（2）运放工作在非线性工作区时的特点非线性工作区是指其输出电压uo与输入电压uI不成比例时的输入电压取值范围。在非线性工作区，运放的输入信号超出了线性放大的范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和，输出电压为正向饱和压降UOH(正向最大输出电压)或负向饱和压降UOL(负向最大输出电压)。集成运放工作在非线性区时的条件：集成运放一般是开环运用或加正反馈。输出电压有两种形态：（1）当时，（2）当时，。5.3放大器中的负反馈5.3.1反馈的基本概念在电子设备中经常采用反馈的方法来改善电路的性能，以达到预定的指标。将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量（电压或电流）的连接方式。主要功能分两部分：基本放大电路—放大信号反馈网络—传输反馈信号基本放大电路的输入信号为净输入量，由输入信号（输入量）和反馈信号（反馈量）共同决定。反馈信号中只含有交流分量的称为交流反馈。或者说存在于交流通路中的反馈网络引入交流反馈。交流反馈影响电路的交流性能。本章主要是研究交流负反馈。1.直流反馈与交流反馈在放大电路中既含有直流分量，又含有交流分量，因而，必然有直流反馈与交流反馈之分。反馈信号中只含有直流分量的称为直流反馈。或者说存在于放大电路的直流通路中的反馈网络引入直流反馈。直流反馈影响电路的直流性能，如静态工作点。另一种是使净输入信号Xid比没有引入反馈时增加了，有Xid=Xi+Xf，称这种反馈为正反馈。2.负反馈与正反馈反馈信号Xf送回到输入回路与原输入信号Xi共同作用后，对净输入信号Xid的影响有两种结果：一种是使净输入信号Xid比没有引入反馈时减小了，有Xid=Xi-Xf，称这种反馈为负反馈；放大电路中一般引入负反馈。3.电压反馈与电流反馈在反馈放大电路中，反馈网络把输出电量（输出电压或输出电流）的一部分或全部取出来送回到输入回路，因此，在放大电路输出端的取样方式有两种：一种是电压取样，这时反馈信号是输出电压的一部分或全部，即反馈信号与输出电压成正比（xf=Fuo），称为电压反馈。另一种是电流取样，这时反馈信号是输出电流的一部分或全部，即反馈信号与输出电流成正比（xf=Fio），称为电流反馈。4.串联反馈与并联反馈根据反馈信号XF与输入信号XI在放大电路输入端的求和方式可分为串联反馈和并联反馈。串联反馈：并联反馈：以电压方式求和的称为串联反馈。以电流方式求和的称为并联反馈。5.3.2反馈的判断•主要看反馈通路是否真正从输出端引回到输入端并对净输入产生影响。+—(a)uiuo+—(c)uiuoui+—(b)uo1、如何判断反馈存在无反馈有反馈无反馈本级反馈：存在于本级基本放大电路中的反馈。级间反馈：存在于后级与前级放大电路间的反馈。2.是正反馈还是负反馈的判断瞬时极性法•规定输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据，逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号增强，则说明引入正反馈；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号削弱，则说明引入了负反馈。-+uiuoR1RFA＋－uDuPuN＋＋－uF+-uiuoR1RFA＋－uDuPuN－＋－uF运放的同相端与反相端与输出端信号之间的相位关系：同相端的输入信号与输出端信号之间同相反相端的输入信号与输出端信号之间反相负反馈正反馈)uu(uFiD)uu()u(uuFiFiD正反馈系统是不稳定系统，不能用作线性放大，一般用于振荡电路。对分离元件的分析中三极管的集电极与基极电压相位相反。反馈分析的是交流信号变化，不要与直流信号混淆。分析中用到的电压、电流要在电路中标出。并且注意符号的使用规则。如果反馈对交直流均起作用，可以用全量。当为交流反馈时，瞬时极性法所判断的是相位的关系。电路中两个信号的相位不是同相就是反相。3.直流反馈、交流反馈的判断•看反馈通路传送的是交流信号还是直流信号，或者两者都有。-+uiuoR1RFA-+uiuoR1RFA存在于直流通路中的反馈为直流反馈。存在于交流通路中的反馈为交流反馈。直流通路、交流通路中均存在的反馈为交直流反馈。-+uiuoR1AC4.电压反馈、电流反馈的判断从输出端看，假设负载短路（RL=0），使输出电压uo=0，看反馈信号是否还存在：输出短路