模拟电子线路(陆秀令 韩清涛) (2)

教学提示：集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种电路，按其功能可分为数字集成电路和模拟集成电路，本章主要阐述模拟集成运算放大器的基本原理，其典型电路包括比例运算电路、加法运算电路、减法运算电路、积分运算电路、微分运算电路等等。同时本章结合实际，列举一些典型题例，说明集成运算放大器在实际生产中的应用。第3章集成运算放大器及应用教学要求：本章让学生了解集成放大器的基本组成、工作原理;掌握各种典型电路的分析和求解。集成电路是利用氧化，光刻，扩散，外延，蒸铝等集成工艺，把晶体管，电阻，导线等集中制作在一小块半导体基片上，构成一个完整的电路。按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，其中集成电路运算放大器（线性集成电路，以下简称集成运放）是模拟集成电路中应用最广泛的，它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路。集成电路具有如下特点：1．电路结构和元器件的性能参数比较一致，对称性好。2．高阻值电阻在集成电路中常用三级管组成的恒流源替代。3．大电容和电感不易制造，多级放大电路都用直接耦合方式。4.在集成电路中，二极管常用三极管的发射结代替。3.1集成运放的电路基础3.1.1集成运放的组成和主要性能1.集成运放的组成集成运算放大器通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四个部分组成。其内部电路结构框如图3-1所示。图3-1集成运算放大器组成输入级一般是由BJT或MOSFET组成的恒流源差动放大电路，以减少整个电路和零点漂移，提高共模抑制比，减少噪声和失真。同时，尽可能提高差模输入电阻。中间级的主要作用是提高电压增益，一般是由复合管组成的有源负载电压放大电路或组合放大电路，而且通常是多级放大的电路。输出级一般是有源负载射极输出器或互补对称输出电路，以减少输出电阻，提高带负载能力，并尽可能扩大动态范围，增大输出电压幅度，提高输出功率。偏置电路的作用是为各级电路提供合适和稳定的偏置电流，一般是由各种类型的电流源电路组成。图3-2为集成运算放大器的电路符号图的两种典型表示。图中标出了两个差动输入端和一个输出端。标“+”号的端口为同相输入端，信号从该端输入时，输出信号电压与输入信号电压相位相同；标“—”号的端口为反相输入端，输出信号电压与端的输入信号电压相位相反。图3-2集成运算放大器的电路符号图2.集成运放的性能指标集成运算放大器的性能指标和技术参数很多，这里介绍其主要性能参数。2.1输入失调电压及其温漂.对于理想运放，输入电压为0时，输出电压也应为0，但实际运放的输出一般不为0，为了使集成运放输出直流电压为零，在两输入端之间需加的补偿电压定义为输入失调电压，越小越好，一般量级之间。IOVIOVVIOIOVIOVmVV20~1IOV的温度系数称为温漂，定义为1212TTTVTVIOIOvIO2.2输入偏置电流IBI集成运放输出直流电压为零时,两输入端偏置电流的平均值定义为,即3-2一般而言,越小越好。通常运放的在几个量级；输入级运放的在量级；输入级运放的在量级。IBIIBIBNBPIBIII21IBI1~nAPAnA05.0~1.0pA2.3输入失调电流及其温漂.集成运放输出直流电压为零时，两输入端偏置电流的差值定义为输入失调电流，即在规定温度范围内，的温度系数又称为温漂，定义为3-3IOIIOIBNBPIOIIIIOI1212TTTITIIOIOIIO2.4开环差模电压增益在标称电源电压及规定负载条件下，集成运放工作在线性区，且无反馈时，其差模输出电压与差模输入电压之比定义为。集成运放的一般在之间。vdAvdAvdAdB180~602.5差模输入电阻与输出电阻集成运放的定义为其差放输入级的差模输入电阻，为其输出级的输出电阻。通常，越大，越小，则性能越好。2.6共模抑制比集成运放的与差动放大电路相同。同样地，越大，对共模干扰信号的抑制能力越强。集成运放的一般为。idRidRidRORORORCMRKCMRKCMRKCMRKdB70~602.7最大差模输入电压是指集成运放两输入端之间所允许加的了大电压差，超过，运放输入级差动对管将被反向击穿。2.8最大共模输入电压是指集成运放允许的最大共模输入电压。超过运放的共模抑制比将显著下降。此外，还有其他一些指标参数，这里不一一赘述，读者可查阅相关IC手册。idmVidmVidmVicmVicmVicmV3.1.2理想运放和“虚短”、“虚断”的概念1.1理想运放的条件在分析集成运放应用电路时，往往把集成运放看成是一个理想运放器件，以简化应用电路的分析过程中。理想运放的主要条件是：（1）差模开环电压增益；（2）差模办入电阻；（3）输出电阻；（4）共模模抑制比；vdAoR0oRCAMK实际的集成运放不可能达到上述理想化条件，因此在分析估算集成运放应用电路时，将实际运放视为理想运放必然会存在一些误差。一般情况下，这种误差比较小，在工程上是允许的。1.2理想运放线性工作状态特性分析理想运放处于各种不同工作状态时会呈现不同的特性。这些特性是分析集成运放应用电路的重要依据。如图3-3所示，运放的输出电压和输入电流分别为图3-3理想运放特性分析NpvdidvdovvAvAvidNpididNpRvvRvii因为理想运放的，所以由上述两式可得idvdRA,NPvdoNpvvAvvv00Npii式（3-6）表明工作于线性状态的理想运放两输入端的电压相等，即，如同两输入端短路一样，这种特性称为“虚短”特性。式（3-7）表明，理想运放两输入端的电流都为零，如同两输入端断开一样，这种特性称为“虚断”特性。“虚短”和“虚断”是理想运放线性工作状态的两个重要特性。0NPvv反馈是一种重要的电路技术，本节将介绍反馈的基本概念、反馈的基本组态、负反馈的作用及其分析方法。3.2放大器中的负反馈3.2.1负反馈的基本概念1.什么是反馈在电子电路中，将放大电路中的输出量的一部分或全部按一定的方式并通过一定的电路（即反馈网络或反馈支路）方式送回到输入回路以影响输入量（电压或电流），这种电量的反送过程称之为反馈。反馈放大电路分为基本放大电路和反馈网络（或支路）两部分，组成框图如图3-4所示。图中，代表基本放大电路，代表反馈网络，为输出量，为输入量，为反馈量，为净输入量。的大小不仅取决于输入量，而且还与反馈量有关。AFOXiXfXdXdX图3-4反馈的基本结构2.正反馈与负反馈根据引入反馈的极性，反馈可分为正反馈和负反馈。若引入反馈后，放大电路的净输入量增大，这种反馈形式称为正反馈；若引入反馈后，放大电路的净输入量减少，这种馈形式称为负反馈。1.负反馈的基本类型反馈的基本类型有电压串联、电压并联和电流串联、电流并联反馈四种方式。下面分别具体介绍这种形式的负反馈电路。1.1电压串联负反馈电压串联负反馈电路如图3-5所示3.2.2负反馈的分类与判断图3-5电压串联负反馈其中输入信号加于同相输入端，反相输入端通过电阻接地，负载上为输出电压。电阻跨接在输出端和反相输入端上。（1）电路有无反馈的判断主要看是否联系输出与输入的通路（也称支路或网络）。观察图3-5可知，和组成的电路联系输入和输出的公共通路。所以电路中存在反馈支路，电路存在反馈。1ROUfR1RfR（2）电压反馈与电流反馈的判断若在电路的输出端对输出电压取样，通过反馈网络得到反馈信号，然后送回以输入端与输入信号进行比较，这种反馈方式称为电压反馈。电压反馈中反馈量与放大电路的输出电压成正比。若电路中输出端的取样对象为输出电流，反馈量与输出电流成正比，这种反馈方式称为电流反馈。判断是电压反馈还是电流反馈时，可假设负反馈放大电路的输出电压为零，若反馈量也变为零，则表明电路中引入的是电压反馈；或令输出电压为零后，其反馈量依然存在，则表明电路中引入的是电流反馈。这种方法也称为输出短路法。3）串联反馈与并联反馈的判断串、并联反馈主要看放大电路的输入回路和反馈网络的连接方式。当反馈网络输出的反馈信号与输入信号在同一结点引入时，是并联反馈；当反馈信号与输入信号不在同一结点引入时，为串联反馈。在图3-5所示电路中，加于集成运放的同相输入端，反馈电压引回到集成运放的反相输入端，两者不在同一结点上，故为串联反馈。（4）反馈极性(正、负反馈)的判断按反馈对净输人信号的影响，可分为正反馈和负反馈。通常采用瞬时极性来进行判断。判断的方法是：先假设在放大电路的输入端加入一个在某一瞬时对地为正或负的输入信号；然后按放大电路的基本组态逐级判断电路中各相关点的电流流向或各点的电位极性，直至输出信号的极性。由输出信号的极性再确定反馈信号的极性，最后比较反馈信号与输入信号的极性，确定对净输入信号的影响。若使净输入信号减小，则为负反馈；反之，若使净输入信号增大，则为正反馈。这种方法通常也称为瞬时极性法。图3-5所示电路中的净输入差模电压，是负反馈。fiiduuu（5）直流反馈与交流反馈的判断如果反馈量只含有直流量，则为直流反馈．表明反馈网络元件上并联有电容，反馈元件上只能通过直流量，是直流反馈。如果反馈量只含有交流量，则为交流反馈，表明反馈支路上串联有电容，反馈支路上只能通过交流量，是交流反馈。如果反馈网络或支路上既没有串联电容又没有并联电容，可以同时通过直流和交流，就为交直流反馈。直流负反馈可以稳定电路的静态工作点，交流负反馈可以改善放大电路的动态性能。图3-5所示电路为交直流反馈。综上3-5所示电路为交、直流电压串联负反馈的组态。2.电流串联负反馈电流串联负反馈电路如图3-6所示。输入信号加在同相输人端，在输出端从电阻两端取得输出电压。iuou图3-6电流串联负反馈电路（1）找反馈网络（支路）在图3-6所示电路中，为联系输入和输出交流信号的公共支路。因此电路中存在反馈支路，也就有反馈存在。（2）电压、电流反馈的判断令时，仍有电流流动，反馈信号，故为电流反馈。（3）串联、并联反馈的判断电路的反馈信号与输入信号不在同一结点引入，故为串联反馈。（4）正、负反馈的判断假设在输入端加入一个对地为正的瞬时交流信号，按瞬时极性法判断各点电位的极性，净输入信号将减少，电路为负反馈。因此图3-6所示电路为电流串联负反馈组态。fR0oufRRfiufiiduuu3.电压并联负反馈电压并联负反馈电路如图3-7所示。为两个电路中联系输入与输出的公共支路，因此存在反馈。由于反馈支路在输出端是直接连接到端的，故为电压反馈。由图可知，电路的输入量与反馈量在输入端都在同一结点上，即输入量和反馈量都在运放的反相输入端进行比较，因此属于并联反馈。fRfR图3-7电压并联负反馈电路按瞬时极性法可知，交流反馈信号在上自反相输入端流向输出端，运放反相输入端的净输入电流，由于的存在，净输入电流减少，故属于负反馈。此电路中，反馈支路上无电容存在，可以通过直流和交流信号，故属于交直流反馈。因此，图3-7所示的电路属于交直流电压并联负反馈的组态。fifRfiiiifi4.电流并联负反馈图3-8所示为电流并联负反馈电路。它们的反馈类型（组态）分析如下。图中，联系输入与输出的反馈支路是和。因此存在反馈。由输出短路法可知，若假设对地短路后，图中的也仍然存在，所以属于电流反馈。从反馈支路在输入端的联接方式可知，输入信号和反馈信号同一结点上引入，故这两个电路都属于并联反馈。2RfRoufi图3-8电流并联负反馈用瞬时极性法判断可知，由于的存在，净输入信号减少，属于负反馈。在反馈支路上既没有并联电容，也没有串联电容，可以在反馈支路上通过直流和交流，属于交直流反馈。因此，图3-8所示的电路属于交直流电流并联负反馈的组态。fi3.2.3负反馈对放大器性能的影响1.负反馈对放大电路性能的影响负反馈虽然使放大电路的增益下降，但是可改善放大电路的性能，现分析如下：1.提高放大增益的稳定性设未引入负反馈时，开环放大倍数是A，变化是为dA，则其相对变化量为，引入负反馈后，闭环放大倍数为，变化量为，则相对变化量为。又，对其进行微分，可得所以AdAF