第16章集成運算放大器

1、下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。模擬集成電路。集成電路分類集成電路分類模擬集成電路模擬集成電路數字集成電路數字集成電路集成運算放大器、集成集成運算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成A/DD/A等。等。 在集成電路工藝中難于制造電

2、感元件；制造容量在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容量大于大于200pF的電容也比較困難，因而放大器各級之間都的電容也比較困難，因而放大器各級之間都采采（1）級間采用直接耦合方式）級間采用直接耦合方式下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采用外接用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采用外接的方法。的方法。（2）電路結構和參數具有對稱性）電路結構和參數具有對稱性 集成電路中的電阻是由硅半導體的體電阻構成，集成電路中的電阻是由硅半導體的體電阻構成，阻值大約為阻值大約為100 30K，且阻值精度不高，因此常常，且阻值精度不高，因此常常用

3、晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；用晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；必須使用直必須使用直流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。 由于集成電路中的各個元件是通過同一工藝過程由于集成電路中的各個元件是通過同一工藝過程制作在同一硅片上，同一片內的元件參數絕對值有同制作在同一硅片上，同一片內的元件參數絕對值有同向的偏差，溫度均一性好向的偏差，溫度均一性好（3）用有源器件代替無源器件）用有源器件代替無源器件下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路輸入級：輸入級：要求輸入電阻高，差模放大倍數高，抑

4、制要求輸入電阻高，差模放大倍數高，抑制零點漂移和共模干擾信號的能力強。都采用差分放零點漂移和共模干擾信號的能力強。都采用差分放大電路。大電路。中間級：中間級：要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構成。共發(fā)射極放大電路構成。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁偏置電路：偏置電路：為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路構成。構成。+UCC+-+-一、鏡像電流源一、鏡像電流源RUVIBE1CCREFC2C1B2

5、B1II,II由電路對稱由電路對稱I2I2IIIIC2REFBREFC1C221IIIC2REFC2當滿足當滿足2 2時，時，REFC2III IC2C2作為提供給某個放大器的作為提供給某個放大器的偏置電流。偏置電流。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁二、比例電流源二、比例電流源2E2BE21E1BE1RIURIUREF21C2IRRI缺點：缺點：I IC C受電源電壓波動的影響。受電源電壓波動的影響。不適用提供微安級的電流。不適用提供微安級的電流。+UCC+UCC三、微電流源三、微電流源2E2BE2BE1RIUU2BEBE2BE1E2RUUUI2R下一頁下一頁總目錄總

6、目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁中間級：中間級： 提供足夠的電壓放大倍數，本身還應有高的提供足夠的電壓放大倍數，本身還應有高的輸入電阻，以減小對前級的影響。輸入電阻，以減小對前級的影響。+UCC+UCC-UEE下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。+UCCUEEuu+輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回

7、返回上一頁上一頁16.1.3 主要參數主要參數1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。 Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運放的共模抑制性

8、能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調電壓輸入失調電壓 UIO4. 輸入失調電流輸入失調電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁1. 理想運算放大器理想運算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0時，時，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使

9、低于 0的的信號順利通過，衰減很小，信號順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號不易通過，的信號不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低通階有源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時信號衰減得時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1j

10、UCRRU URRU)(11Fo頻率頻率角角稱為截止稱為截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+設輸入為正弦波信號，則有設輸入為正弦波信號，則有故：故：下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 的信號通過的信號通過 ，而小于，而小于 0 的信號被阻止，稱為的信號被阻止，稱為有源高通濾波器有源高通濾波器。 ,0時時當當 ,時時當當 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時時當當 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021u

11、A 0| Auf0 | T(j ) | O下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁模擬開關模擬開關模擬輸入信號模擬輸入信號電路電路 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用于模 - 數轉換電路（數轉換電路（A/D）之之前前。由于。由于A/D 轉換需要一定的時間，所以在進行轉換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足存一段時間，以滿足A/D 轉換電路的需要。轉換電路的需要。采樣存儲采樣存儲電容電容控制信號控制信號電壓跟隨器電壓跟隨器下一頁下一頁總目錄總目錄

12、章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 uG為高電平，為高電平， S 閉合閉合(場效應管導通場效應管導通)， ui對存儲電容對存儲電容C充電，充電， uo= uC = ui 。 uG為為 0， S 斷開斷開(場效應管截止場效應管截止)，輸出，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。保持該階段開始瞬間的值不變。uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 SuC+ui+uo+ 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高

13、電小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。 數模轉換、數字儀表、自動控制和自動檢測等數模轉換、數字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產生及變換等場合技術領域，以及波形產生及變換等場合 。 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對應的輸

14、入電壓。：輸出躍變所對應的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 當當 ui 單方向變化時，單方向變化時， uo 只變化一次。只變化一次。URuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOUR下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1

15、+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOUR下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁URuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat

16、)下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁RF UUoF 2 2uRRRu 當當 uo = + Uo(sat)， 則則 )(o(sat)F 2 2URRRUu 當當 uo = Uo(sat)， 則則iuu )(o(sat)F 2 2 URRRUu 門限電壓受輸門限電壓受輸出電壓的控制出電壓的控制R2uoui+ R1+ 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U兩次跳變之間具有遲兩次跳變之間具有遲滯特性滯特性滯回比較器滯回比較器RFR2

17、uoui+ R1+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁)(o(sat)F 2 2RF 2FRURRRURRRu 可見：可見：傳輸特性不再對稱于縱軸，傳輸特性不再對稱于縱軸， UU +URRFR2uoui+ R1+ U U下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁o(sat)F 2 2 2URRRUUU 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁V2V6201010 U V 2V6201010 U下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020 U

18、U下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU 動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 RCtCCCCeuuutu 0RU RU下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2

19、2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁A1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u- = 0 ，所以當，所以當 u+ = 0時時，A1狀態(tài)狀態(tài)改變改變0o2111o2121 uRRRuRRRu當當 時時，即即當當 Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁TT1T2T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2RCRRTf2141 tRCUuio uo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改變比較器的輸出改變比較器的輸出 uo1、電阻、電阻R1 、R2 即可改即可改變三角波的幅值。變三角波的幅值。 (2) 改變積分常數改變積分常數RC 即可改變三角波的頻率。即可改變三角波的頻率。動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁Z12URRZ12