电工与电子技术基础10-集成运算放大器课件.ppt
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- 电工 电子技术 基础 10 集成 运算放大器 课件
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1、本章要点本章要点第第1010章章 集成运算放大器集成运算放大器 本章主要介绍集成运算放大器的组成,差分放大电路的本章主要介绍集成运算放大器的组成,差分放大电路的特点、工作原理和分析方法,理想运算放大器的特性及由特点、工作原理和分析方法,理想运算放大器的特性及由其构成的基本运算电路。重点要求掌握差分放大电路的特其构成的基本运算电路。重点要求掌握差分放大电路的特点及静态计算、双端输出时的动态分析,理想运算放大器点及静态计算、双端输出时的动态分析,理想运算放大器的分析依据及比例、加法、减法、微、积分运算电路的分的分析依据及比例、加法、减法、微、积分运算电路的分析应用。析应用。你知道吗你知道吗体积小、
2、重量轻、耗电低、工作可靠性高,便于维护。体积小、重量轻、耗电低、工作可靠性高,便于维护。元器件、导线甚至完整的系统一次性加工在一微小的硅片上。元器件、导线甚至完整的系统一次性加工在一微小的硅片上。集成电路是将管子、电阻、电容等元器件及电路的连线都集成电路是将管子、电阻、电容等元器件及电路的连线都集成在一块半导体基片上。它具有体积小,重量轻、功耗低、工集成在一块半导体基片上。它具有体积小,重量轻、功耗低、工作可靠等优点,广泛用于信号处理、信号变换、信号发生等方面,作可靠等优点,广泛用于信号处理、信号变换、信号发生等方面,因此在自动控制、测量仪表等领域占有重要的地位。因此在自动控制、测量仪表等领域
3、占有重要的地位。集成电路按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类:集成电路按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类:定时器、时序:计数器、寄存器、加法器、数据选择器组合:编码器、译码器数字模拟乘法器器、锁相电路、宽频放大、压器、模拟:运放、功放、稳按功能分555D/AD/A)超大规模(大规模(中规模()小规模(所含元器件数)按规模分(每片nIntegratio ScaleVery VLSIn)Integratio Scale LargeLSIn)Integratio Scale Medium-MSInIntegratio Scale mallSSIICS集成运算放大器是模拟集成电路的一
4、种。它实际上是一个高开集成运算放大器是模拟集成电路的一种。它实际上是一个高开环放大倍数的多级直接耦合放大电路。环放大倍数的多级直接耦合放大电路。)兼容型()双极型()单极型(按导电类型BJTFETBJTFET100/片片(1001000)/片片103 105/片片105 以上以上/片片集成运放的组成集成运放的组成输入级中间级输出级偏置电路输入端输出端图10-1 运算放大器的方框图输入级:输入电阻大、零点漂移小。输入级:输入电阻大、零点漂移小。差动放大电路差动放大电路中间级:较高的电压放大倍数。中间级:较高的电压放大倍数。共射放大电路共射放大电路输出级:输出电阻小、提高足够的功率输出。输出级:输
5、出电阻小、提高足够的功率输出。射极输出器射极输出器偏置电路:为各级提供合适的静态工作点。偏置电路:为各级提供合适的静态工作点。恒流源恒流源 由于由于阻容耦合隔直,不能阻容耦合隔直,不能放大缓慢变化的信号及直流信号,放大缓慢变化的信号及直流信号,故而只能采用前后级直接相连的故而只能采用前后级直接相连的直接耦合直接耦合方式。但直接耦合放方式。但直接耦合放大电路除了前后级工作点相互牵连、电平移动问题外,更为突大电路除了前后级工作点相互牵连、电平移动问题外,更为突出的问题是出的问题是零点漂移零点漂移问题。问题。当输入电压当输入电压ui0时,时,uo0 ,即静,即静态时在输出端还有缓慢变化的电压信态时在
6、输出端还有缓慢变化的电压信号输出,输出电压偏离原来的起始点号输出,输出电压偏离原来的起始点而上下飘动,这种现象称为零点漂移。而上下飘动,这种现象称为零点漂移。如右图所示。如右图所示。当漂移量大到足以和输入信号相比时,两者无法分辨,使放当漂移量大到足以和输入信号相比时,两者无法分辨,使放大电路无法正常工作。大电路无法正常工作。实际上阻容耦合的交流放大器也存在零点漂移,但由于电容实际上阻容耦合的交流放大器也存在零点漂移,但由于电容容隔直通交的特点,递缓慢变化的信号及直流信号无法从前级容隔直通交的特点,递缓慢变化的信号及直流信号无法从前级往后级传输。往后级传输。零点漂移所产生的电压实际上零点漂移所产
7、生的电压实际上是一个虚假信号。当放大电路是一个虚假信号。当放大电路外加输入信号后,它与真实信外加输入信号后,它与真实信号共存于电路中。号共存于电路中。引起零点漂移的原因很多,如元件的老化、参数的变化、引起零点漂移的原因很多,如元件的老化、参数的变化、电源电压的波动等。电源电压的波动等。最严重的是三极管的参数随温度的变化引起的漂移。最严重的是三极管的参数随温度的变化引起的漂移。特别是放大器第一级的漂移量,对真实输出的影响最大。特别是放大器第一级的漂移量,对真实输出的影响最大。因为它与输入信号一起以同样的放大倍数传送到输出端。因为它与输入信号一起以同样的放大倍数传送到输出端。所以克服零点漂移现象的
8、影响,主要途径是抑制所以克服零点漂移现象的影响,主要途径是抑制第一级第一级的温度的温度漂移。漂移。指温度升高一度(指温度升高一度(C C)时,输出端的漂移电压折合到输入端的等效时,输出端的漂移电压折合到输入端的等效输入漂移电压,即输入漂移电压,即TAvvVoia a采用热敏元件进行补偿;采用热敏元件进行补偿;b.b.采用负反馈自动稳定态工采用负反馈自动稳定态工作点(射极偏置电路);作点(射极偏置电路);c c采用差分式放大电路,利用采用差分式放大电路,利用电路的对称性抑制零点漂移。电路的对称性抑制零点漂移。典型差动放大电路如图典型差动放大电路如图10-2所示,其特点为:所示,其特点为:a.VT
9、1、VT2构成的左右放大电路构成的左右放大电路结构完全对称,管子特性相同。结构完全对称,管子特性相同。b.b.电路有两个输入端电路有两个输入端ui1和和ui2 ,且,且ui ui1 ui2 ;电路电路还有两个输出端还有两个输出端uo1 、uo2 ,且且uo uo1 uo2 。c.电路有两个直流电源电路有两个直流电源Ucc、UEE。ui1ui20,即将两输入端即将两输入端与地短接。与地短接。2C1CII2C1CUU则输出电压为:则输出电压为:02C1COUUu2C1CII2C1CUU尽管两个管子都产生了零点漂尽管两个管子都产生了零点漂移,但由于两管集电极电位的移,但由于两管集电极电位的变化是互相
10、抵消的,所以总的变化是互相抵消的,所以总的输出电压依然为零,即输出电压依然为零,即02C1COUUu也就意味着零点漂移被完全抑制了,也就意味着零点漂移被完全抑制了,说明差动放大电路对两管所产生的说明差动放大电路对两管所产生的同向变化的漂移具有抑制作用。同向变化的漂移具有抑制作用。电阻电阻RE引入电流负反馈,引入电流负反馈,当温度增加时,两管的当温度增加时,两管的IB同时增同时增加,两管的加,两管的IC也同时增加,从而也同时增加,从而导致发射极电压导致发射极电压UE升高,两管发升高,两管发射结电压射结电压UBE降低,使两管基极降低,使两管基极电流电流IB减小。减小。2C2B2BE1B1BEEEE
11、E2C1C1C2TIIUIUURIIIII温度 电位器电位器RP是用来调电路平衡是用来调电路平衡的,又称为调零电位器。的,又称为调零电位器。实际中电路不可能完全对称,实际中电路不可能完全对称,在输入电压为零时,输出电压在输入电压为零时,输出电压不为零。不为零。利用电位器利用电位器RP的动点使两管的动点使两管分配到不同的阻值,以使分配到不同的阻值,以使UC1UC2,从而确保静态时从而确保静态时uo0。但但RP不宜过大,一般在几十不宜过大,一般在几十欧姆至几百欧姆左右。欧姆至几百欧姆左右。静态时,静态时,ui1ui20 ,由于电路两边参数对称,故两管,由于电路两边参数对称,故两管静态值完全相同,即
12、静态值完全相同,即B2B1BIIICCCIII21EEEIII21 流过流过RE的电流是两管发射的电流是两管发射极电流之和即,故可只画一极电流之和即,故可只画一个管子的直流通路即可。个管子的直流通路即可。RP的较小,忽略其影响。的较小,忽略其影响。由于两个管子的集电极电位相等,流经由于两个管子的集电极电位相等,流经RL的电流为零,的电流为零,故故RL可断开。可断开。1TEEUBIEICCUCI图10-3 图10-2的直流通路BRCRE2REEEEC2RUII02EEEEEURIUEEECB2 RUIICCCCCERIUU 由此可知,每管的发射极电路中相当于接入了由此可知,每管的发射极电路中相当
13、于接入了2RE的电阻,所以的电阻,所以每个管子的静态工作点的稳定性都得到了提高,负电源每个管子的静态工作点的稳定性都得到了提高,负电源UEE是用是用来补偿来补偿RE上的静态压降,使三极管有合适的静态工作点。上的静态压降,使三极管有合适的静态工作点。1TEEUBIEICCUCI图10-3 图10-2的直流通路BRCRE2R由图有由图有:EEEEBEBB2URIURI由于前两项比第三项小得多,可忽略,有由于前两项比第三项小得多,可忽略,有:差动放大电路的信号输入可分为差模输入、共模输入和比差动放大电路的信号输入可分为差模输入、共模输入和比较输入。而从输出输入的方式可分为双端输入较输入。而从输出输入
14、的方式可分为双端输入/数端输出、双端数端输出、双端输入输入/单端输出、单端输入单端输出、单端输入/双端输出及单端输入双端输出及单端输入/单端输出。单端输出。两个输入信号的大小相等,极两个输入信号的大小相等,极性相反性相反,即:,即:2id1iduu10.3.4 动态分析动态分析 由于两管完全对称,一个管子电流的增加量等于另外一个管子的由于两管完全对称,一个管子电流的增加量等于另外一个管子的电流减小量,以至流过电流减小量,以至流过RE的电流不变即的电流不变即iRE ie1-ie2=0,则则两端的电压也不变。两端的电压也不变。RE对差模信号无反馈作用,相当于短路对差模信号无反馈作用,相当于短路。另
15、外,由于两管完全对称,另外,由于两管完全对称,uod1的增加量等于的增加量等于uod2的减小量,故的减小量,故RL的中点交流电位为的中点交流电位为0,可以看作接地,可以看作接地。对应的微变等效电路如图(对应的微变等效电路如图(b)由于:由于:2id1idid 2id1iduuuuu 2id1iduu2id2iduu 则:则:输入电阻:输入电阻:输出取自两个管子的集电极,即输出取自两个管子的集电极,即uod,则差模电压放大倍数为:则差模电压放大倍数为:2u1u1id1od2id1id2od1odidodud22AAuuuuuuuuA)(2beBidrRrbeBLC)2/(rRRR 输出电阻:输出
16、电阻:Cod2Rr输出取自两个管子的集电极,即输出取自两个管子的集电极,即uod1,则差模电压放大倍数为:则差模电压放大倍数为:输出电阻:输出电阻:CodRrbeBLC1u1id1odid1odud)/(21212rRRRAuuuuA两个输入信号大小相等,极性相同,即:两个输入信号大小相等,极性相同,即:ic2i1iuuucc在共模信号的作用下,两管的电流同时增加或减小相同的数量,在共模信号的作用下,两管的电流同时增加或减小相同的数量,RE中的电流变化为每管发射极电流变化的两倍。即对每管而言,相当中的电流变化为每管发射极电流变化的两倍。即对每管而言,相当于发射极接了于发射极接了2RE的电阻。的
17、电阻。由于两管对称,有由于两管对称,有2oc1ocuu故双端输出电压为故双端输出电压为02oc1ococuuu共模电压放大倍数为共模电压放大倍数为0iccucuuAo即差动放大电路双端输出时,具有很强的抑制共模信号的能力。即差动放大电路双端输出时,具有很强的抑制共模信号的能力。从从VT1管集电极输出,有管集电极输出,有通常通常则有则有EBbeLCic1oc2uc1ucuc)1(2)/(RRrRR uuAAABbeE)1(2RrR1ELC1uc2/RRRAucudCMRRAAK或表示成对数形式或表示成对数形式 (dB)lg20ucudCMRAAK 共模抑制比共模抑制比KCMRR越大,差动放大电路
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