第八章集成运算放大器教案.docx

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第八章集成运算放大器教案

第八章集成运算放大器

8.1直接耦合放大电路

一、前后级静态工作点的配置问题

直接耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时首先要加以解决的问题。

1、用发射极电阻调节电位的直接耦合放大电路

2、用二极管调节电位的直接耦合放大电路

3、用稳压管调节电位的直接耦合放大电路

4、采用NPN型三极管和PNP型三极管组成互补耦合放大电路

二、零点漂移问题

当放大器的输入信号Ui=0时，其输出电压u0往往不为常数，或者三极管的工作点随时间而逐渐偏离原有静态值的现象。

产生零点漂移的原因：

电路中参数变化，如电源电压波动、元件老化、半导体元件参数随温度而变化。

其中主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。

工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。

一般将在一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。

例如μV/︒C或μV/min。

因此，克服零漂、提高电压放大倍数是直接耦合放大电路的主要研究内容。

8.2差动放大电路

一、直接耦合放大电路的零点漂移

直接耦合放大电路的零点漂移主要是晶体管的温漂造成的。

在基本差动放大电路中，利用参数的对称性进行补偿来抑制温漂。

在长尾电路和具有恒流源的差动放大电路中，还利用共模负反馈或恒流源抑制每只放大管的温漂。

二、差动放大电路组成及特点

1、电路组成

差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。

“对称”的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等，即Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，β1=β2，VBE1=VBE2，rbe1=rbe2，ICBO1=ICBO2。

2、电路特性

（1）差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用；

（2）差动放大电路对差模信号有放大作用；

（3）共模负反馈电阻Re的作用：

①稳定静态工作点。

②对差模信号无影响。

③对共模信号有负反馈作用：

Re越大对共模信号的抑制作用越强；也可能使电路的放大能力变差。

3、差动放大电路的输入和输出方式

（1）差动放大电路可以有两个输入端：

同相输入端和反相输入端。

根据规定的正方向，在某输入端加上一定极性的信号，如果输出信号的极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。

反之，如果输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。

（2）信号的输入方式：

若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。

（3）信号的输出方式：

差动放大电路可以有两个输出端：

集电极C1和C2。

从C1和C2输出称为双端输出；仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。

按照信号的输入、输出方式，或输入端与输出端接地情况的不同，差动放大电路有四种接法：

双端输入/双端输出；双端输入/单端输出；单端输入/双端输出；单端输入/单端输出；

4、差模信号和共模信号

1）差模信号：

幅度相等、极性相反的一对输入信号。

通常为有用信号。

2）共模信号：

幅度相等、极性相同的一对输入信号。

通常为温漂和干扰信号。

3）比较输入：

和

可以分解为一对差模信号

和一对共模信号

的叠加作用。

5、差分放大电路的静态分析

静态时，电路的输入信号

和

均接地，故电路静态分析与信号的输入方式无关，可分两种情况进行：

双端输出和单端输出。

6、差动放大电路的动态性能指标

（1）差模电压放大倍数Ad：

描述电路放大差模信号的能力；

（2）差模输入电阻Rid：

差模信号作用下的输入电阻。

（3）差模输出电阻Rod：

差模信号作用下的输出电阻。

（4）共模电压放大倍数Ac：

描述电路抑制共模信号的能力；

（5）共模抑制比

；理想情况下，共模放大倍数为0，共模抑制比为∞。

7、差动放大电路的动态分析

求解动态参数的关键是针对差模参数和共模参数，应分别画出微变等效电路进行计算。

差模和共模微变等效电路的主要区别是对Re的处理不同：

在差模等效电路中，双端输入时Re视为短路；单端输入时Re视为开路。

在共模信号作用下对单边电路而言，发射极等效电阻为2Re。

虽然差动放大电路有四种接法，且有三种不同的输入信号。

由于单端输入可以转换为双端输入；比较输入可以看成是差模输入和共模输入的叠加。

实际分析计算时，只须考虑两种情况：

差模信号作用下的双入—双出、双入—单出；共模信号作用下的双入—双出、双入—单出。

二、改进型差分放大电路

为了既能采用较低的电源电压又能有很大的Re等效电阻，可采用恒流源电路来替代Re，这样可以大大增加电路抑制共模信号的能力。

三、差动放大电路的几种连接方法

1、双端输入、双端输出

2、双端输入、单端输出

3、单端输入、双端输出

4、单端输入、单端输出

8．3集成运算放大器的简单介绍

一、集成电路中的元器件特点

1、集成电路中的元器件是在相同的工艺条件下做出的，邻近的器件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰的影响后的变化也相同，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。

2、集成工艺制造的电阻、电容数值范围有一定的限制。

3、集成工艺制造晶体管、场效应管最容易，众多数量的晶体管通过一次综合工艺完成。

集成晶体管有纵向NPN型管、横向PNP型管和场效应管，前者在集成元器件中占用硅片面积最小、性能好、β值高，用的也最多；而横向PNP管是利用制造纵向NPN管的工艺或稍加改造制成，其中PNP管β值低，但反耐压高，常和NPN型管配合使用。

二、集成电路结构形式上的特点

利用元器件参数的对称性来提高电路稳定性

利用有源器件代替无源元件

采用直接耦合方式

采用较复杂的电路结构

适当利用外接分立元件

三、电路的简单说明

1、集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如下图所示。

输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入、双端输出的形式。

中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。

中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。

互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。

具体电路参阅功率放大器。

偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

2、集成运算放大器的引线和符号

1）集成运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。

一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。

输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。

实际的运算放大器通常必须有正、负电源端有的品种还有补偿端和调零端。

2）集成运算放大器的符号

按照国家标准符号如下图所示。

四、主要参数

运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。

各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。

（1）运算放大器的静态技术指标

1）输入失调电压VIO：

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。

VIO是表征运放内部电路对称性的指标。

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IB：

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。

4）输入失调电压温漂

：

在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。

5）输入失调电流温漂

：

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。

6）最大差模输入电压

：

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。

7）最大共模输入电压

：

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。

（2）运算放大器的动态技术指标

1）开环差模电压放大倍数

：

运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。

2）差模输入电阻

：

输入差模信号时，运放的输入电阻。

3）共模抑制比

：

与差动放大电路中的定义相同，是差模电压增益

与共模电压增益

之比，常用分贝数来表示。

KCMR=20lg（Avd/Avc）（dB）

4）－3dB带宽

：

运算放大器的差模电压放大倍数

在高频段下降3dB所定义的带宽

。

5）单位增益带宽

（BW•G）：

下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽

。

6）转换速率

（压摆率）：

反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。

转换速率

的表达式为

7）等效输入噪声电压Vn：

输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。

这一数值往往与一定的频带相对应。

五、理想运算放大器及其分析依据

1、理想运放的性能指标

Aod＝∞

Rid＝∞

Ro＝0

KCMR＝∞

fH＝∞

UOI、IOI及其温漂均为零，且无任何内部噪声。

2、理想运放的两个工作区

（1）线性工作区特点

uo＝Aod（uP－uN）

具有虚短（即uP=uN）、虚断（即iP=iN=0）的特点。

（2）非线性工作区

当uP＞uN时uo正向饱和，当uP＜uN时uo负向饱和。

具有虚断的特点。

8.4运算放大器在信号运算方面的应用

一、比例运算电路

分析方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理列出放大倍数表达式。

1、反相比例运算电路

（1）电路的组成如图8-15所示。

（2）电路的放大倍数及特点

由分析得电路的放大倍数为

AU=u0/ui=RF/R1

特点

①输入信号接入反相输入端，uN点虚地，其输出信号与输入信号反相。

②电路不存在共模信号。

③放大倍数可以大于1，可以小于1，也可以等于0。

4因为电路引入电压并联负反馈，故电路的输入阻抗较低，即Ri=R1。

2、同相比例运算电路

（1）电路的组成如图8-17所示。

（2）电路的放大倍数及特点

由分析得电路的放大倍数为

AU=u0/ui=1+RF/R1

特点

①输入信号接入同相输入端，故其输出信号与输入信号同相。

②电路存在共模信号，故应选用共模抑制比高的集成运放。

③放大倍数只能大于或等于1。

4因为电路引入电压串联负反馈，故其输入阻抗很高。

二、加法运算

（1）电路的组成如下图所示

（2）电路的分析及特点

电路的输出表达式为

电路的特点与反相比例运算电路的特点类似。

三、减法运算电路

（1）电路的组成如下图所示

（2）电路的分析及特点

电路的输出表达式为

该电路也存在共模信号，故应选用共模抑制比高的集成运放，才能保证一定的运算精度。

另外该电路还可用两级反相求和运算电路实现，此时电路不存在共模信号。

四、积分运算电路

分析方法，利用虚短、虚断的概念和基尔霍夫电流定理及电容端电压与通过它的电流的关系列出输出方程。

1）电路的组成如图8-23所示。

2）电路的分析

利用上述分析方法可得电路的输出表达式

上式表明输出电压为输入电压对时间的积分。

五、微分运算电路

1）电路的组成如图8-26所示。

2）电路的分析

利用上述分析方法可求得电路的输出表达式

上式表明输出电压正比与输入电压对时间的微分。

8.5运算放大器在信号处理方面的应用

一、有源滤波电路

滤波器：

就是一种选频电路。

按工作频率的不同，滤波器可分为：

低通、高通、带通

1、滤波电路幅频特性中的概念

通带：

能够通过的信号频率范围。

阻带：

受阻或衰减的信号频率范围。

通带放大倍数：

通带输出电压与输入电压之比。

通带截止频率fp：

此频率所对应的放大倍数为通带放大倍数的

倍。

2、有源低通滤波器

有源滤波电路由无源滤波电路加有源源件（如晶体管、集成运放等）所组成。

此种电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点有较强的带负载能力。

分析方法，利用虚短、虚断的概念、结电电压法列出电路放大倍数的传递函数。

3、有源高通滤波器

如将有源低通滤波器中RC电路的R和C对调，则成为有源高通滤波器。

二、采样保持电路

当输入信号变化较快时，要求输入信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。

在两次采样之间保持上一次采样结束的状态。

下图是它的简单电路和输入输出信号波形。

三、电压比较器

电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。