第十章 集成運(yùn)算放大器

1、10.1 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器第第10章集成運(yùn)算放大器章集成運(yùn)算放大器 10.2 集成運(yùn)放的概述集成運(yùn)放的概述12.3 集成運(yùn)放的輸入方式集成運(yùn)放的輸入方式12.4 運(yùn)算放大器的應(yīng)用運(yùn)算放大器的應(yīng)用10.1 10.1 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路10.1.1直接耦合放大電路直接耦合放大電路10.1.2 基本型差動(dòng)放大器基本型差動(dòng)放大器10.1.3 雙電源長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大器雙電源長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大器10.1.4 恒流源式差動(dòng)放大器恒流源式差動(dòng)放大器10.1.5 差動(dòng)電路的幾種接法差動(dòng)電路的幾種接法 10.1.1直接耦合電路直接耦合電路因?yàn)殡娙莸母糁弊饔靡约暗皖l時(shí)容抗加大，所以阻因?yàn)殡娙莸母糁弊饔靡约暗皖l時(shí)

2、容抗加大，所以阻容耦合只適用于放大頻率較高的交流信號(hào)。容耦合只適用于放大頻率較高的交流信號(hào)。對(duì)于直流信號(hào)和低頻信號(hào)，阻容耦合已不適用，必對(duì)于直流信號(hào)和低頻信號(hào)，阻容耦合已不適用，必須采用直接耦合方式。須采用直接耦合方式。R1+ECRCC1C2TRLuiuoR2能夠放大直流信號(hào)（包括慢變信號(hào)和低頻信號(hào)）的能夠放大直流信號(hào)（包括慢變信號(hào)和低頻信號(hào)）的放大器稱(chēng)為直流放大器。放大器稱(chēng)為直流放大器。建立靜態(tài)工作點(diǎn)建立靜態(tài)工作點(diǎn)+UCCuoRC2T21.前后級(jí)前后級(jí)Q點(diǎn)相互影響。（須增加點(diǎn)相互影響。（須增加RE2）問(wèn)題問(wèn)題:uiRC1R1T1R2RE22. .零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移: :前一級(jí)的溫漂將作為后一級(jí)

3、的輸前一級(jí)的溫漂將作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，被一級(jí)級(jí)放大，導(dǎo)致后級(jí)飽和或截入信號(hào)，被一級(jí)級(jí)放大，導(dǎo)致后級(jí)飽和或截止。（止。（須增加兩級(jí)之間的直流負(fù)反饋）須增加兩級(jí)之間的直流負(fù)反饋）直接耦合放大器的級(jí)聯(lián)直接耦合放大器的級(jí)聯(lián)1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)10.1.2基本型差動(dòng)放大器基本型差動(dòng)放大器(P250)+UCCRCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uo= uC1 - uC2 uC1uC22.優(yōu)點(diǎn)：抑制溫漂優(yōu)點(diǎn)：抑制溫漂 原理如下原理如下:uo= uC1 - uC2 = 0uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0當(dāng)當(dāng)ui1 = ui2 = 0 時(shí)，

4、時(shí)，當(dāng)溫度變化時(shí)：當(dāng)溫度變化時(shí)：對(duì)稱(chēng)性對(duì)稱(chēng)性u(píng)C1 = uC2 uC1 = uC2+UCCRCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uC1uC23.共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)ACuo= uC1 - uC2 +UCCRCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uC1uC2 當(dāng)當(dāng)ui1 = ui2（大小相等，極性相同），（大小相等，極性相同），共模輸入信號(hào)共模輸入信號(hào) 設(shè)設(shè)ui1 ， ui2 ，使，使uC1 ， uC2 。因。因ui1 = ui2， uC1 = uC2 uo= 0 (理想化理想化)。但因兩側(cè)不完全對(duì)稱(chēng)，。但因兩側(cè)不完全對(duì)稱(chēng)， uo 0共模電壓放大倍數(shù)共模電壓

5、放大倍數(shù) AC=uoui1（很小，（很小，1)設(shè)設(shè)ui1 ,ui2 , 使使uC1 ,uC2 。設(shè)。設(shè)uC1 =uC1 - uC1 , uC2 =uC2 + uC2 。因因ui1 = -ui2， uC1 = uC2 uo= uC1 - uC2=- uC1- uC2 =- 2 uC1 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù) Ad=uoui1 -ui2=uo2ui1 5.共模抑制比共模抑制比(CMRR)的定義的定義（P252）CMRR=20 log db(分貝分貝) ACAd例例: Ad=-200 Ac=0.1 CMRR=20 log (-200)/0.1 =66 dbCMRR Common Mode

6、Rejection Ratio 1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):10.1.3 雙電源長(zhǎng)尾式差放雙電源長(zhǎng)尾式差放特點(diǎn)：特點(diǎn)：加入射極電阻加入射極電阻R RE E加入負(fù)電源加入負(fù)電源- U- UEE EE ，采用正負(fù)雙電源供電，采用正負(fù)雙電源供電+UCC(+15V)RCR1T2RB uoRCR1T1RB ui2ui1uo= uC1 - uC2 uC1uC2-UEE （-15V）REui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）RE2.雙電源長(zhǎng)尾式差放中雙電源長(zhǎng)尾式差放中雙電源雙電源和和射極電阻射極電阻RE的作用的作用雙電源的作用：雙電源的作用： （1）使信號(hào)變化幅度加大。）使信號(hào)變化幅度

7、加大。 （2）IB1、IB2由負(fù)電源由負(fù)電源-UEE提供，可以取消提供，可以取消R1和和RB四個(gè)電阻，且使基極的直流靜態(tài)電位四個(gè)電阻，且使基極的直流靜態(tài)電位=0雙電源長(zhǎng)尾式差放中雙電源和射極電阻雙電源長(zhǎng)尾式差放中雙電源和射極電阻RE的作用的作用射極電阻射極電阻RE的作用：的作用：T C IC1 IC2 IE =IE1+IE2UE =IERE+（-UEE）UBE1 、UBE2 IB1 、IB2 IC1 IC2 uo+UCCRCT1RCT2-UEERE（1）直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)）直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)射極電阻射極電阻RE的作用：的作用：（2） RE對(duì)共模信號(hào)有抑制作用（原理同上，即由對(duì)共

8、模信號(hào)有抑制作用（原理同上，即由于于RE的負(fù)反饋?zhàn)饔茫沟呢?fù)反饋?zhàn)饔?，使IE基本不變）基本不變）ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REIEui1 =- ui2 ，設(shè)設(shè)ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = ie2 IE不變不變 結(jié)論：結(jié)論：IE具有恒具有恒流特性流特性用恒流源代用恒流源代替替RE ，可使，可使電路進(jìn)一步電路進(jìn)一步改善改善放大倍數(shù)放大倍數(shù)(1)共模信號(hào)輸入共模信號(hào)輸入 ui1 = ui2共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù) AC=uoui1(2)差模信號(hào)輸入差模信號(hào)輸入ui1 =- ui2ui1uo+UCC（+15V）

9、RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù) Ad=uoui1 -ui2= RCrbe 放大倍數(shù)放大倍數(shù)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2(3) 如果如果ui1 ui2ud差模分量差模分量:2ui1 - ui2=共模分量共模分量:uC2ui1 + ui2=ui1 = uC + udui2 = uC - ud 疊加疊加分解分解uC + uduC - ud結(jié)論結(jié)論:當(dāng)兩輸當(dāng)兩輸入端有任意輸入端有任意輸入時(shí)入時(shí),相當(dāng)于共相當(dāng)于共模輸入和差模模輸入和差模輸入共存輸入共存放

10、大倍數(shù)放大倍數(shù)ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2uC + uduC - ud只考慮共模輸入時(shí)只考慮共模輸入時(shí): uoC= ACuC只考慮差模輸入時(shí)只考慮差模輸入時(shí): uod= Ad(2ud) 總輸出總輸出: uo= uoC + uod = ACuC + Ad(2ud) Ad(2ud) = Ad(2 )= Ad (ui1 - ui2)2ui1 - ui2ud2ui1 - ui2=uC2ui1 + ui2=ui1uo+UCC（+15V）RCT1RCui2T2-UEE （-15V）REuo= uC1 - uC2總輸出總輸出: uo

11、= Ad (ui1 - ui2)反相輸入端u-同相輸入端u_+放大倍數(shù)放大倍數(shù)單端輸入單端輸入: 當(dāng)當(dāng) ui2=0時(shí)時(shí), 雙端輸入雙端輸入uo= Ad ui110.1.4 恒流源式差放電路恒流源式差放電路電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu):R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoERCT1RCT2ui1電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：IC3具有恒流特性具有恒流特性抑制溫漂的原理抑制溫漂的原理T C IC1 IC2 IC1+IC2 =IC3 =IE3 UBE3 =UB3-UE3R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoERCT1RCT2ui1IE3R2R1+R2（UCC-UEE）+（-UEE）UB3=認(rèn)為穩(wěn)定認(rèn)

12、為穩(wěn)定UE3 =IE3R3-UEEIC3 結(jié)論：結(jié)論：IC3保持恒流，對(duì)共模保持恒流，對(duì)共模信號(hào)抑制，對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)信號(hào)抑制，對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路于短路加入溫度補(bǔ)償三極管加入溫度補(bǔ)償三極管T4（BC短接，相當(dāng)于二極管）短接，相當(dāng)于二極管）R2T3R1R3-UEEIC3+UCCui2uoEB2RCT1RCT2ui1IE3IE4T C IE3 IE4 (UCC+UEE- UBE4)/ (R1+R2) 恒定恒定T C UBE4 iBuBET C IE4恒定恒定UBE4減小減小T4 UBE4 UB3 IE3 結(jié)論結(jié)論:T4穩(wěn)定穩(wěn)定IE3恒流源相當(dāng)于阻值很大的電阻。恒流源相當(dāng)于阻值很大的電阻。恒流源不影

13、響差模放大倍數(shù)。恒流源不影響差模放大倍數(shù)。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，從而增恒流源使共模放大倍數(shù)減小，從而增加共模抑制比。理想的恒流源相當(dāng)于加共模抑制比。理想的恒流源相當(dāng)于阻值為無(wú)窮大的電阻，所以共模抑制阻值為無(wú)窮大的電阻，所以共模抑制比無(wú)窮大。比無(wú)窮大。恒流源的作用恒流源的作用R2T3R1R3-UEE+UCCui2ERC1T1RC1T2ui1T4T1T2RC2RC2RE2單端輸出單端輸出 , 至下一級(jí)至下一級(jí)雙端輸出雙端輸出雙端輸入雙端輸入如單端輸出如單端輸出,此此RC2可去消可去消10.1.5 差放電路的幾種接法差放電路的幾種接法（P252）接法類(lèi)型：?jiǎn)味溯斎?，雙端輸入。單端輸出，雙端輸出。

14、接法類(lèi)型：?jiǎn)味溯斎?，雙端輸入。單端輸出，雙端輸出。+UCCUEEuu+輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí) 輸出級(jí)輸出級(jí)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 輸入級(jí)：輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放信號(hào)，都采用帶恒流源的差放 。 中間級(jí)：中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 輸出級(jí)：輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路或射極輸出器構(gòu)成。力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路或射

15、極輸出器構(gòu)成。uu+ uo集成運(yùn)算放大器符號(hào)集成運(yùn)算放大器符號(hào) 反相輸入端反相輸入端 u同相輸入端同相輸入端 u+ 輸出端輸出端 uo美國(guó)符號(hào)：美國(guó)符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：國(guó)內(nèi)符號(hào)：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)(P254)(1) (1) 開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)( (開(kāi)環(huán)增益開(kāi)環(huán)增益) )大大 A Auouo=u=uo o/(u/(u+ +-u-u- -)=10)=105 5-10-107 7倍倍; ;(2) (2) 共模抑制比高共模抑制比高 CMRR=100dbCMRR=100db以上以上; ;(3) (3) 輸入電阻大輸入電阻大 r ri i1M1M , , 有

16、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 理想運(yùn)放：理想運(yùn)放：10.2.2 10.2.2 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 CMRR ri ro 0Ui0 0，Ii0 0uo =Ao (u+ u) Ao u+ u 0u+ uuo uu+ ib-ib+ u+ =u ib-= ib+ =0 ri ib- 0 ib+ 0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（P255P255）輸出電壓變化范圍輸出電壓變化范圍:最大最大+UCC -UEE集成運(yùn)算放大器的分析方法集成運(yùn)算放大

17、器的分析方法: :放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)uo uu+ ib-ib+RL放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)，放大倍數(shù)可以關(guān)，放大倍數(shù)可以獨(dú)立計(jì)算。獨(dú)立計(jì)算。ro運(yùn)放運(yùn)用運(yùn)放運(yùn)用信號(hào)的放大、運(yùn)算信號(hào)的放大、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)放的應(yīng)用中，運(yùn)放的輸出與輸入在運(yùn)放的應(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.3010.3 10.3 模擬信號(hào)的放大和運(yùn)算電路模擬信號(hào)的放大和運(yùn)算電路(1) 反相比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算放大器_+ + RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虛地點(diǎn)虛地點(diǎn)i1=iF+ ib-=iF , ib- =0 ib+

18、 =0u+ =0 u=u+=0R RP P=R=R1 1/R/RF F2o1iRuRu F電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù):1210uRRuuA iF31_+ + RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例題例題1. R1=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，RP應(yīng)為多大？應(yīng)為多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo= Au ui=(-2)(-1)=2VRP=R1/RF=10/20=6.7 k 32反相比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算放大器輸入電阻及反饋方式：輸入電阻及反饋方式：ri=R1輸入電阻輸入電阻(小小):uo_+ + RFR1RPuii1iFi

19、b-ib+反饋電阻反饋電阻反饋方式：反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋i1=iF+ ib- ib-= i1-iF+-33(2) 同相比例運(yùn)算放大器同相比例運(yùn)算放大器u-= u+= uiib+ =0ib- =0_+ + RFRfRPuiuoiFifAu=1+RFRfiF=ifR RP P=R=Rf f/R/RF F1i2ioRuRuu Ffi12ou)RR1(u Ff)34_+ + RFRfRPuiuoiFif例題例題2. Rf=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，RP應(yīng)為多大？應(yīng)為多大？uo= Au ui=(3)(-1)=-3VRP=Rf/RF =

20、10/20=6.7 k Au=1+ =1+20/10=3RFRf35_+ + RFRfRPuiuoAu=1+RFRf當(dāng)當(dāng)RF=0時(shí)時(shí),Au=1uo=ui(3) 電壓跟隨器電壓跟隨器此電路是電壓串此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分在電路中作用與分離元件的射極輸出離元件的射極輸出器相同，但是電壓器相同，但是電壓跟隨性能好。跟隨性能好。+36(4) 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1)uu(RRu1i2i12o ib+ =0ib- =0ui2R2 R1 + R2 u+ =u- = u+ u- =uo R1 +

21、 ui1 R2 R1 + R2 uo R1 + ui1 R2 R1 + R2 ui2R2 R1 + R2 =37以上電路的比較歸納：以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小。阻都比較小。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，反相輸入的輸入電阻小， 同相輸入的輸入電阻高。同相輸入的輸入電阻高。3.以上放大器均可級(jí)聯(lián)以上放大器均可級(jí)聯(lián),級(jí)聯(lián)時(shí)放大倍數(shù)級(jí)聯(lián)時(shí)放大倍數(shù)分別獨(dú)立計(jì)算。分別獨(dú)立計(jì)算。38例題例題3. R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V， ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo_+

22、+ R2R1R1R2ui1_+ + ui2_+ + R2R1RPuo= (uo2- uo1)=(20/10)3-(-1) =8VR2R1uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V39例題例題3. 若若ui1=sin t V， ui 2=1V =1V ，求，求: :uo uo1= ui1= sin t Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3Vuo= (uo2 - uo1)=(20/10)(3- sin t )=6 - 2 sin t VR2R140(5) 反相求和運(yùn)算：反相求和運(yùn)算：P260_+ + RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虛地虛地uo =-(ui1

23、R1 RF +ui2 R2 RF )若若R1 =R2 =R, uo = -(ui1 R RF +ui2 )取取RP= R1/ R2/RFuo_+ + RFR1RPui0uu ib+ =0ib- =0,i1 + i2= iFui1 R1 =ui2 R2 +-uo RF 41(6) 同相求和運(yùn)算：同相求和運(yùn)算：Au= RFRf1+uo = Au u+ =( )( + ) RFRf1+R2 R1 + R2 ui1R1 R1 + R2 ui2取取R1/R2=RF/Rf當(dāng)當(dāng)R1 = R2 時(shí)時(shí), uo = ( )(ui1 + ui2)RFRf1+12RfRF+u i1uoR1R2ui2-u+ _+ +

24、RFRfRPuiuo42(7) 微分運(yùn)算：微分運(yùn)算：u-= u+= 0RuioF dtduCii1 F1ii dtduRCuio u i+uoRR2i1iFCib- =043)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC9044(8) 反相積分運(yùn)算反相積分運(yùn)算Ruii1 dtduCioF dtuRC1uioF1ii i1iFu i-+RRPCuoucuc = -uoib+ =0ib- =0,iF =Cducdt-CduodtuiR=u-= u+= 045反相積分器：反相積分器：如果如果u i=直流電壓直流電壓U,輸出