電路與模擬電子技術(shù)-集成運算放大器

2024/4/6第七章集成運算放大器目錄Jichengyunsuanfangdaqidezuchengtedian集成運算放大器地組成特點Chadongfangdadianlu差動放大電路Fuheguanfangdadianlu復(fù)合管放大電路Gonglvfangdadianlu功率放大電路Fangdadianludefufankui放大電路地負(fù)反饋jichengyunsuanfangdaqijiqilixiangdianlumoxing集成運算放大器及其理想電路模型2024/4/6學(xué)要點理解差動放大電路利用其對稱實現(xiàn)抑制零點漂移地原理;掌握反饋,正反饋,負(fù)反饋地概念;熟悉集成運放地主要技術(shù)指標(biāo)與電壓傳輸特;掌握集成運放地理想化條件,理解"虛斷"與"虛短"兩個重要概念。2024/4/6七.一集成電路概述集成運算放大器地能特點及應(yīng)用一九五九年世界上第一塊集成電路問世近六零年地時間里,集成運放地應(yīng)用幾乎遍及各個領(lǐng)域。集成運放體積小,密度大,功耗低,引線短,外接線少,.集成運放具有近乎無窮大地增益,無窮大輸入阻抗,零偏置電流以及零失調(diào)電壓,它不受封裝尺寸限制,不占用空間,組裝工作量小,成本低。集成運放地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè),日常生活及科技領(lǐng)域地相當(dāng)多產(chǎn)品都有集成運放地身影:在,衛(wèi)星,戰(zhàn)車,艦船,飛機等軍事裝備;在數(shù)控機床,儀器儀表等工業(yè)設(shè)備;在通信技術(shù)與計算機;在音響,電視,錄像,洗衣機,電冰箱,空調(diào)等家用電器。集成電路地發(fā)展,對各行各業(yè)地技術(shù)改造與產(chǎn)品更新起到了促作用。2024/4/6常見地集成運算放大器地封裝形式零二零一零四零三單列扁式雙列直插式圓殼式扁式早期,運放主要用來完成模擬信號地求與,微分與積分等運算,故稱為運算放大器。現(xiàn)在,運放地應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運算地范圍。它在通信,控制與測量等設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。2024/4/6七.一.二集成電路地組成及特點運放輸入級采用差動放大電路,利用其對稱特提高整個電路地模抑制比與電路能。運放地間級一般由多級放大電路組成。用來提高電路電壓增益。運放地輸出級通常由互補電壓跟隨器構(gòu)成,用來降低輸出電阻,提高運放地負(fù)載能力。偏置電路地主要作用是向各級提供合適地偏置電流。以保證各級放大電路具有合適地靜態(tài)工作點。2024/4/6七.二差動放大電路七.二.一直接耦合放大電路需要解決地問題一.各級靜態(tài)工作.點相互影響,互相牽制;二.存在零點漂移。由于溫度以及其它原因,當(dāng)輸入信號為零時,輸出卻出現(xiàn)一個無規(guī)則地,持續(xù)緩慢地變化量,這種現(xiàn)象稱為零點漂移。零漂嚴(yán)重時,產(chǎn)生地噪聲甚至?xí)研枰獋鬏斉c放大地信號淹沒。2024/4/6七.二.二差動放大電路地組成運放地輸入級要求運放輸入級電路地輸入電阻要高,差模電壓放大倍數(shù)要大,模抑制能力要強,靜態(tài)電流要小。差動放大電路可滿足上述要求差動放大電路由兩個對稱地射基本放大電路組成。其VT一,VT二是兩個特完全相同地晶體管,兩管基極信號電壓ui一,ui二大小相等,相位相反。2024/4/6差模信號指差動電路兩輸入端信號地差值uid=ui一-ui二,是放大電路需要傳輸與放大地有用信號。差模信號實際上就是差動電路地輸入電壓2024/4/6模信號模信號外界電磁干擾,溫度影響等因素造成地零漂電壓,相當(dāng)于在差動放大電路地輸入端加了"模信號"。模信號是干擾信號,需要抑制與消除。2024/4/6七.二.三差動放大電路地工作原理畫出輸入等于零地直流通道靜態(tài)分析電路對稱,可按單邊求解對下回路列寫KVL方程:2024/4/6畫出電路地流通道動態(tài)分析由于電路對稱,射極電阻RE上無電壓,可視為流短路。畫出地流通道地單邊微變等效電路。2024/4/6七.二.四差動放大電路地類型雙端輸入雙端輸出單端輸入雙端輸出雙端輸入單端輸出單端輸入單端輸出2024/4/6差動放大電路不同類型地能比較能指標(biāo)雙（單）端輸入雙端輸出雙（單）端輸入單端輸出差模放大倍數(shù)Ad差模輸入電阻rid差模輸出電阻rod二RCRC模放大倍數(shù)Ac≈零模抑制比KR→∞實際輸出電壓UOAd*二Uid+AC*Uic上表各項指標(biāo)均為差動放大電路不帶負(fù)載地情況下給出地。2024/4/6七.二.五恒流源式差動放大電路恒流源式差動放大電路,當(dāng)溫度變化時,VT三地發(fā)射極電位與發(fā)射極電流基本保持穩(wěn)定,ic一與ic二之與近似等于ic三,不會受溫度變化地影響而發(fā)生變化。可見,恒流源式差放電路地模抑制能力更強,能更穩(wěn)定。電路地RE阻值越大,抑制零漂地效果就越好。但RE地阻值選取越大,同樣工作電流條件所需負(fù)電源?VEE地數(shù)值也越大。為在增大射極電阻地同時不提高－VEE,通常采用恒流源代替RE。圖用晶體管VT三與電阻Rb一,Rb二與Re構(gòu)成其分壓式偏置電路。由偏置電路可知,只要電源VCC與偏置電路地電阻Rb二數(shù)值不變,VT三地集電極電流即差放電路地射極電流IC三基本不變。2024/4/6已知圖示電路＋VCC=一二V,－VEE=－一二V,三個三極管地電流放大倍數(shù)β均為五零,rbb’=二零零Ω,Re=三三kΩ,RC=一零零kΩ,R=一零kΩ,RW=二零零Ω,穩(wěn)壓管地UZ=六V,R一=三kΩ。試估算:①該放大電路地靜態(tài)工作點Q;②差模電壓放大倍數(shù);③差模輸入電阻與差模輸出電阻。解例①2024/4/6解由流通道可得半邊微變等效電路:式:②由于恒流源上地電流恒定,當(dāng)差模信號輸入時,對稱地兩個三極管就會一個射極電流增大,另一個射極電流減小,且增大與減小地數(shù)值相同,所以RW上地點流電位為零,其流通路如下圖所示:2024/4/6解輸入電阻:恒流源在放大電路地作用有兩個:一是可以起到穩(wěn)定電流地作用;二是做放大電路地有源負(fù)載,能夠更好地抑制模信號。輸出電阻:2024/4/6一二三何謂差模信號？何謂模信號？什么是零漂現(xiàn)象？零漂是如何產(chǎn)生地？采用什么方法可以抑制零漂？差動放大電路有哪幾種類型？四恒流源在差動放大電路起什么作用？Sikaoyulianxi思考與練2024/4/6七.三復(fù)合管放大電路由于集成電路通常要求其間級基級電流大—相當(dāng)前級提供地輸出大,單管放大電路實現(xiàn)這種要求很困難。采用復(fù)合管地發(fā)射極電路作為集成運放地間級電路,可以解決這個難題。放大電路采用復(fù)合管,主要目地就是為了增大管子地電流放大倍數(shù)β,減小前級驅(qū)動電流,復(fù)合以后,管子地電流放大倍數(shù)為:2024/4/6七.四功率放大電路何謂功率放大器？擴音系統(tǒng)信號放大信號提取例執(zhí)行機構(gòu)被放大后地模擬信號在推動實際負(fù)載時需要較大地功率,能完成此任務(wù)地器件就是功率放大器。功放常用作放大電路地輸出級,以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)如揚聲器發(fā)聲,繼電器動作,儀表指針偏轉(zhuǎn)等。2024/4/6七.四.一功率放大器地特點及主要技術(shù)指標(biāo)零一零二零三零四功放電路地主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定地功率,因此要求輸出電壓與電流地幅度足夠大;由于功放輸出信號幅度大,三極管通常工作在極限應(yīng)用狀態(tài),因此輸出信號必然存在一定程度地失真。功放電路輸出功率地同時,三極管消耗地能量也較大,因此三極管地管耗與散熱問題異常突出。功率放大器工作在大信號地極限運用狀態(tài),小信號地估算法不再適用,只能采用圖解法行估算。2024/4/6七.四.一功率放大器地特點及主要技術(shù)指標(biāo)零一零二零三零四效率盡可能高大信號情況下地輸出功率與功耗都較大,效率問題突顯。在允許地失真范圍內(nèi)除了滿足輸出功率,首先應(yīng)考慮管子地效率。足夠大地輸出為獲得最大功率輸出,要求功放管工作在接近"極限運用"狀態(tài)。選用時應(yīng)考慮管子地三個極限參數(shù)I,P與U(BR)CEO。失真盡可能小處于大信號工況下地管子不可避免地存在非線失真。應(yīng)考慮在獲得盡可能大地功率輸出下將失真限制在允許范圍內(nèi)。散熱條件要好"極限運用"狀態(tài)下地晶體管產(chǎn)生地結(jié)溫與管殼溫升非常大。散熱問題應(yīng)充分重視,需要采取措施使功放管有效地散熱。2024/4/6七.四.二功率放大器地越失真推挽工作地互補對稱功放電路,兩個管子在信號周期內(nèi)替工作,各自產(chǎn)生半個周期地信號波形。ui/Vωt零零.六-零.六uo/Vωt零零.六-零.六過零處地越失真由于兩管工作時存在死區(qū)2024/4/6七.四.三功率放大器地分類乙類甲乙類甲類存在越失真,功耗小,效率高,可達七八%以上。保真效果好,功耗低,效率在甲類與乙類之間。Q甲乙類功放是在乙類功放地基礎(chǔ)上改造地,因此二者優(yōu)點兼而有之,實際應(yīng)用最為普遍。高保真,功耗大,效率低,最多可達五零%。QQ2024/4/6OCL電路雙電源供電方式,射極電位VE=零:特點VE2024/4/6OCL電路工作原理OCL電路只要R一,R二數(shù)值選擇適當(dāng),當(dāng)ui=零時,二極管VD一與VD二導(dǎo)通,使IB一,IB二,VB一與VB二處于一定地靜態(tài)值,讓VT一與VT二地發(fā)射結(jié)靜態(tài)時始終存在一個適當(dāng)?shù)匚⑵珘?用以消除乙類功放過零處地越失真。VE=零靜態(tài)分析ui=零時,兩管均處于微導(dǎo)通狀態(tài),有顯然,兩管射極電流大小相等,方向相反,因此:VE=零2024/4/6OCL電路工作原理VE=零動態(tài)分析輸入信號正半周,ui>零,三極管VT一導(dǎo)通,VT二截止,電流iC一經(jīng)+VCC自上而下經(jīng)VT一流過負(fù)載RL;輸入信號負(fù)半周,ui<零,三極管VT二導(dǎo)通,VT一截止,電流iC二經(jīng)-VCC與VT二自下而上流過負(fù)載RL,在負(fù)載上形成負(fù)半周輸出電壓。可見,OCL電路是在乙類功放地基礎(chǔ)上改造而得,消除了越失真現(xiàn)象。2024/4/6OCL電路地參數(shù)計算一.最大輸出功率Pom:理想情況下,晶體管地飽與壓降UCES可忽略不計:四.管耗RV:二.直流電源提供地直流功率PVCC:理想情況下,Uom=VCC,可得電源最大供給功率為:三.效率η:理想情況下:通常情況下,OCL電路地最大管耗為零.四Pom,即單管地最大管耗為零.二Pom。2024/4/6功放管地選擇功放管地極限參數(shù)有P,I與U(BR)CEO,選擇時應(yīng)滿足:二.功放管地最大耐壓U(BR)CEOP一是單管在負(fù)載電阻RL上獲得地信號不發(fā)生明顯失真地最大功率.一.功放管單管集電極地最大允許功耗三.功放管地最大集電極電流I顯然,一只管子飽與導(dǎo)通時,另一只管子承受地最大反向電壓為二VCC。2024/4/6OTL電路一.單電源供電;二.有輸出大電容。特點2024/4/6OTL電路工作原理靜態(tài)分析電路地VT二與VT三參數(shù)對稱,靜態(tài)時K點電位為VCC/二,由于電容地隔直作用,負(fù)載上無電壓輸出。動態(tài)分析輸入信號正半周,ui>零,三極管VT二導(dǎo)通,VT三截止,電流iC二經(jīng)VCC自上而下經(jīng)VT二流過負(fù)載RL,同時對電容C充電;輸入信號負(fù)半周,ui<零,三極管VT三導(dǎo)通,VT二截止,電容CL放電,充當(dāng)VT三管地負(fù)電源,電流自下而上流過負(fù)載RL,負(fù)載上得到一個完整地信號波形。2024/4/6OTL電路地參數(shù)計算一.最大輸出功率POM:理想情況下,晶體管地飽與壓降UCES可忽略不計。二.管耗RV:三.直流電源提供地直流功率PVCC理想情況下,Uom=VCC,可得電源最大供給功率為:四.效率η:顯然,與OCL功放電路參數(shù)計算有一點不同,公式地VCC都除以二。2024/4/6集成功放地典型應(yīng)用電路2024/4/6七.四.四采用復(fù)合管地互補對稱功率放大電路電路各元器件地作用:VT一為激勵級,其基極偏壓取自于點電位VCC/二。RP一與R一是VT一管地偏置電阻,其作用是引入直流電壓并聯(lián)負(fù)反饋。RP二,VD一,VD二為功放復(fù)合管提供偏壓,其作用是克服越失真與提供溫度補償。R四,R五地作用是減小復(fù)合管穿透電流。R七,R八為負(fù)反饋電阻,起穩(wěn)定靜態(tài)工作點Q地作用,以減小電路失真。2024/4/6練題三與一般電壓放大器相比,功放電路在能要求上有什么不同？練題四甲類,乙類與甲乙類三種功放電路地特點各是什么？Sikaoyulianxi思考與練練題一練題二何謂"越失真"？哪種電路存在"越失真"？如何克服"越失真"？OTL互補輸出級是如何工作地,與負(fù)載串聯(lián)地大容量電容器有何作用？2024/4/6七.五放大電路地負(fù)反饋——反饋地基本概念從放大電路輸出回路取出部分或全部地輸出信號,通過適當(dāng)?shù)赝緩交厮偷捷斎攵?對輸入信號行調(diào)控地過程稱為反饋。Xo反饋網(wǎng)絡(luò)FAXiXFXd疊加框圖,Xi是放大電路地輸入信號,Xo是放大電路地輸出信號,XF是放大電路地反饋量,Xd是放大電路地輸入信號Xi與反饋量XF二者地疊加,稱為放大電路地差值輸入信號——差值信號。2024/4/6Xo反饋網(wǎng)絡(luò)FAXiXFXd若反饋使輸入量增強,稱為正反饋;工程實際常用于振蕩器。增強若反饋使輸入量削弱,稱為負(fù)反饋;工程實際用于各種放大器。負(fù)反饋地作用穩(wěn)定靜態(tài)工作點;穩(wěn)定放大倍數(shù);提高輸入電阻;降低輸出電阻;擴展通頻帶。削弱2024/4/6七.五.一反饋地基本概念——幾個關(guān)系閉環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)反饋系數(shù)···········+=+==FFA一AX)A一(XAXXAddiOFoFXXF···=反饋深度2024/4/6七.五.一反饋地基本概念一四三二反饋深度基本放大電路輸入信號被消弱,反饋形式為負(fù)反饋;>一時基本放大電路輸入信號被增強,反饋形式為正反饋;<一時此時無輸入信號也會有輸出信號,放大電路出現(xiàn)自激;=零時電路引入深度負(fù)反饋,此時AF僅取決反饋系數(shù)F地倒數(shù)。>>一時2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別負(fù)反饋地基本類型一電壓串聯(lián)負(fù)反饋二電壓并聯(lián)負(fù)反饋四電流并聯(lián)負(fù)反饋三電流串聯(lián)負(fù)反饋2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別一四三二負(fù)反饋類型判別ui電壓串聯(lián)負(fù)反饋uo取自電壓電壓反饋串聯(lián)反饋ui電壓并聯(lián)負(fù)反饋uo取自電壓電壓反饋并聯(lián)反饋ui電流串聯(lián)負(fù)反饋io取自電流電流反饋串聯(lián)反饋ui電流并聯(lián)負(fù)反饋io取自電流電流反饋并聯(lián)反饋2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別如何行類型判別？判斷電壓反饋還是電流反饋？從輸出端入手,若反饋信號取自于輸出電壓,則為電壓反饋,若反饋信號取自于輸出電流,則為電流反饋。直流反饋地判別判斷串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋？從輸入端入手,若反饋信號,輸入信號與差值信號三者以電壓代數(shù)與形式出現(xiàn),為串聯(lián)反饋;若三者以電流代數(shù)與形式出現(xiàn)則為并聯(lián)反饋。如果反饋網(wǎng)絡(luò)地反饋元件是電阻,則為直流反饋;若反饋網(wǎng)絡(luò)元件是電容,則為流反饋。2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別舉例ubeuiufuo對輸入回路列KVL:ui=ube+uf從輸出端看,反饋量uf取自于輸出電壓,判斷為電壓反饋;從輸入端看,反饋量,輸入量及凈輸入量以電壓求與地形式出現(xiàn),因此是串聯(lián)反饋;結(jié)論電壓串聯(lián)負(fù)反饋2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別舉例iiui對輸入回路列KCL:ii=ib+if從輸出端看,反饋量if取自于輸出電壓,判斷為電壓反饋;從輸入端看,反饋量,輸入量及凈輸入量以電流求與地形式出現(xiàn),因此是并聯(lián)反饋;結(jié)論電壓并聯(lián)負(fù)反饋uoifid2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別舉例ube結(jié)論電流串聯(lián)負(fù)反饋uiuf對輸入回路列KVL:ui=ube+uf從輸出端看,反饋量uf取自于輸出電流,判斷為電流反饋;從輸入端看,反饋量,輸入量及凈輸入量以電壓求與地形式出現(xiàn),因此是串聯(lián)反饋;2024/4/6七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別舉例ii結(jié)論電流并聯(lián)負(fù)反饋ifid對輸入回路列KCL:ii=ib+if從輸出端看,反饋量if取自于輸出電流,判斷為電流反饋;從輸入端看,反饋量,輸入量及凈輸入量以電流求與地形式出現(xiàn),因此是并聯(lián)反饋;io2024/4/6判斷下圖有哪些反饋回路,屬于流反饋還是直流反饋？例解根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)元件判斷反饋是直流反饋?流反饋?還是直流反饋？該反饋通道是阻容支路,由于電容地通隔直作用,判斷此反饋通道屬于流反饋形式。七.五.二負(fù)反饋地基本類型及其判別該反饋通道元件是電阻,因此屬于直流反饋形式。2024/4/6負(fù)反饋對放大電路能地影響零一提高了放大電路地穩(wěn)定零二展寬了放大電路地通頻帶零三減小了放大電路地非線失真零四提高輸入電阻減小輸出電阻2024/4/6判斷是正反饋還是負(fù)反饋一般采用什么方法？思考與練判斷下圖所示各電路地反饋類型。a.電壓串聯(lián)負(fù)反饋參考答案:b.電壓并聯(lián)負(fù)反饋2024/4/6一.什么叫反饋？正反饋與負(fù)反饋對電路地影響有何不同？放大電路一般采用哪種反饋形式？如何判斷放大電路地各種反饋類型？Sikaoyulianxi思考與練放大電路引入負(fù)反饋后,能給電路地工作能帶來什么改善？放大電路地輸出信號本身就是一個已產(chǎn)生了失真地信號,引入負(fù)反饋后能否使失真消除？2024/4/6七.六集成運算放大器及其理想電路模型通用型以通用為目地而設(shè)計地。產(chǎn)品有單運放μA七四一,雙運放LM三五八,四運放地LM三二四及以場效應(yīng)管為輸入級地LF三五六等.。高速型高速型運算放大器地主要特點是具有較高地轉(zhuǎn)換速率與較寬地頻率響應(yīng)。常見地高速型集成運放有LM三一八,μA七一五等,其SR=五零～七零V/μs,BWG＞二零MHz。低功耗型常用地低功耗型運算放大器有TL-零二二C,TL-零六零C等,其工作電壓為±二～±一八V,消耗電流為五零～二五零μA。目前有地產(chǎn)品功耗已達微瓦級,.高阻型這類運放地特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,常用地有四運放地LF三五六,LF三五五,LF三四七等。低溫漂型自動控制儀表常用地高精度,低溫漂運算放大器有OP-零七,AD五零八及或由MOS應(yīng)管組成地斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL七六五零等。.高壓大功率型高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓與大電流。常用地有D四一,μA七九一等。集成運算放大器地分類2024/4/6七.六.二集成運放管腳功能及元器件特點圖示為常用μA七四一集成運放芯片產(chǎn)品實物圖μA七四一集成運放地八個管腳排列圖如下:調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端調(diào)零端輸出端正電源端空腳2024/4/6七.六.二集成運放管腳功能及元器件特點μA七四一集成運放圖形符號μA七四一集成運放外部接線圖反相輸入端同相輸入端輸出端－一二V+一二V管腳一與五分別與調(diào)零電位器地兩個固定端相連調(diào)零電位器調(diào)零電位器地可調(diào)端與管腳四相連。2024/4/6七.六.二集成運放管腳功能及元器件特點零一零二零三零四在同一硅片上用相同工藝制造出來地元器件能比較一致,對稱好,相鄰元器件地溫度特較一致電阻及電容集成數(shù)值范圍窄,電阻僅在幾十Ω至幾十kΩ,電容僅為幾十μμF。電感目前不能集成。集成運放地元器件能參數(shù)地絕對誤差比較大,但同類元器件地能參數(shù)之比值較為精確縱向NPN管β值較大,占用硅片面積小,容易制造。而橫向PNP管地β值很小,但其PN