模電第五章05信號運(yùn)算電路

1、15.1 5.1 運(yùn)算放大器的工作原理運(yùn)算放大器的工作原理5.2 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)5.3 運(yùn)算電路的三種輸入方式運(yùn)算電路的三種輸入方式5.4 加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路 5.5 積分電路和微分電路積分電路和微分電路 2 集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器簡介將整個電路的各個元件做在一將整個電路的各個元件做在一個半導(dǎo)體基片上。個半導(dǎo)體基片上。集成電路集成電路:優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。重量輕、功耗小。分類分類:模擬集成電路、數(shù)字集成電路模擬集成電路、數(shù)字集成電路小、中、大、超大規(guī)模集成電路小、中、大、超大規(guī)模集成

2、電路 3集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差、電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。方向一致，溫度均一性好。2、電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到、電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。件代替或外接。3、幾十、幾十PF以下的小電容用以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。大電容要外接。4、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。4運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖5運(yùn)算放大器外形圖

3、運(yùn)算放大器外形圖67 集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu) （1 1）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級）采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級一般采用一般采用差分式放大器差分式放大器。（2 2）輸入級常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以減小）輸入級常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。輸入電流，增加輸入電阻。（3 3）輸出級采用互補(bǔ)對稱式射極跟隨器，以進(jìn)行功）輸出級采用互補(bǔ)對稱式射極跟隨器，以進(jìn)行功率放大，提高帶負(fù)載的能力。率放大，提高帶負(fù)載的能力。8輸入級輸入級 差動放大器差動放大器輸出級輸出級 射極輸出器或互補(bǔ)對稱功率放大器射極輸出器或互補(bǔ)對稱功率放大器中間級中間級

4、 電壓放大器電壓放大器偏置電路偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成9 1.1.輸入級輸入級要使用高性能的差分放大電路，它要使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強(qiáng)的抑制力。必須對共模信號有很強(qiáng)的抑制力。 4.4.偏置電流源偏置電流源可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 3.3.互補(bǔ)輸出級互補(bǔ)輸出級由由PNPPNP和和NPNNPN兩種極性的三極兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。壓或電流。具體電路參閱

5、功率放大器。 2.2.中間放大級中間放大級要提供高的電壓增益，以保證要提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級的電路形式多為差分電運(yùn)放的運(yùn)算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。10例如例如 100,=V1A若第一級漂了若第一級漂了100 VV，則輸出漂移則輸出漂移 1 V。 若第二級也漂若第二級也漂了了100 VV，則輸出漂移則輸出漂移 10 mV。假設(shè)假設(shè)F 第一級是關(guān)鍵第一級是關(guān)鍵。 1= 100,=V3V2AA3. 減小零漂的措施減小零漂的措施F 用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償用非線性元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償F 調(diào)制解調(diào)方式。如調(diào)制解調(diào)方式

6、。如“斬波穩(wěn)零放大器斬波穩(wěn)零放大器”F 采用差分式放大電路采用差分式放大電路漂了漂了 100 VV漂移漂移 10 mV+100 VV漂移漂移 1 V+ 10 mV漂移漂移 1 V+ 10 mV11輸入級輸入級偏置電路偏置電路中間級中間級輸出級輸出級輸出輸出+VCCVo+反相反相輸入輸入-VEE同相同相輸入輸入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C12 通用集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)通用集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同

7、相端T3T4T5T1T2IS基本原基本原理框圖理框圖13T3T4T5T1T2IS V V反相端反相端同相端同相端Vo與與Vo反相反相與與Vo同相同相14-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：要求：輸入級輸入級盡量減小零點(diǎn)漂移盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大。盡可能大。15-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級輸入級中間級中間級足夠大的電壓放大倍數(shù)足夠大的電壓放大倍數(shù)16-VEE+VCC VVo V反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級輸入級中間

8、級中間級 輸出級輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro小。小。17VV+ Vo集成運(yùn)算放大器符號集成運(yùn)算放大器符號 反相輸入端反相輸入端 V同相輸入端同相輸入端 V+ 輸出端輸出端 Vo國際符號：國際符號：國內(nèi)符號：國內(nèi)符號：18 運(yùn)算放大器的引線運(yùn)算放大器的引線 運(yùn)算放大器的符號中有運(yùn)算放大器的符號中有三個引線端三個引線端，兩個輸兩個輸入端入端，一個輸出端一個輸出端。一個稱為。一個稱為同相輸入端同相輸入端，即該端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號 +或或IN +表示；

9、另一個稱為表示；另一個稱為反相輸入端反相輸入端，即該端輸入，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相異，用符號信號變化的極性與輸出端相異，用符號“ - -”或或IN “ - -”表示。表示。輸出端輸出端一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符號邊框內(nèi)標(biāo)有號邊框內(nèi)標(biāo)有 +號。實(shí)際的運(yùn)算放大器通常必須號。實(shí)際的運(yùn)算放大器通常必須有正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。有正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端。19集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)(1) (1) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)( (開環(huán)增益開環(huán)增益) )大大 A Ao o(A(Ad d)=V)

10、=Vo o/(V/(V+ +-V-V- -)=10)=107 7-10-101212倍倍; ;(2) (2) 共模抑制比高共模抑制比高 K KCMRRCMRR=100db=100db以上以上; ;(3) (3) 輸入電阻大輸入電阻大 r ri i1M1M , , 有的可達(dá)有的可達(dá)100100M M 以上以上; ;(4) (4) 輸出電阻小輸出電阻小 r ro o = =幾幾 - -幾十幾十 20理想運(yùn)放：理想運(yùn)放： 集成運(yùn)算放大器的分析方法集成運(yùn)算放大器的分析方法 理想化理想化Ao = KCMRR= ri = ro = 021Vo =Ao (V+ V) Ao V+ V 0V+ VVo VV+

11、ib-ib+ V+ =V ib-= ib+ =0 ri ib- 0 ib+ 0輸出電壓變化范圍輸出電壓變化范圍:最大最大+VCC -VEE22集成運(yùn)算放大器的分析方法集成運(yùn)算放大器的分析方法: :放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，Vo VV+ ib-ib+RL因?yàn)橐驗(yàn)閞o = 0所以所以放大倍數(shù)與負(fù)載放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，放大倍數(shù)可以無關(guān)，放大倍數(shù)可以獨(dú)立計算。獨(dú)立計算。ro23 通用型集成電路運(yùn)算放大器通用型集成電路運(yùn)算放大器24end簡化電路簡化電路255.2 集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成電路運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓VIO2. 輸入偏置電流輸入偏置電流II

12、B3. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流IIO4. 溫度漂移溫度漂移（1）輸入失調(diào)電壓溫漂）輸入失調(diào)電壓溫漂 VIO / T（2）輸入失調(diào)電流溫漂）輸入失調(diào)電流溫漂 IIO / T5. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Vidmax6. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Vicmax7. 最大輸出電流最大輸出電流Iomax261. 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗PCPC=VCCIC+ VEEIE 2. 電源電壓抑制比電源電壓抑制比KSVR)(ddEECC10SVRVVVK 5.2.5 電源特性參數(shù)電源特性參數(shù)5.2 集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)27運(yùn)放線運(yùn)放線性運(yùn)用性運(yùn)用信號的放大、運(yùn)算信號的放大、

13、運(yùn)算恒壓源、恒流源電路恒壓源、恒流源電路有源濾波電路有源濾波電路在運(yùn)放的線性應(yīng)用中，運(yùn)放的輸出與輸入在運(yùn)放的線性應(yīng)用中，運(yùn)放的輸出與輸入之間加之間加負(fù)反饋負(fù)反饋，使運(yùn)放工作于線性狀態(tài)。，使運(yùn)放工作于線性狀態(tài)。(4-28)1. 1. 差模輸入電阻差模輸入電阻 ,兩個輸入端的輸入電流兩個輸入端的輸入電流可認(rèn)為是零，即可認(rèn)為是零，即。idr2. 2. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 輸出電壓是一個輸出電壓是一個有限值，有限值，0uA00 VoAVVV VV即即,0 V 3.3.如果信號從反向端輸入，同相端接地如果信號從反向端輸入，同相端接地 0 V反相端近于反相端近于“地地”電位，即電位，即返回目

14、錄返回目錄(4-29)運(yùn)算放大器在飽和區(qū)時的情況運(yùn)算放大器在飽和區(qū)時的情況當(dāng)當(dāng) 時時， VVo(sat)V oV例題o(sat)V oV當(dāng)當(dāng)注意：注意：此時輸入端的輸入電流也等于零此時輸入端的輸入電流也等于零返回目錄返回目錄(4-30)V;10V,15)1( VVV;10V,5)2( VVmV;50V,)3( VVV;0mV,5)4( VV V V+ Vo (4-31)V651021360 VoAVVV解只要兩個輸入端之間的電壓絕對值超過只要兩個輸入端之間的電壓絕對值超過6565V V，輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。5VV10)1015(10265 oVv;10v

15、,15)1( VV輸出電壓3VV10)105(10265 oVv;10v,5)2( VV輸出電壓3V1 oVmV;50V,)3( VV輸出電壓3V1 oVV;0mV,5)4( VV輸出電壓返回返回 (4-32)213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)每兩個每兩個運(yùn)放共運(yùn)放共用一個用一個偏置偏置電阻電阻四個四個運(yùn)放運(yùn)放共用共用V VDDDD、V VSSSS端端C14578C14578外引線排列圖外引線排列圖213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)返回目錄返回目錄(4-33) 5.3 V

16、iVoViVo+VOM-VOM Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。_+ +A05. 1.1 概述概述(4-34)運(yùn)放線運(yùn)放線性運(yùn)用性運(yùn)用(4-35)F007F007（5G245G24）外引線圖）外引線圖 反相反相輸入端輸入端 同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V接接 線線 圖圖頂頂 視視 圖圖CCVEEVOUTININ (4-36)由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在

17、分析時常將其理想阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放?；?，稱其所謂的理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的條件：理想運(yùn)放的條件： 0A ir0ro )(00 VVAVV VV0Ii 。虛短路虛短路虛開路虛開路(4-37)理想運(yùn)放的符號理想運(yùn)放的符號_+ + V+V-V0(4-38)_+ + R2R1RPViVo0 VVi1i2i1=i221RVRVoi 1210RRVVAu (4-39)_+ + R2R1RPViVoRi=R1(4-40)_+ + R2R1RPViVo02 VV(4-41)R RR R2 2R R1 1F FV Vi iV Vo o電位為零電位為零，虛地虛地電位為零 注意注

18、意雖然雖然0 VV返回目錄返回目錄(4-42)_+ + R2R1RPViVoV-= V+= Vi12RVRVViio ioVRRV)1(12 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻高。輸入電阻高。共模電壓：共模電壓：Vi沒有虛地概念。沒有虛地概念。例：例：,k10RF ,k2R1 ,k2R2 ,k18R3 V,1i V求：求：oV(4-44)解：此電路為同相比例運(yùn)算電路，此電路為同相比例運(yùn)算電路，R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 30.9VV18211832i3 RRVRV于是于是5.4VV9 . 02101o V式式 VRRV1Fo1中的中的 V是指加在同相

19、是指加在同相輸入端的輸入電壓輸入端的輸入電壓 (4-45)(3) 差動放大器差動放大器_+ + R2R1R1Vi2VoR2Vi1 VV211RVVRVVoi 212RVRVVi )(1212iioVVRRV 解出：解出：(4-46)_+ + R2R1R1Vi2VoR2Vi1(4-47)_+ + R2ViVoioVVVV 當(dāng)當(dāng) R1= 且且 RF = 0 時，時，uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1+ 由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟 隨器隨器輸入電阻高、輸出輸入電阻高、輸出 電阻低，電阻低，其跟隨性能比其跟隨性能比 射極輸出器更好。射極輸出

20、器更好。VoVi+ Vo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：例：圖示是集成電路的串級應(yīng)用，試求輸出電壓例：圖示是集成電路的串級應(yīng)用，試求輸出電壓oVR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui i2 2u ui i1 1R R2 2R R1 1R RF Fu uo oA A1 1A A2 2解答解：解：A1A1是電壓跟隨器，是電壓跟隨器，i1o1VV A2A2是差動運(yùn)算電路，是差動運(yùn)算電路，o11Fi21Fo1VRRVRRV i11Fi21F1VRRVRR 想一想：為什么要加想一想：為什么要加A1A1？ (4-51)以上電路的比較歸納：以上電路的比較歸納：1.它們都

21、引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小都比較小 。2.關(guān)于輸入電阻：關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。輸入電阻高。3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。模電壓小。(4-52)_+ + R2R11R12Vi2VoRPVi1i11i12iF0 VVF1211iii )(212211120iiVRRVRRV VRRVF)1(10V+ Vi1 、Vi2？22221211222122iiVRRRVRRRV R1RF+V i1+_VoR21R22Vi2-)(1(212111111211121iiFOVRRRVRRRRRV )(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FoVRRRVRRRRRV Vi2VoRFVi1Ri2Ri1+ R1+Vi2VoRFVi1Ri2Ri1+ R2+)(2i2