第5章集成运算放大器概要

1.集成电路第五章集成运算放大器及其应用1集成运放概述集成运算放大器简介2集成电路的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.二极管多用三极管的发射结代替；3.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；4.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的多级直接耦合放大器。第五章集成运算放大器及其应用1.集成运放的输入级---差分放大电路1集成运放的内部电路结构框图输入级偏置电路输出级中间级输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器中间级—电压放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成2.直流放大器的零点漂移tu0当放大器的输入电压ui=0时，其输出电压uO往往会随着时间变化，而不是保持常数，称这种现象为放大器的零点漂移。差分放大器能够很好地抑制零点漂移。o2差分放大器1.基本差分放大器的分析RCui1uo2RPREEET1T2ui2RCRBRBuo1uo+VCC(2)三个元件的作用(3)抑制零漂的原理长尾电路RP：调零电位器RE：共模负反馈电阻EE：负电源，提供静态偏置和电阻RE上的直流压降(1)电路结构特点：结构、特性、参数对称T↑→uo=VC1–VC2=0IB1↑→IC1↑→VC1↓IB2↑→IC2↑→VC2↓设零漂为温漂RCui1uo2RET1T2ui2RCRBRBuo1uo+VCCui1=–ui2=udRP–VEE2.基本差分的动态分析(1)输入信号之间的关系a.差模信号大小相等，方向相反ui1=ui2=ucb.共模信号大小相等，方向相同c.任意信号大小、方向任意任意信号可以分解为一对差模信号和一对共模信号ud=—(ui1–ui2)12uc=—(ui1+ui2)12(2)电路差模输入的动态分析RCuo+VCCT1RRT2RBRBRC–VEERPREuiui1ui2uo2uo1∵对称uo1=–uo2ui1=–ui2=—ui12uo=uo1–uo2=2uo1Ad=—=——=Ad1uoui2uo12ui1=–———————RB+rbe+(1+)RP/2RL'–———RB+rbeRL'RL=RC//—'RL2差模电压放大倍数差模输入电阻ri=2[RB+rbe+(1+)RP/2]输出电阻ro=2RC2[RB+rbe]RLie1ie2（2）单端输入单端输出方式3.差分放大器的四种输入输出方式（1）双端输入双端输出方式双端输入双端输出单端输入单端输出RC+VCCT1T2RBRBRCREuiui1ui2uo2uo1EERP由于RE的耦合作用，可以将单端输入的信号转变成双端输入的信号。ud1–ud2—ui12RE越大，越接近差模输入方式a.双端输入信号uc1uc2—ui12b.电路差模输入的动态分析RL=RC//RL'差模电压放大倍数差模输入电阻ri=2[RB+rbe+(1+)RP/2]输出电阻ro=RC2[RB+rbe]RC+VCCT1T2RBRBRCREuiui1ui2uo2uo1EERPud1–ud2—ui12Ad=—–=——=—Ad1uo1uiuo12ui112+————2[RB+rbe]RL'RL=————————2[RB+rbe+(1+)RP/2]RL'+c.电路共模输入的动态分析AC=—–uocucRB+rbe+(1+)2RE=–———————RC共模电压放大倍数共模抑制比（当输出端开路时）RC+VCCT1T2RBRBRCREuiui1ui2uo2uo1EERP–———––—–RC(1+)2RERC2REKCMRR=—–ACAdKCMR=20log|—–|(dB)ACAd（3）单端输入双端输出方式（4）双端输入单端输出方式根据需要选择输入输出方式uiuou+u–8.2集成运放的性能指标和理想运算放大器输出端反相输入端同相输入端A信号传输方向1.电路符号理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数ui=u––u+或ui=u+–u–u–uO2.集成运放的引脚–+u+6710119231358+15V–15VRPRCFC3C1反相输入端同相输入端调零电位器校正网络正电源负电源输出端uO6u–u+–+7823145+15V–15VRPA7413.集成运放的分类及发展1.开环电压放大倍数Auo；(Auo105)2.开环差模输入电阻rid；(rid105)3.开环输出电阻ro；(ro102)4.最大输出电压UOM；(UOM=VCC–(1~2)V)5.共模抑制比KCMRR；(KCMRR105)6.通频带BW1.通用型运放—从1969年以来，共发展了四代。2.专用型运放—分为低功耗、高输入阻抗、高精度等类型。4.集成运放的主要性能指标1集成运放的理想化模型5.理想运算放大器1.开环电压放大倍数Auo→2.开环差模输入电阻rid→3.开环输出电阻ro→04.共模抑制比KCMRR→5.通频带BW→运放的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际运放等效为理想运放的条件。等效为理想运放，将使分析和计算大大简化。将实际运放1.运算放大器的电压传输特性UOMUOM–UOM–UOMUim–Uim实际运放理想运放uo=f(ui),其中ui=u+–u–2理想运放的电压传输特性及其分析依据uoui0uiuo++–uiuo0+iiui对于理想运放rid相当于两输入端之间短路uiii=–—rid对于理想运放u–u+相当于两输入端之间断路uo有ii0Auoui0rid“虚短路”原则(2)“虚断路”原则(1)2.理想运放线性工作的分析依据–+uiuo–++ui=u––u+=—–Auouo当反相输入端接地时,因为存在负反馈信号,同相输入端不是“虚地”！(3)“虚地”的概念由“虚断路”原则ii=0,有u+=0u_u+=0结论：反相输入端为“虚地”。当同相输入端接地时，由“虚短路”原则注意R1RFR2R1RFR2uouiuoui“虚断路”原则uiiirid=对于理想运放相当于两输入端之间断路3.理想运放非线性工作的分析依据运放工作在线性工作状态的必要条件：运放必须加上深度负反馈。+iiuiriduo+注意:“虚短路”原则不成立！有ii0riduoi1ifidRFR1R28.4集成运放在信号运算方面的应用1.反相比例运算电路由虚断路id0由虚地uii1=—–R1uoif=––—RFi1if加上深度负反馈uo=uiRFR1故有：uiR150kuouiRF=100kR2A3-17运算电路如右图所示。1.求：(1)uo与ui的关系式；(2)平衡电阻R2的阻值。2.在图示电路中，要使运算关系为uo=10ui，而保持R1的阻值不变。求：电阻RF和R2的阻值。解：(1)uo=2ui(2)R2=33.3k解：RF=500k，R2=45.45kuoi1ifRFR1R2虚地：ui1=—iR1例:反相比例运算电路R3R4设:RFR4,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入if=i1由RFR4,有：Auf==–R1RF(1+)R4R3uiuouo'uo=R4R3R4+uo得'uoif=–RF'uiRFRRuo=1+u+RFR1uf=1+uiRFR1同相比例运算电路虚断路id0虚短路u+=uiuf=——–uoR1R1+RF故有：u–u+uiuouoR1uiRF=100kR2A2.在图示电路中，欲使运算关系为uo=4ui，同时保持RF的阻值不变。求：电阻R1和R2的阻值。3-18运算电路如右图所示，R1=20k。1.求：(1)uo与ui的关系式；(2)平衡电阻R2的阻值。解：(1)uo=6ui(2)R2=16.7k解：R1=33.3k，R2=25kuiuo同相跟随器uo=uiRFR若接入电阻R、RF，运算关系不变差动比例运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析ui1i2uuo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-ui1RFR1''uO=-ui1RFR1'uO=1+u+RFR1=1+ui2RFR1R2+R3R3ui2ui1uo1).反相加法运算电路ui1ui3ui2u=–(++)ui2oui1ui3RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifRP2.加法运算电路RFR1R2R3ui1ui2ui32).同相加法运算电路RFR1uO=1+R++R21R23ui3ui1R22ui2其中R=R21R22R23Ruo代入u+=u–u-=uf=——–uoR1R1+RFu+=———————R21R23ui3ui1R22ui2++R21R23R22+++1111R可得由弥尔曼定理RFRR1R21R22R23uoRFR1R2R3uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-ui1RFR13.减法运算电路----ui1ui2差动比例运算是减法运算电路的一种形式ui4.积分运算电路CFuo由虚断和虚地uiiC=i1=–—R1i1iCuCduCdtiC=CF–—–uo=–uC可得R1R2uo=–——–R1CFuidt∫1R1uiCFuououi若输入为方波则输出波形为R2i1iCuCuo=–——–R1CFuidt∫1uo5.微分运算电路C1duidtuo=–RFC1–—uoui由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。输出与输入的关系式为若输入为方波则输出波形为uiRFR5.2.3集成功率放大器1．低频功率放大器的基本要求（1）具有足够大的输出功率。（2）效率要高。（3）非线性失真要小。（4）散热性能好。2．低频功率放大器的分类（1）以晶体管的静态工作点位置分类图5-21功率放大器的3种工作状态（2）以功率放大器输出端特点分类①有输出变压器功放电路。②无输出变压器功放电路（又称OTL功放电路）。③无输出电容器功放电路（又称OCL功放电路）。④桥接无输出变压器功放电路（又称BTL功放电路）。（3）功率管的安全使用知识①避免发生集电结的击穿。②避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。③功率管在工作时不能进入二次击穿区。8．集成功率放大电路及应用图5-28TDA2030的外引线排列图5-29TDA2030接成OCL功放电路5.3任务实施过程5.3.1任务分析图5-30汽车倒车警示电路框图5.3.2任务设计图5-31汽车倒车警示器电路5.3.3任务实现1．电源电路2．语音产生电路3．功率放大电路4．元件的选择5.4知识链接5.4.1LM386集成功率放大器的应用电路1．引脚及参数图5-33LM386内部电路2．内部电路图5-33LM386内部电路3．用LM386组成OTL应用电路图5-34用LM386组成OTL电路4．用LM386组成BTL电路图5-35用LM386组成BTL电路5.4.2功率放大器的散热问题1．功率器件热性能的主要参数2．功率器件热设计3．散热器的选取图5-36散热器的几种形状5.4.3集成运放在使用时应考虑的一些问题1．输入信号的选用2．调零3．消振图5-37调零电路8.3反馈的基本概念8.3.1反馈的概念正反馈xd=xi+xf负反馈xd=xi–xfAFxoxixdxfxi—总输入信号xd—净输入信号xf—反馈信号xo—输出信号反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。——————–A1+AFxo/xdxdxfxdxdA=xo/xdF=xf/xoAFxoxixdxf闭环放大倍数:开环放大倍数:反馈系数:xoxiAf———–xoxd+xf1+AF—反馈深度当1+AF1时，Af—–—AFAF1AF—环路增益（即深度负反馈）第3章3.5AFiouoRLAF在放大器输入端,信号以电流出现,if与id相并联,为并联反馈；id=ii–ifii，为负反馈。净输入电流在放大器输出端，F与A相串联,xf与io成正比，为电流反馈；信号x均以电流i的形式出现4.电流并联负反馈xoxixdx