模電課件25第七章集成運(yùn)放概述

第七章集成運(yùn)放概述本章介紹集成運(yùn)放的基本概念、特性和應(yīng)用。集成運(yùn)放是一種重要的模擬電路元件，被廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中。ffbyfsadswefadsgsa集成運(yùn)放的定義集成運(yùn)放是將放大電路集成在一片半導(dǎo)體芯片上的運(yùn)算放大器，也稱為運(yùn)放。運(yùn)放具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特點(diǎn)，可用于模擬電路的各種應(yīng)用，如信號放大、濾波、信號處理等。集成運(yùn)放的特點(diǎn)高增益集成運(yùn)放具有很高的開環(huán)電壓增益，通常在105到106之間，因此可以放大微弱的信號。高輸入阻抗集成運(yùn)放的輸入阻抗很高，通常在106歐姆以上，因此幾乎不影響輸入信號。低輸出阻抗集成運(yùn)放的輸出阻抗很低，通常在幾十歐姆以下，可以輕松驅(qū)動(dòng)負(fù)載。低功耗集成運(yùn)放的功耗很低，通常在幾毫瓦到幾十毫瓦之間，適合各種應(yīng)用場景。集成運(yùn)放的分類通用型運(yùn)放通用型運(yùn)放是最常見的類型，應(yīng)用廣泛，具有良好的性能指標(biāo)，適合大多數(shù)應(yīng)用場景。單電源運(yùn)放單電源運(yùn)放僅需要一個(gè)電源供電，適用于需要降低功耗或使用單電源的應(yīng)用場合。多輸入運(yùn)放多輸入運(yùn)放具有多個(gè)輸入端，可以實(shí)現(xiàn)多種信號的運(yùn)算和處理，例如求和、平均等。高頻運(yùn)放高頻運(yùn)放具有較高的帶寬和快速響應(yīng)速度，適用于需要處理高頻信號的應(yīng)用場合，例如高速數(shù)據(jù)采集和信號放大。集成運(yùn)放的符號表示三角形符號三角形符號是最常用的集成運(yùn)放符號。它由一個(gè)三角形表示，三角形的頂點(diǎn)指向輸出端，底部兩個(gè)頂點(diǎn)分別表示輸入端。圓形符號圓形符號也被廣泛使用。它由一個(gè)圓形表示，圓形內(nèi)包含一個(gè)“+”號和一個(gè)“?”號，分別表示非反相輸入端和反相輸入端。集成運(yùn)放的引腳功能電源引腳集成運(yùn)放通常有兩個(gè)電源引腳，分別為正電源和負(fù)電源，用于為運(yùn)放提供工作電壓。輸入引腳運(yùn)放有兩個(gè)輸入引腳，分別為反相輸入端和同相輸入端，用于接收輸入信號。輸出引腳運(yùn)放有一個(gè)輸出引腳，用于輸出放大后的信號。接地引腳運(yùn)放通常有一個(gè)接地引腳，用于連接電路的公共接地。集成運(yùn)放的基本參數(shù)11.輸入偏置電流輸入偏置電流是指運(yùn)放輸入端流入或流出芯片的電流，通常非常微小，但會(huì)影響運(yùn)放的性能。22.輸入偏置電壓輸入偏置電壓是指運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間所需要的最小電壓差，以使輸出電壓為零。33.輸入阻抗輸入阻抗是指運(yùn)放輸入端對信號源的阻抗，理想情況下輸入阻抗應(yīng)為無窮大，但實(shí)際運(yùn)放的輸入阻抗是有限的。44.輸出阻抗輸出阻抗是指運(yùn)放輸出端對負(fù)載的阻抗，理想情況下輸出阻抗應(yīng)為零，但實(shí)際運(yùn)放的輸出阻抗是有限的。理想運(yùn)放的特性無限大的開環(huán)增益理想運(yùn)放的開環(huán)增益是無限大的。這意味著即使輸入信號非常微弱，輸出信號也會(huì)被放大到無限大。無限大的輸入阻抗理想運(yùn)放的輸入阻抗是無限大的，意味著它不會(huì)從輸入信號中吸收任何電流。零輸出阻抗理想運(yùn)放的輸出阻抗為零，這意味著它可以提供任何電流，而不會(huì)影響輸出電壓。無限寬的帶寬理想運(yùn)放的帶寬是無限寬的，這意味著它可以放大任何頻率的信號，而不會(huì)引入任何頻率失真。理想運(yùn)放的等效電路輸入端理想運(yùn)放的輸入端是兩個(gè)理想的電壓源，輸入阻抗無限大，即使輸入電壓有微小的變化，也不會(huì)產(chǎn)生任何電流，因此可以認(rèn)為輸入端是一個(gè)開路。輸出端理想運(yùn)放的輸出端是一個(gè)電壓控制電壓源，即輸出電壓是由輸入電壓決定的，且輸出阻抗為零，這意味著輸出電壓可以不受負(fù)載的影響而保持穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)放的特性有限的開環(huán)增益實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)增益并非無限大，而是有限的。它的數(shù)值通常在10^4到10^6之間。非零的輸出阻抗實(shí)際運(yùn)放的輸出阻抗并非零，而是存在一定的值。輸出阻抗的存在會(huì)導(dǎo)致輸出電壓因負(fù)載變化而變化。有限的帶寬實(shí)際運(yùn)放的帶寬并非無限寬，而是存在一個(gè)截止頻率。當(dāng)信號頻率超過截止頻率時(shí)，運(yùn)放的增益會(huì)下降。非理想的輸入阻抗實(shí)際運(yùn)放的輸入阻抗并非無限大，而是存在一定的值。輸入阻抗的存在會(huì)導(dǎo)致輸入信號在進(jìn)入運(yùn)放之前被衰減。實(shí)際運(yùn)放的等效電路基本等效電路實(shí)際運(yùn)放可以等效為一個(gè)理想運(yùn)放、輸入電阻、輸出電阻和一個(gè)與輸出電壓成比例的電流源。這個(gè)等效電路能夠反映實(shí)際運(yùn)放的特性，例如輸入偏置電流、輸入偏置電壓、輸出阻抗等等。更詳細(xì)的等效電路更詳細(xì)的等效電路將運(yùn)放的輸入和輸出電容考慮進(jìn)去，以便更準(zhǔn)確地反映實(shí)際運(yùn)放的高頻特性。輸入電容會(huì)影響運(yùn)放的輸入阻抗，而輸出電容會(huì)影響運(yùn)放的輸出阻抗和頻率響應(yīng)。實(shí)際運(yùn)放的典型參數(shù)開環(huán)增益開環(huán)增益也稱為放大倍數(shù)，表示運(yùn)放輸出電壓與輸入電壓之比，通常用A0表示。帶寬帶寬是指運(yùn)放開環(huán)增益下降到3dB時(shí)對應(yīng)的頻率范圍，通常用fT表示。共模抑制比共模抑制比表示運(yùn)放對共模信號的抑制能力，通常用CMRR表示。輸入阻抗輸入阻抗是指運(yùn)放輸入端到地之間的阻抗，通常用Rin表示。運(yùn)放的輸入偏置電流定義輸入偏置電流是指運(yùn)放輸入端流入或流出輸入端的電流。它主要由輸入級晶體管的基極電流構(gòu)成。影響輸入偏置電流會(huì)引起輸入電壓的偏移，對運(yùn)放的輸出產(chǎn)生影響，尤其是在高阻抗電路中。測量可以利用精密電流計(jì)測量輸入偏置電流，通過短接輸入端并測量流過短路端的電流。運(yùn)放的輸入偏置電壓1定義輸入偏置電壓是指運(yùn)放輸入端之間存在的微小電壓差，即使兩個(gè)輸入端接地，也會(huì)存在一個(gè)非零電壓差。2來源由于運(yùn)放內(nèi)部晶體管的不對稱性，以及制造工藝的誤差，會(huì)導(dǎo)致輸入端之間存在電壓差。3影響輸入偏置電壓會(huì)影響運(yùn)放的輸出電壓，從而影響放大電路的精度和穩(wěn)定性。4減小可以選擇具有低輸入偏置電壓的運(yùn)放，或者使用一些補(bǔ)償技術(shù)來減小輸入偏置電壓的影響。運(yùn)放的輸入阻抗定義運(yùn)放的輸入阻抗是指運(yùn)放輸入端之間的阻抗。理想運(yùn)放的輸入阻抗是無限大，實(shí)際運(yùn)放的輸入阻抗為有限值。影響輸入阻抗越高，運(yùn)放對信號源的影響越小。輸入阻抗越低，運(yùn)放對信號源的負(fù)載影響越大。運(yùn)放的輸出阻抗定義運(yùn)放的輸出阻抗是指運(yùn)放輸出端和負(fù)載之間等效的阻抗。它表示輸出信號傳遞到負(fù)載的效率。輸出阻抗越低，信號傳遞效率越高。影響因素運(yùn)放的輸出阻抗受內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和輸出級器件的影響。輸出阻抗與輸出級器件的特性、輸出級電路的負(fù)載能力有關(guān)。重要性輸出阻抗影響運(yùn)放的輸出電壓穩(wěn)定性，低輸出阻抗有利于提高輸出電壓穩(wěn)定性，減少信號失真。輸出阻抗過高會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降，信號失真嚴(yán)重。測量方法運(yùn)放輸出阻抗可以通過測量輸出電壓和輸出電流的比值獲得。輸出阻抗可以用示波器、電流表等儀器進(jìn)行測量。運(yùn)放的開環(huán)增益定義開環(huán)增益是指運(yùn)放輸入端無反饋的情況下，輸出電壓與輸入電壓之比。特點(diǎn)開環(huán)增益通常很大，但對頻率敏感，會(huì)隨頻率增加而下降。重要性開環(huán)增益是運(yùn)放的重要指標(biāo)，決定了放大倍數(shù)和頻帶寬度的關(guān)系。運(yùn)放的共模抑制比定義共模抑制比（CMRR）表示運(yùn)放對差模信號的放大能力與其對共模信號的放大能力的比值。影響CMRR越高，說明運(yùn)放對共模信號的抑制能力越強(qiáng)，對差模信號的放大能力越強(qiáng)。測量CMRR通常以分貝（dB）表示，可以通過測量運(yùn)放的差模增益和共模增益來計(jì)算。運(yùn)放的功率消耗定義運(yùn)放的功率消耗是指運(yùn)放工作時(shí)所消耗的功率。通常以毫瓦（mW）為單位。影響因素運(yùn)放的功率消耗主要取決于運(yùn)放的供電電壓、靜態(tài)電流和負(fù)載電流。降低消耗可以通過選擇低功耗運(yùn)放、降低供電電壓或減小負(fù)載電流來降低運(yùn)放的功率消耗。重要性運(yùn)放的功率消耗是影響其工作效率和功耗的重要因素，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮。運(yùn)放的頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)曲線運(yùn)放的頻率響應(yīng)曲線描述了其增益隨頻率變化的關(guān)系。它通常呈現(xiàn)高通特性，在低頻段增益較高，隨著頻率升高，增益逐漸下降。截止頻率截止頻率是指運(yùn)放增益下降到其開環(huán)增益一半時(shí)的頻率，它反映了運(yùn)放的帶寬和響應(yīng)速度。截止頻率越高，運(yùn)放響應(yīng)速度越快，帶寬越寬。相位響應(yīng)運(yùn)放的相位響應(yīng)曲線描述了輸出信號相對于輸入信號的相位差隨頻率的變化關(guān)系。在低頻段，相位差通常接近于0°，隨著頻率升高，相位差逐漸增加。運(yùn)放的相位響應(yīng)相位響應(yīng)的概念運(yùn)放的相位響應(yīng)是指運(yùn)放輸出信號相對于輸入信號的相位差隨頻率變化的關(guān)系。相位裕量相位裕量是指當(dāng)運(yùn)放的開環(huán)增益降至0dB時(shí)，相位滯后180度所需的額外相位差。運(yùn)放的噪聲特性噪聲的定義運(yùn)放的噪聲是指在放大信號時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)波動(dòng)，通常由內(nèi)部熱噪聲和閃爍噪聲引起。噪聲的來源噪聲來源包括運(yùn)放內(nèi)部的電子元件，例如晶體管和電阻，以及外部環(huán)境的干擾。噪聲的特性噪聲的特性取決于頻率，通常在低頻段較高，在高頻段降低，并隨溫度升高而增大。噪聲的影響噪聲會(huì)影響運(yùn)放的信號放大性能，降低信噪比，并可能導(dǎo)致誤判和失真。運(yùn)放的溫度特性溫度漂移運(yùn)放的輸出電壓、偏置電流和增益等參數(shù)會(huì)隨溫度變化而改變。溫度系數(shù)溫度系數(shù)表示參數(shù)隨溫度變化的敏感程度，可以用來評估運(yùn)放的溫度穩(wěn)定性。溫度補(bǔ)償可以通過電路設(shè)計(jì)或使用溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以降低溫度的影響。運(yùn)放的穩(wěn)定性1穩(wěn)定性定義運(yùn)放的穩(wěn)定性是指在特定工作條件下，運(yùn)放保持其性能參數(shù)不變的能力。2影響因素運(yùn)放的穩(wěn)定性受多種因素的影響，包括負(fù)載變化、溫度變化、電源電壓變化等。3穩(wěn)定性指標(biāo)運(yùn)放的穩(wěn)定性指標(biāo)包括開環(huán)增益、相位裕度、共模抑制比等。4穩(wěn)定性測試可以通過測試運(yùn)放的頻率響應(yīng)、相位響應(yīng)、溫度特性等來評估其穩(wěn)定性。運(yùn)放的應(yīng)用電路放大電路運(yùn)放可用于放大信號，例如音頻信號、傳感器信號等。運(yùn)放放大器的增益可以通過反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)。放大電路廣泛用于各種電子設(shè)備，包括音頻放大器、傳感器放大器、儀器放大器等。濾波電路運(yùn)放可與電容、電阻等元件結(jié)合，構(gòu)成各種濾波電路，例如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。濾波電路可以濾除信號中的噪聲，從而獲得更純凈的信號，應(yīng)用于音頻處理、信號處理等領(lǐng)域。比較器電路運(yùn)放可用于比較兩個(gè)輸入信號的大小，并將結(jié)果輸出。運(yùn)放比較器廣泛用于電壓比較、閾值檢測、信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。例如，可以將運(yùn)放比較器用于溫度控制、自動(dòng)控制系統(tǒng)中，判斷信號是否達(dá)到預(yù)設(shè)值。振蕩電路運(yùn)放可以與電容、電阻等元件結(jié)合，構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生周期性的信號。振蕩電路廣泛用于時(shí)鐘產(chǎn)生、信號發(fā)生器等領(lǐng)域。例如，可以用運(yùn)放振蕩電路生成音頻信號，用于電子樂器、音頻合成器等設(shè)備。運(yùn)放的選型原則性能指標(biāo)根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的性能指標(biāo)，例如開環(huán)增益、帶寬、輸入阻抗、輸出阻抗、共模抑制比等。供電電壓考慮目標(biāo)電路的供電電壓范圍，選擇相應(yīng)的供電電壓范圍的運(yùn)放。封裝類型根據(jù)電路板空間和焊接方式選擇合適的封裝類型，常見的封裝類型有DIP、SOIC、SMD等。價(jià)格因素綜合考慮性能指標(biāo)和價(jià)格，選擇性價(jià)比高的運(yùn)放。運(yùn)放的發(fā)展趨勢集成度越來越高隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)放的集成度越來越高，功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小