模擬電子技術(shù) 第3章 集成運(yùn)算放大器

1、123集成電路集成電路: : 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類：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)模集成電路。4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(gè)芯片上，元件參數(shù)偏）電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏 差方向一致，溫度均一性好。差方向一致，溫度均一性好。（2）電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍

2、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千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有 源元件代替或外接。源元件代替或外接。（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)結(jié)的結(jié)電容構(gòu) 成、大電容要外接。成、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。3.1.1 集成運(yùn)放的組成原理集成運(yùn)放的組成原理5-UCC+UCC u+uo u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS原理框圖原理框圖輸輸入入級(jí)級(jí)中中間間級(jí)級(jí)輸輸出出級(jí)級(jí)與與uo o反相反相與與uo同相同相6對(duì)輸入級(jí)的要求：對(duì)

3、輸入級(jí)的要求：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 , , 輸輸入阻抗入阻抗 ri 盡可能大盡可能大。對(duì)中間級(jí)的要求：對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。對(duì)輸出級(jí)的要求：對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流出電流io 。即輸出阻抗。即輸出阻抗 ro小。小。集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)（1 1）采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二級(jí)一般）采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用差動(dòng)放大器。采用差動(dòng)放大器。（2 2）輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，以減小輸入）輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或

4、場(chǎng)效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。電流，增加輸入電阻。（3 3）輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，以進(jìn)行功率放）輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，以進(jìn)行功率放大，提高帶負(fù)載的能力。大，提高帶負(fù)載的能力。7ic =ic1+ ic2 = 1 ib + 2(1+ 1 ) ib = 1 + 2(1+ 1 ) ibT1、T2采用復(fù)合三極管采用復(fù)合三極管 = ic / ib = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2 R2T3R1R3-UCC+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4ic1ic2ib2icibie 1 2 8-UCC+UCCE ERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8

5、RE4RE5T11T10RL第第4 4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器第第2 2級(jí)級(jí)第第1 1級(jí)：級(jí)：差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器第第3 3級(jí)：級(jí)：?jiǎn)喂芊糯笃鲉喂芊糯笃? +集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）極極性性判判斷斷9 ri 大大: : 幾十幾十k 幾百幾百 k 運(yùn)放的特點(diǎn)：運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMRR 很大很大 ro 小：幾十?。簬资?幾百幾百 A o 很很大大: : 104 107理想運(yùn)放：理想運(yùn)放： ri KCMRR ro 0Ao 運(yùn)放符號(hào)：運(yùn)放符號(hào)：uu+ uo u u+ uo國際符號(hào)國際符號(hào)國內(nèi)符號(hào)國內(nèi)符號(hào)101. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模

6、電壓放大倍數(shù)Ao 無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間。理想運(yùn)放的之間。理想運(yùn)放的Ao為為 。3. 共模抑制比共模抑制比KCMRR常用分貝作單位，一般常用分貝作單位，一般100dB以上。以上。3.1.2 集成運(yùn)放主要性能指標(biāo)集成運(yùn)放主要性能指標(biāo)2. 最大輸出電壓最大輸出電壓UOM(約等于約等于UCC)4. 差模輸入電阻差模輸入電阻ridrid1M , 有的可達(dá)有的可達(dá)100M 以上。以上。11ioB1B2III 12uiuo+UOM-UOM Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在在輸出與輸入之間輸出與輸入之間加負(fù)

7、反饋加負(fù)反饋才能使才能使運(yùn)放運(yùn)放工作在線性區(qū)。工作在線性區(qū)。uiuo_+maxOMoCCUuU 例：若例：若Ucc=12V，Ao=106， 則則|ui| u - 時(shí)時(shí), uo= +uO(sat)=+UCC當(dāng)當(dāng) u + u - 時(shí)時(shí), uo= -uO(sat)=-UCC當(dāng)運(yùn)算放大器工作在當(dāng)運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)飽和區(qū)時(shí)時(shí)由于由于ri，所以，所以0iii+ = i- = 0即即輸入與輸出之間的關(guān)系：輸入與輸出之間的關(guān)系：163.2.1 負(fù)反饋的概念負(fù)反饋的概念凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)疊加，就稱為反

8、饋?；蛉恳氐捷斎攵?，與輸入信號(hào)疊加，就稱為反饋。若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為負(fù)反饋負(fù)反饋。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為正反饋正反饋。3.2 集成運(yùn)算放大電路中的反饋集成運(yùn)算放大電路中的反饋17放大器放大器輸出輸出輸入輸入取取+ 加強(qiáng)輸入信號(hào)加強(qiáng)輸入信號(hào) 正反饋正反饋 用于振蕩器用于振蕩器取取 削弱輸入信號(hào)削弱輸入信號(hào) 負(fù)反饋負(fù)反饋 用于放大器用于放大器開環(huán)開環(huán) 負(fù)反饋的作用負(fù)反饋的作用 穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶電阻；

9、擴(kuò)展通頻帶閉環(huán)閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋反饋信號(hào)信號(hào)實(shí)際輸入信號(hào)實(shí)際輸入信號(hào)18反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FfX放大放大：dooXXA迭加：迭加：fidXXX負(fù)反饋框圖負(fù)反饋框圖AO稱為開環(huán)放大倍數(shù)稱為開環(huán)放大倍數(shù)iX+ 反饋反饋：ofXXFAF稱為閉環(huán)放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù)AF=Xo / Xi輸出信號(hào)輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)反饋信號(hào)凈輸入凈輸入信號(hào)信號(hào)負(fù)反饋放大器負(fù)反饋放大器F稱為反饋系數(shù)稱為反饋系數(shù)設(shè)設(shè)Xf與與Xi同相同相基本放大基本放大電路電路AodXoX19負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系閉環(huán)放大倍數(shù)：閉環(huán)放大倍數(shù)：放大放大：dooXXA反饋反饋：ofXXF疊加：疊加：fid

10、XXXoFdfXAXXFXAXXooooFAo11FAAoo1ioFXXAioFXXA20AF=Ao1+ AoF負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)當(dāng)Ao很大時(shí)很大時(shí), AoF 1,AF 1 F結(jié)論結(jié)論: 當(dāng)當(dāng)Ao很大時(shí)，負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管很大時(shí)，負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。無關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。213.2.2 負(fù)反饋的類型及分析方法負(fù)反饋的類型及分析方法負(fù)反饋的類型負(fù)反饋的類型電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋電

11、流并聯(lián)負(fù)反饋?zhàn)饔茫悍€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶作用作用負(fù)負(fù)反反饋饋交流負(fù)反饋交流負(fù)反饋直流負(fù)反饋直流負(fù)反饋22oAFFoAoAFFoA四種反饋組態(tài)231. 有反饋和無反饋：有反饋和無反饋：“ 找聯(lián)系找聯(lián)系”uiuo_+Aouiuo_+Aouiuo_+Ao 有無反饋主要觀察是否有反饋電路將放大電路的輸有無反饋主要觀察是否有反饋電路將放大電路的輸出回路和輸入回路聯(lián)系在一起。出回路和輸入回路聯(lián)系在一起。24Ao+uiuoiu +F的疊加關(guān)系、的極性的極性的瞬時(shí)極性給定瞬時(shí)極性法：ififoi

12、XXXXXXFuFiiuuu反饋量是僅僅決定于輸出量的物理量。反饋量是僅僅決定于輸出量的物理量。2. 正反饋和負(fù)反饋正反饋和負(fù)反饋反饋極性通常采用反饋極性通常采用“瞬時(shí)極性法瞬時(shí)極性法”判斷。判斷。25同一電路的不同畫法同一電路的不同畫法Ao+uiuoiu +FAouiuoiu +F習(xí)慣畫法一習(xí)慣畫法一+_+ + R2R1uiuo習(xí)慣畫法二習(xí)慣畫法二26Ao引入負(fù)反饋引入負(fù)反饋引入正反饋引入正反饋Ao3.直流反饋和交流反饋直流反饋和交流反饋 如果反饋電路僅反映放大電路中的直流分量變化，則如果反饋電路僅反映放大電路中的直流分量變化，則為直流反饋。為直流反饋。 如果反饋的是放大電路中的交流分量則為

13、交流反饋。如果反饋的是放大電路中的交流分量則為交流反饋。273.2.3 具體負(fù)反饋電路分析具體負(fù)反饋電路分析fofRui 28oF11fuRRRu 29 RuRuiifo 30oFfiRRRi f11i1 iiRui ，且且因因iF1o)1(1 uRRRi 所所以以3132+-33343.2.4 負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響dooXXAofXXFfidXXX反饋電路的基反饋電路的基本本 方程方程基本放大電路基本放大電路AodXoX反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FfXiX+ FAAXXAooiof1FAo開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)AF閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)Xf與與Xi同相同相35負(fù)反饋使放大倍

14、數(shù)下降。負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。引入負(fù)反饋使電路的穩(wěn)定性提高。引入負(fù)反饋使電路的穩(wěn)定性提高。dfofdoXXXXXXFAodfXX 、同相，所以同相，所以0FAo AFAF A01+A0FA01=AF=Ao1+ AoF則有：則有：|AF|Ao|1. 對(duì)放大倍數(shù)的影響對(duì)放大倍數(shù)的影響36若若:1FAo稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)：稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)：FAf1 在深度負(fù)反饋的情況下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。在深度負(fù)反饋的情況下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。FAo1反饋深度反饋深度372. 交流負(fù)反饋能改善波形的失真交流負(fù)反饋能改善波形的失真Aouiufuiuoud加反饋前加反饋前加反饋后加反饋后AoF+

15、失真失真改善改善uouo383. 展寬通頻帶展寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：oofBFAB)1 (fABoAoAFBf39 在具有負(fù)反饋的放大電路中，不論引入的反饋信號(hào)取在具有負(fù)反饋的放大電路中，不論引入的反饋信號(hào)取自輸出電壓還是輸出電流，輸入電阻取決于反饋電路與基自輸出電壓還是輸出電流，輸入電阻取決于反饋電路與基本放大電路輸入回路的連接方法。本放大電路輸入回路的連接方法。4. 改變輸入電阻和輸出電阻改變輸入電阻和輸出電阻1）對(duì)輸入電阻的影響）對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增加ioifrFAr)1 (例如例如:

16、射極輸出器射極輸出器)1 (FArroiif并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小：并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減?。?02）對(duì)輸出電阻的影響）對(duì)輸出電阻的影響電壓反饋使電路的輸出電阻減小電壓反饋使電路的輸出電阻減小oofo(1)rrA F例如例如:射極輸出器射極輸出器電流反饋使電路的輸出電阻增大電流反饋使電路的輸出電阻增大 在具有負(fù)反饋的放大電路中，輸出電阻僅取決于反饋在具有負(fù)反饋的放大電路中，輸出電阻僅取決于反饋電路與基本放大電路輸出回路的連接方式。電路與基本放大電路輸出回路的連接方式。ofo(1)orA F r41RB1+UCCRCC1C2RB2RERLuoBCRFRECEE+接有發(fā)射極交流負(fù)反饋電阻

17、的放大器接有發(fā)射極交流負(fù)反饋電阻的放大器(電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋)uiubeufui = ube + ufube = ui - uf負(fù)反饋電阻負(fù)反饋電阻RF其中其中uf = RF ie ie ic = io符合公式：符合公式：fidXXX 分立元件放大電路中的反饋42性能比較性能比較結(jié)論結(jié)論: （1）放大倍數(shù)減小了，但穩(wěn)定了，即受晶體管的影響減小。）放大倍數(shù)減小了，但穩(wěn)定了，即受晶體管的影響減小。 （2）輸入電阻提高了。）輸入電阻提高了。無無RF有有RF放大倍數(shù)放大倍數(shù) -93 -19輸入電阻輸入電阻 1.52k 5.9k 輸出電阻輸出電阻 5 k 5 k RB1=100k RB2=33k RE=2.4k RF=100 RC=5k RL=5k =60UCC=15Vrbe=1.62 k 分立元件放大電路中的反饋43放大倍數(shù)穩(wěn)定