Ch6电工电子学

中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.31第6章集成运算放大器及其应用•集成运算放大器•放大电路中的负反馈•集成运算放大器的线性应用•集成运算放大器的非线性应用中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.321906年，美国物理学家德福列斯特研制成功世界上第一个三极电子管，实现了电子技术的第一次重大突破。1947年，美国人索克雷·巴丁和布拉塔一起发明了晶体管，实现了电子技术的第二次重大突破。1958年，成功开发出全球第一块集成电路，意味着晶体管时代的结束，集成电路时代的正式开始，给电子工业尤其是计算机业带来了巨大变革，它使个人计算机的发明成为可能。这是人类在20世纪电子技术领域的第三次重大突破。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.33集成电路:是继晶体管后的第三代具有电路功能的电子器件，集成电路是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合返回目录封装：金属壳封装：管脚数有8、10、12等；双列直插式塑料封装：脚数有8、10、12、14、16等。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.34集成电路中元器件的特点1.单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致2.元器件相互离得很近,温度特性较一致3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造返回目录中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.35根据功能与工作机理不同可分为：数字逻辑集成电路模拟集成电路在模拟集成电路中，运算放大器（早期用于模拟计算机的数学运算）发展最早，应用最广泛。随着集成技术与集成工艺的迅速发展，其他类型的模拟集成电路也取得了非常大的进展，如混频器、调制器、宽带放大器、高频放大器、功率放大器、电压比较器、A/D或D/A转换器等。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.36学习要点集成运算放大器在线性和非线性应用时的基本概念和分析依据集成运算放大器应用电路的分析方法负反馈的概念、反馈极性及类型的判别，负反馈对放大电路性能的影响。集成运算放大器在线性和非线性应用方面常用电路的组成、工作原理和电路功能中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter1719.8.36.1集成运算放大器运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器。它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。•运算放大器的组成•运算放大器的符号、主要参数及分类•理想运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.38一、集成运算放大器组成中间级输入级偏置电路输出级ui+ui集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路。采用具有两个输入端子的差动放大电路提供增益，通常是共射组态的放大电路由有较强带负载能力的互补推挽电路组成多数由恒流源电路组成6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.391.多级放大器的级联（级间耦合）为了获得足够大的增益或考虑到对输入电阻和输出电阻的特殊要求，放大电路往往由多级（3到4级）构成。放大器的级联指多级放大器级与级之间的联接方式（耦合方式）。常用耦合方式：阻容耦合变压器耦合直接耦合光电耦合中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3101）阻容耦合优点：（1）各级的静态工作点Q相互独立。（2）只要耦合电容足够大，电路交流信号损失小，增益高。缺点：（1）耦合电容隔直，不能放大直流信号，且当信号频率较低时，增益下降。（2）耦合电容容量大，不易集成。6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3112）变压器耦合优点：（1）各级的静态工作点相互独立。（2）可进行阻抗变换，使后级或负载得到最大功率。缺点：（1）体积大，无法采用集成工艺。（2）对于高频和低频信号，放大效果不理想。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3123）直接耦合优点：（1）易于集成。（2）既能放大交流信号，也能放大直流和变化缓慢的信号。缺点：（1）各级静态工作点相互关联、影响，必须合理解决级间电平配置问题。（2）易产生零点漂移。6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3132.零点漂移A放大电路+−uo=0uo将离开零点，缓慢地发生不规则的变化——零点漂移1）产生零点漂移的主要原因：放大电路中器件参数随温度变化而变化，导致静态工作点不稳定，静态的缓慢变化经电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。故又称温度漂移。放大电路中第一级对整个放大电路的零漂影响最大，且级数越多，零漂越严重。所谓零点，是指放大器的输入信号为零时的输出电压。直接耦合电路最突出的问题。中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3142）零点漂移的危害漂移电压和有效信号电压无法分辨，严重时，漂移电压甚至把有效信号电压淹没，使放大电路无法正常工作。3）解决方法输入级一般采用高性能的差动放大电路，来克服温度带来的零点漂移问题。6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.315差动放大电路是由两个结构对称、参数完全相同的共射放大电路组成。输入信号分别由2个BJT的基极输入；3.典型差放电路组成输出取自2个管子的集电极之间。（1）电路特点中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.316（2）抑制零点漂移的原理静态时：02i1iuu由于电路两边是完全对称的，因此有：C2C1CIIIC2C1CVVVCCCIRVC输出电压：02C1COVVU当温度发生变化时，将引起两管集电极电流和集电极电位发生相同的变化，即2C1CII2C1CVV输出电压的漂移02C1COVVU抑制了零点漂移6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.317①共模输入信号指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号，即2i1iuu定义：共模信号2i2i1icuuu2i1iuu当输入端加共模信号时0uoc共模电压放大倍数0uuAicocc理想差放对共模信号没有放大能力(完全被抑制)。电源电压的波动以及由电源引起的工频干扰都可看成是共模信号，根据共模信号都是没有用的信号，应该抑制。（3)信号输入方式：差模信号与共模信号的概念中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.318②差模输入信号指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。即2i1iuu差模输入信号一般是有用的待放大信号。由于电路结构对称，放大倍数相等，即u2u1uAAA当输入端加差模信号时：i1ui1u1o1uAuAui2uo2uAuo2o1oduuu)(i2i1uuuAi1u2uA差模信号i2i1iduuu差模电压放大倍数idodduuAi2i1i1u2uuuAui1i1u22AuuA6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.319③一般信号ocodicucidudouuuAuAuidic1i21uuuidic2i21uuui2i1iduuu）（i2i1ic21uuu电路的输入信号一般是差模和共模信号共存的。可分解为差模分量信号与共模分量信号：根据线性电路叠加定理，可得一般输入信号时差放输出电压的表达式中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.320（5）结论差动放大电路能放大差模信号，抑制共模信号；Ad是有用信号的放大倍数，越大越好；Ac表明了零漂的程度，越小越好。因此，KCMR越大，说明电路对有用的差模信号的放大能力越强，而对有害的共模信号的抑制能力越强，表明电路的性能越好。（4）共模抑制比KCMR定义为差模放大倍数Ad与共模放大倍数Ac的比值，即cdCMRAAK或dBAAKlg20cdCMR6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.321二、集成运算放大器的符号、主要参数及分类uou–u++–+Auo1.运算放大器的符号信号传输方向实际运放开环电压放大倍数输出端同相输入端反相输入端中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3222.运算放大器的主要参数uou–u++–+Auo1）开环差模电压放大倍数AuouuuAouo无外加反馈时的差模电压放大倍数。Auo越大，电路越稳定，运算精度也越高。一般为104～107。2）共模开环电压放大倍数Aco反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Aco应接近于零。3）共模抑制比KCMR。综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB。6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3234）差模输入电阻rid差模信号作用下集成运放的输入电阻。uou–u++–+Auo5）输入失调电压Uio为使输出电压为零，在输入级所加的补偿电压值。显然越小越好，一般为毫伏级。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。2）低功耗型静态功耗≤2mW，如XF253等。3）高精度型4）高阻型输入电阻可达1012Ω，如F55系列等。还有宽带型、高压型等等。3.运算放大器的分类中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.324三、集成运放的电压传输特性、理想模型和分析依据1.电压传输特性实际运放电压传输特性uouuOUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区)(uoouuAu若Auo=106±UO(sat)=±15V则±UIM=±0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈uou–u++–+Auo6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3252.理想运放模型1）开环电压放大倍数2）开环输入电阻3）开环输出电阻4）共模抑制比ouAidr0orCMRK在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：uou–u++–+中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电子学chapter619.8.3263.分析运放电路的依据)(oouuAuu0)(oouAuuu1）运放工作在线性区的依据相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故称“虚短”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断”。（2）i+＝i–0（1）u+u–且uo为有限值，uoAidr∴u+u–∴i+＝i–0uou–u++–+i–i+6.1集成运算放大器中国石油大学电工电子教学中心下一页返回上一页目录电工电