集成放大电路课件.ppt

1、第五章第五章 集成放大电路集成放大电路5.1 集成运放简介集成运放简介(补充补充)一一.基本结构基本结构uu 中 间 级低阻输出级偏置电路+高阻输入级uu-输出采用半导体制造工艺，把二极管、三极管、电阻、电容以及采用半导体制造工艺，把二极管、三极管、电阻、电容以及 连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完 整的电路。这样一种器件就叫做集成电路整的电路。这样一种器件就叫做集成电路。特点特点:具有体积小、具有体积小、重量轻、价格低廉和性能可靠等重量轻、价格低廉和性能可靠等。二二.简单的集成运放简单的集成运放+T1Rc1sIRc2c3R2T4T

2、5T3TVCC+EEV-u-u+ou反反 相相 输输 入入 端端同同 相相 输输 入入 端端输输入入级级中中间间级级输输出出级级 原理电路：原理电路：u-u+uo集成运算放大器符号集成运算放大器符号集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端VVVo+A+-uuu国内符号国内符号国际符号国际符号 1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路

3、对称性的指标。部电路对称性的指标。集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。化量与温度变化量之比值。4.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的

4、平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。2B1BIB21III 2B1BIOIII 5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。与温度变化量之比值。6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入

5、电压的允许范围。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可欧姆，场效应管输入级可达达109欧姆以上。欧姆以上。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCM

6、R=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。UUUAood 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数

7、一般。用户可以参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。些方面的特殊要求。5.5 5.5 特殊集成运算放大器特殊集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多级放大器。的多级放大器。集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦）集成电路的芯片

8、面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。什么是集成运算放大器？什么是集成运算放大器？信号的运算与处理电路信号的运算与处理电路5.1 5.1 比例电路比例电路5.2 5.2 基本运算电路基本运算电路5.3 5.3 对数和反对数电

9、路对数和反对数电路5.4 5.4 集成模拟乘法器集成模拟乘法器5.5 5.5 有源滤波器有源滤波器预备知识：集成运放的两种工作状态预备知识：集成运放的两种工作状态1.运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想运算放大器：理想运算放大器：1、

10、开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Aod=2、差摸输入电阻差摸输入电阻 Rid=3、输出电阻输出电阻 Ro=04、共摸抑制比共摸抑制比 KCMR=为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0）3.线性区线性区uu+A+RiiRuu+ffoi114.非线性区（正、负饱和状态）非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开

11、环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui5.1 比例运算电路比例运算电路5.1.1.反相比例运算反相比例运算虚地点虚地点i1=if （虚断）（虚断）因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+=0 u=u+=0（虚地）（虚地）反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈uu+A+RiiRuu+ffoi11电压放大倍数电压放大倍数:1fioRRuuAfo1iRuRu 例题例题1.R1=10k ,Rf=20k ,ui=-1V=-1V。求

12、。求:uo、Ri。说明说明R0的作用，的作用，R0应为多大？应为多大？特点：特点：共模输入电压共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：缺点：输入电阻小（输入电阻小（Ri=R1）R0为平衡电阻为平衡电阻(使输使输入端对地的静态电阻入端对地的静态电阻相等相等):R0=R1/Rfuu+A+RiiRuu+ffoi110R210201fuRRAV2)1)(2(iuouAu1iRR 采用采用T型反馈网络的反相比例电路型反馈网络的反相比例电路目的：在高比例系数时，避免目的：在高比例系数时，避免R1阻阻值太小，使输入电阻太小。值太小，使输入电阻太小。112Ruiii 3322RiRi 又又1322323RuRR

13、iRRii 44220RiRiu )/1(342142RRRRRRAu 分析：分析：u+=u-=0（虚短）（虚短）i1=i2（虚断）（虚断）uu+A+oi1R2R4RR31ii24ii343221)(RiiRRui 4132121)(RRuRRRuRRuiii 5.1.2.同相比例运算电路同相比例运算电路u-=u+=uii1=if（虚断）虚断）平衡电阻平衡电阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri特点：特点：输入电阻高输入电阻高缺点：缺点：共模输入电压共

14、模输入电压0（u=u+=ui）电压放大倍数电压放大倍数:1fio1RRuuAAu=15.1.3.电压跟随器电压跟随器此电路是同相比此电路是同相比例运算的特殊情况，例运算的特殊情况，输入电阻大，输出输入电阻大，输出电阻小。电阻小。在电路中在电路中作用与分立元件的作用与分立元件的射极输出器相同，射极输出器相同，但是电压跟随性能但是电压跟随性能好。好。uuo+uA+uiui=u+=u-=uo因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断：利用虚短和虚断：1.反相加法器反相加法器：若若R1=R2=R,平衡电阻平衡电阻R0=R1/R2/Rf0 uui1+i2=if5.2 基本运算电路基本运算电路5.2.1.

15、5.2.1.加法运算电路加法运算电路uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11虚地虚地fo2i21i1RuRuRu )(i22fi11fouRRuRRu )(i2i1fouuRRu 2.2.同相求和运算同相求和运算：当当R1=R2=Rf=R时时,uuuuRi1RRf+i1A+ofiu+i2R122i2111 i212)()(uRRRuRRRu2ioi1uuu u+=u-i1=if u-=RuRRRuRRRRui2i2111 i2121)()(0RuuRRRuRRRRuuiof02i2111 i212)()()()(1(2i2111 i212fouRRRuRRRRRu叠加原理叠加原

16、理1 1、差动减法器、差动减法器 ui1作用作用i11fuRRuo ui2作用作用i22331f)1(uRRRRRuo 综合：综合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2uuuu3Rf+i1+12RRoARuuuR+ufA+o1RR2i2R+3uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo则有：则有：5.2.2.5.2.2.减法运算电路减法运算电路uo=uo+uo2 2、利用加法器和反相比例器、利用加法器和反相比例器)(0A2fi11fuRRuRRuoi11fi22fi22fi11f)(u

17、RRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uOA/2R2ioAuRRuRuii 虚地Ou1.1.积分电路积分电路5.2.3.5.2.3.积分和微分电路积分和微分电路tuRCd1iuu+oiiAC+iR1RCuCdtducdtudcdtducicc00)(000uuucRuidtRuCdui10反相积分器：反相积分器：如果如果u i=直流电压直流电压,输出将反相积分，经输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间积分时间设设Uom=15V,ui=+3V,R=10k ,C=1 FtuRCud1i

18、o tuRCi1 求积到饱和值的时间：求积到饱和值的时间：MiOM1TuRCUs05.0iOMM uRCUT练习练习:画出在给定输入画出在给定输入波形作用下积分器的输波形作用下积分器的输出波形。出波形。R=10K C=1uFR=10K C=1uFuu+oiA+iR1RCiCCutui0212345tuo0-2-4-6tuRCud1io tuRCi1 1o121tRCu01o20uu023o32utRCu03o40uu045o51utRCuu01u02u03u04u05应用举例：应用举例：输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu2.2.微分

19、电路：微分电路：u-=u+=0RiuOdtduCiiCCii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiCRui00)90sin(tRC tRCuo cos tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio 90uuo1CRAi+R+iiCDOuu Ruiii dTD/SDeuuIi SdTDlnIiuu 5.3.1.对数电路对数电路*5.3 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路(选讲选讲)SiTSdTlnlnRIuuIiu 利用利用PN结的指数特性实现对数运算结的指数特性实现对数运算uuD+A+idRi1ioRBJT的发射结有的发射结有BEOuu 注意：注意：ui

20、必须大于必须大于零，电路的输出电零，电路的输出电压小于压小于0.7V利用虚短和虚断，有利用虚短和虚断，有RuiiiC TBETBEe)e(SSECuuuuIIii RIuuSiTln 用三极管实现对数运算用三极管实现对数运算SCTBElnIiuu SCTlnIiu uu+1+AoTiRiicRiiRudO 5.3.2.5.3.2.反对数（指数）电路反对数（指数）电路T/SieuuRI Ti1SlnuuRI uuD+A+iRRdoiiuO是是ui的反对数运算（指数运算）的反对数运算（指数运算）用三极管实现反对数运算电路用三极管实现反对数运算电路BEiuu 利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电

21、路有要求要求V7.0BEi uuTieSOuuRIu RiuFO TBEeSEFuuIii 以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路uu+TA+R4iifieo 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。的放大器。滤波器的功能：对频率进行选择滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。和干扰信号，保留下有用信号。*5.4 有源滤波电路有源滤波电路 滤波器的分类：滤波器的分类：低通滤波器（低通滤波器（LPF）高通滤波器（高通滤波器（HPF）带通滤波器（带通滤波器（

22、BPF）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）|A|0C通带通带阻阻带带A0|A|0CA0|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通 各种各种滤波器理想的幅频特性：滤波器理想的幅频特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（1）带通）带通（1）带阻）带阻阻带阻带通带通带 滤波器的用途滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。一些较高频率成分的干扰。1.一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器(无源无源)一一.低通有源滤波器低通有源滤波器CjRC

23、juuAiO 11 RCj 11H11 j 传递函数：传递函数：RC1H截止频率：截止频率：幅频特性：幅频特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。幅频特性：幅频特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-0.707 H截止频率截止频率0 1|A|2.一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器uu+A+i+uuRf1RRCoi)11(ujuH uRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf )11)(1(1HfjRR)1(OHjAiOuuA 传递函数：传

24、递函数：1fo1RRA通带增益：通带增益：截止频率：截止频率：)1(RCHRC1H幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线uu+A+i+uuRf1RRCo传递函数：传递函数：iOuuA)11)(1(1HfjRR幅频特性：幅频特性：21)(11)1(HfRRA缺点：阻带衰减太慢。缺点：阻带衰减太慢。H0.707 1+Rf/R10 1+Rf/R1|A|3.二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器uu+A+miouRfRRCCR1u+uuAuRRufO1o)1(CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA

25、 传递函数：传递函数：当当 Ao3时，滤波器可时，滤波器可以稳定工作以稳定工作。此时特性此时特性与与Q有关。当有关。当Q=0.707时，时，幅频特性较平坦。幅频特性较平坦。当当ffL时，幅频特性时，幅频特性曲线的斜率曲线的斜率 为为-40dB/dec。当当Ao3时，源滤波器自激。时，源滤波器自激。幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线O31AQ 222o)()(1 QAAHH uAuRRufO1o)1()11)(1(1LfjRR)1(OLjAiOuuA 传递函数：传递函数：1fo1RRA通带增益：通带增益：截止频率：截止频率：)1(RCL二二.高通有源滤波器高通有源滤波器1.一阶有源高通

26、滤波器一阶有源高通滤波器uuo1+ui+f+ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRuRC1L幅频特性：幅频特性：21)(11)1(LfRRA缺点：阻带衰减太慢。缺点：阻带衰减太慢。幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线iOuuA 传递函数：传递函数：)11)(1(1LfjRRuuo1+ui+f+ARRuRC0 1+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|5.5 电压比较器电压比较器 5.5.1、过零电压比较器、过零电压比较器 5.5.2、单限电压比较器、单限电压比较器 5.5.3、滞回电压比较器、滞回电压比较器 1、过零电压比较器、过零电压比较器 uiu0uiu0uiu

27、0U0M-U0Muiu0U0M-U0Mui1u0uRVZui1u0uR-(VZ+UD)(VZ+UD)2、单限电压比较器、单限电压比较器 3、滞回电压比较器、滞回电压比较器 ui1u0R2VZRfR1R+(VZ+UD)+(VZ+UD)-(VZ+UD)uTH-uTH+u0uif、R2将输出电压将输出电压uo取出一部分反馈到同相输入端，取出一部分反馈到同相输入端，从而引入了正反馈。电路的工作原理如下：从而引入了正反馈。电路的工作原理如下：ui1u0R2VZRfR1R+(VZ+UD)1、当当ui由小逐渐增大，开始时，由于由小逐渐增大，开始时，由于uuiu，故输出，故输出高电平，即高电平，即uo（VzU

28、D）此时同相输入端的电位为此时同相输入端的电位为 THDzfRRRUUUu22、当当ui增大到使增大到使 uu 时，电路状态发生翻转，输出低电时，电路状态发生翻转，输出低电平，即平，即 uo（VzUD）此时同相输入端的电位为 THDzfRRRUUUu22 ui-(VZ+UD)uTH-uTH+u0(VZ+UD)ui1u0R2VZRfR1R+(UZ+UD)-(VZ+UD)uiuTH-uTH+u0(VZ+UD)THDzfRRRUUUu22THDzfRRRUUUu22 本章小结本章小结1集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算

29、电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念是电路分析的有力工具。的概念是电路分析的有力工具。2集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的使用方法，是要求的重点。使用方法，是要求的重点。3有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。