第2篇第3章 大学物理

1、第三章 集成运算放大器集成运算放大器是非常重要的一种线性集成电路，它的应用十分广泛。它用在模拟信号的运算、放大、检测、变换、处理、信号产生等等。2.3.1 集成运算放大器的概述 集成运算放大器是通过半导体集成工艺制成的一种高增益直接耦合式多级放大器。一、集成运放的典型结构运放的典范电路通常有三级放大电路组成运放输入级：差分放大（差动放大器）电路 该级要求有低温漂，高共模抑制比 和高输入电阻特性。中间放大级：通常采用CE(CS)放大电路 运算放大器的增益主要由这一级承担，所以这一级要有很高的电压增益。输出级采用互补对称式射极跟随器结构 输出级要求能驱动较大的负载，有一定的输出电流和输出电压，因此

2、，对该级要求具有低输出电阻。二、集成运放的主要特点1它具有“二高一低”特性的线性组件。即高增益、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器2为保证有合适的静态工作点，并低功耗，电路采用微电流源作为偏置，放大电路负载采及有源负载，以提高电压增益。3在理想条件下，集成运算放大器可以看成一个电压控制电压源。等效（VCVS）三、集成运放的电路符号国标符号简化符号惯用符号反相输入端同相输入端在低频小信号的条件下运算放大器可用下面电路等效低频小信号模型RidRod0Aod在理想条件下有：2.3.2 2.3.2 集成运放中的电流源偏置电路 一、基本镜像电流源T1、T2两管的参数和特性完全一致，电流放大倍数均

3、为。电阻RREF用来确定参考电流的IREF大小 REFBECCREFRVVIT1管工作在临界饱和状态。而T2管工作在放大状态。ILIC2IC1IREF -2IBIREF。输出电流IL与负载RL无关，与IREF存在近似的“镜像”关系，电路称为镜像电流源或电流镜电路。 EBBBIIII1121ECCCIIII121EBCREFIIII122REFREFECLIIIII/2112111当三极管的50时，基本镜像电流源输出电流IL与参考电流IREF的误差5%。镜像电流源除了电流IL与IREF具有镜像关系外，还具有温度补偿作用 二、跟随型镜像电流源电路电路由三只晶体管组成，在负载电阻 上将流过恒定的电流

4、 。电路要求T1、T2、T3晶体参数相同，特性也相同。LRLI因此，晶体管T1、T2组成镜像电流源结构，参考电阻RREF决定参考电流IREF，T管为减小输出电流与参考电流的误差而设置，射极电阻Re3为提高T1、T2管集电极电流镜像精度，约为几十千欧。REFCCREFBECCREFCCLRVRVVIIII212电路中：令 相同)1 (21211133CBEBIIII当50时，输出电流IL与参考电流IREF的相对误差小于误差小于0.08%温度补偿作用：T IC1 (IL) I REF VREF IC1 (IL) IB VBE 电阻Re3作用：增大T3管工作电流，从而提高提高T3管的。3213eRB

5、BeIIII三、多路电流源电路当参考电流IREF确定后，在各支路串入不同的射不同的射极电阻极电阻，可得到不同的输出电流。333222111eEBEeEBEeEBEeEBERIVRIVRIVRIV332211eEeEeEeERIRIRIRI332211eCeCeCeREFRIRIRIRI差分放大器为克服直接耦合放大器的零点漂移而推出。是集成运算放大器十分重要的一级。2.3.3 差分（动）放大电路一、 差分放大电路的基本形式和工作原理电路由二个参数和特性完全对称的晶体三极管组成，电路的其它元件也对称。T1、T2都是共射放大器，发射极连接在一起后经电阻接到负电源。电路由二组对称电源供电。1、直流分析

6、输入信号为零，二个基极接地。因电路参数是对称的，所以：021QOQOOQVVVVVVBEE7 . 0eEEeEEEECRVRVVII2V7 . 02)(CCCIII21EEEIII21EEEIIII221ReCCQCCQoQoRIVVV21 由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时VC1Q、VC2Q始终相等，使VOQ0，从而有效地抑制了温漂和零点漂移抑制了温漂和零点漂移。请问：若Rc1Rc2，则ICQ和VCQ是否相等？2、动态分析由桥式测量电路引入差模信号和共模信号。21IIIdvvv221IIIcvvv差分放大器对反映变化部分的差模信号能实现再放大，而对反映环境条件或外界干扰的公

7、共信号（即共模信号）不能放大，要加以限止或抑制。差分放大电路的工作原理（1）对差模信号的放大能力端和端的信号为大小相等，而极性相反。221dIIIvvv0ICv这种信号分别加在端和端的方式称双端输入方式。现以右边电路为例分析过程：画差模信号时的交流通路再画低频小信号等效电路用电路原理求解各技术指标。画交流通路方法与前介绍方法相同。但是，因差动信号输入，所以，流过T1、T2管发射极电流的增加量正好和减少量相等，即流Re的电流保持不变，即vE0，所以，E点对差模信号相当于交流接地（虚地）有差模信号交流通路如图：21BBII21CCII21EEII0)(21eEEERIIU221IdIIvvvbeI

8、dbeIBBrvrvII2121bcdIccBcCOdOrvRRiRIvv21111bcdIccBcCOdOrvRRiRIvv2222221OOvvdOdOOvvv21bcdIcrvR由此可以求出不同输出端口对差模信号的放大能力二个输出端的差模输出电压大小相等而极性相反大小相等而极性相反becIdOdvdrRvvA211becIdOdvdrRvvA222单端输出单端输出becrR双端输出21IIOdIdOdvdvvvvvA（2）对共模信号的抑制能力则端和端的信号大小相等，其极性也相同，这种信号称共模信号。21IIICIvvvv共模交流通路共模信号输入后的共模交流通路IcIIvvv21ebeBe

9、EbeBIcRriRiriv)1 (22111ebeIcBBRrvII)1 (221IcIIvvv21ebeIcccCOcORrvRRivv)1 (211021OOOCOvvvv122OOcOvvvebecIcOcvcRrRvvA)1 (211ebecIcOcvcRrRvvA)1 (222差分放大电路的二个输出端上的共模输出电压大小相等并且极性也相同；双端输出时，输出电压为零。0IcOcvcvvAebeIcBBRrvII)1 (221BIIIIEEE)1 (221CIebcCIEeBeEEEvRrvRRIRIIv)1 (2)1 (2)1 (2)(21注意：发射极E 点的波形！共模抑制比共模抑制

10、比KCMRAvc在一定程度上反映差分放大电路抑制共模干扰和温漂的能力， A Av vc c 越小越小，则抑制温漂能力抑制温漂能力越强越强。定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。vcvdCMRAAK常用分贝表示：(dB) lg20vcvdCMRAAK理想的差分放大电路双端输出时， KCMR21IIOdIdOdvdvvvvvAbecrR0IcOcvcvvAbecIdOdvdrRvvA211ebecIcOcvcRrRvvA)1 (211引入恒流源概念！IcvcIdvdOcOdOvAvAvvv可见，差动放大器若在端和端输入信号时，这信号中即包含有差模信号 ，又含有共模信号 。这时，差分

11、放大器的输出电压应包括对差模信号放大后的电压 ，和对共模信号放大后的输出电压 。IdvIcvodvocv即有：Avd大Avc小IcvcIdvdcOdOOvAvAvvv11111IcvcIdvdcOdOOvAvAvvv22222差模输入方式：只考虑差模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个幅度相同而极性相反的信号。共模输入方式：只考虑共模输入电压，即差分放大电路的输入端加上两个极性相同且幅度也相同的信号。 差分放大电路具有对差模信号进行放大、对差分放大电路具有对差模信号进行放大、对共模信号进行抑制的能力。共模信号进行抑制的能力。【例例2.3.1】 已知某差分放大电路的两个输入端端和端分别加入v

12、I1=5.01V、vI2=4.99V，的信号电压，其电路的差模电压增益Avd -80，共模电压增益为Avc -0.01，试求vO？ vE？ vE？电路的差模信号为：两端输入信号之差V02. 0V99. 4V01. 521IIdIvvv电路的共模信号为：两端输入信号之平均值V0 . 52V99. 4V01. 5221IIcIvvvV65. 1V05. 0V6 . 1V0 . 5)01. 0(V02. 080IcvcIdvdOvAvAv差分放大器的输出电压有：ICECECEdEvvvvv0ICECECEdEEvvVvvUv7 . 007 . 0注意：发射极E 点的波形！（3）差动电路在不同输入输出

13、下动态性能指标 输入方式以上分析为双端输入方式。在许多情况下，输入信号只加在一个端子上，而另一端接地，以便放大器与信号源间有公共地端，如图所示，这称单端输入方式。将单端输入分解成双端输入情况22021IIIIIIdvvvvvv2221IIIIcvvvv差模差模成分：两个输入信号之差之差。共模共模成分：两个输入信号平均值平均值。所以IvdIvcIvdIcvcIdvdOvAvAvAvAvAv1111112单端输入时的电压放大倍数与差模输入（双端单端输入时的电压放大倍数与差模输入（双端输入）时的电压放大倍数近似相同。输入）时的电压放大倍数近似相同。KCMR足够大时足够大时差动电路对差模信号和共模信号

14、有不同的响应,有Rid 和Ric差模输入电阻RidbeIdIdidrivR2共模输入电阻RicoebeICICiCRrIuR)1 (2输出方式beLIdOdvdrRvvA2/LcLRRR 双端输出：12coRR 单端输出：beLIdOdvdrRvvA211LcLRRR/1coRR 【例2.3.2】差分放大电路如图所示，已知=80，rbe=2k。求该电路的差模电压放大倍数Avd、差模输入电阻Ri和输出电阻Ro。1 .6605. 0812580)1 ()1 (22ebeceBbeBcBIdOdvdRrRRiriRivvAkRrivRebeIdIdid1 .12)05. 0812(2)1 (2kRi

15、vRcvROOoIdL1020【例2.3.3】 电路如图所示，已知=80，rbb=100，Rw在中间位置，RL=50k求：(1) ICQ；(2) Avd、Rid和Ro；(3) KCMR；( 4 ) 若 vI 1= 1 6 m V ， vI2=10mV，求vO1。OQV解：解：(1)静态分析：022EEeEQwEQBEbBQVRIRIVRImA1 . 05721 . 08157 . 012221ewbBEEEEQCQRRRVVIIV5 . 3251 . 0V12505050)/(LcCQCCLcLOQRRIVRRRV直接耦合输出直接耦合输出(2) 求Avd、Ri和Ro；k2 .211 . 026

16、81100)1 (EQTbbbeIVrr2 .29) 1 . 0812 .215(2)50/50(80/2)1 ()/(21wbebLcIdOdvdRrRRRvvAk 6 . 86) 1 . 0812 .215(2/2)1 ( 2wbebidRrRRk 50coRR(3) 求共模抑制比KCMR；216. 00.1)572(812 .2152580)22/)(1 ()/(ewbebLcIcOcvcRRrRRRvvA42.6dB)( 135216. 02 .29即vcvdCMRAAK(4)若vI1=16mV，vI2=10mV，则mV621IIIdvvvmV13221IIIcvvv注意相位！注意相位

17、！-178mVmV13)216. 0(mV62 .29IcvcIdvdOvAvAv二、集成运放输入级的电路形式 1. 场效应管差分放大电路FET差分放大电路差模输入电阻很高，减小了输入偏置电流的不对称性。1122LmgsLgsmIdOdvdRgvRvgvvAIdIdidivRRo=2Rd 2、FETBJT混合型差分放大电路混合型差分放大电路 通用型集成运放的具体电路多种多样，但其输入级电路的组成原理基本相似，均以差分放大电路为基础，通常采用双端输入、单端输出方式，并由电流源提供偏置电流及作为有源负载，从而可以达到有效地抑制共模信号、放大差模信号的目的。运放中间级是运放电压增益的主要承担者主要任

18、务是提高电压增益，所以，常用共射或共源放大电路。从电压增益表达式可知，提高电压增益的主要途经如下：beLcvrRRA)/( Rc代之以恒流源恒流源； 采用纵向三极管或达林顿复合管复合管，提高； 增加一级CC电路(射极跟随器射极跟随器)进行阻抗变换。2.3.4 2.3.4 集成运放的中间级和输出级集成运放的中间级和输出级一、集成运放中间级的电路形式一、集成运放中间级的电路形式dsmorRgR)1 (11恒流源恒流源+ +射极跟随器射极跟随器T1、R1构成恒流源电路，其内阻为 而T2是射极跟随器，T3是准共射放大电路，R3加了点负反馈以提高电路的工作稳定性。3222)1 (bebeirrR2331

19、32)/(iiceceIOvRRrrvvA恒流源恒流源+复合管复合管二、运放输出级互补对称输出电路集成运放的输出要求 输出电阻小， 最大不失真输出电压尽可能大， 输出级的输入电阻又必须大，T1T21运放输出级的基本电路如右图所示，由两只参数和特性完全对称的PNP和NPN管组成互补对称电路。静态静态(vi=0)时，T、T管均截止，UO0；T1T2在输入正弦信号时：当输入信号正半周(vi0)时，T T管导通，管导通，T T管截止管截止，流过负载电阻RL的电流路经为：VCCT1RLGND当输入信号负半周(vi0)时，T T1 1管截止，管截止，T T2 2管管导通导通，电流路经将为GNDRLT2-V

20、CC在一个信号周期内，流过负载的电流正好也是一个信号周期。互补对称放大电路的最大输出电压T1T2由于互补对称电路在一周内二只晶体管轮流导电，并尽量工作在极限状态，即截止和饱和导电两个极限状态，所以在输出特性上画出两管的工作时的负载线如图。最大输出电压为VCCVCES。当电源电压为15V时，最大不失真输出电压幅度一般为(1214)V。输入电阻较高LbeiRrR)1 (T1T2乙类放大电路的交越失真问题在输入信号小于三极管的开启电压时，T与T管均截止，产生交越失真。2甲乙类互补对称输出电路静态T1、T2处于微导微导通通状态，VOQ0。当输入正弦波时，由于二极管的动态电阻很动态电阻很小小，所以vb1

21、vb2vi。利用二极管提供静态偏置，使输入信为零时，两只管子不完全截止。利用恒压电路提供静态偏置32113CEBEVRRRVBECEVRRV)1 (123选择合适的R1、R2阻值，使VCE3 1.4V。乙类功率放大器：导通角为=，或静态时管子截止；，或静态时管子截止；甲类功率放大器：导通角甲乙类功率放大器：导通角介于介于和和22之间，静之间，静态时，晶体管微弱导电；态时，晶体管微弱导电；T1T2下面几种功率放大器。根据静态工作点的高低（或晶体管的导电角）可以分成为=22，晶体管在整个周期内都导电，静，晶体管在整个周期内都导电，静态时，晶体管也完全导电；态时，晶体管也完全导电；2.3.5 集成运

22、放的主要性能指标一、 集成运放的电压传输特性和三项基本参数例如设Aod=105， 、 为10V，则Vim10/105 10-4V 0.1mVomVomV集成运放线性放大区线性放大区所对应的输入信号范围很小范围很小。实际运放实际运放的传输特性曲线不通过坐标原点，称为输出失调输出失调。为了弥补输出失调电压，通常在运放输入级电路中设置了调调零端零端。在理想条件理想条件下集成运放的电压传输特性曲线通过坐标原原点点。运放的电压既可以用增增量量(或交流量)表示，也可以用瞬时量瞬时量表示。（1）开环差模电压放大倍数AodIdNPIdIdidivvivR如CF741的Rid1M，高阻型运放的Rid 可达104

23、M以上。NPOIdOodvvvvvAAod一般为104106(即80120dB)。在手册中Aod常以V/mV作单位，如100V/mV即为105。（2）差模输入电阻Rid（3）输出电阻Ro集成运放的R。通常为100至至1k之间。二、集成运放的失调参数集成运放在vId=0时的输出电压称作输出失调电压输出失调电压，记作VOO。（1）输入失调电压VIO为了使输出电压回到零，需在输入端加上反向补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压。odOOIOAVV（2）输入失调电压漂移dVIO/dT输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度。（3）输入失调电流 IIO反映集成运放输入端输输入端输入电流的

24、不平衡入电流的不平衡程度。BNBPIOIII2BNBPIBIII偏置电流偏置电流输入失调电流输入失调电流（4）输入失调电流温漂dIIO/dT反映输入失调电流IIO随温度而变化的程度。分析输出失调模型IOIBIBIdVRIRIV1)(2)(2)()()(21212)(1)(IOIBIOIBIBIOIdIRRIRRVRIRIVV2)()(2121IOIBodIOodIdodOOIRRIRRAVAVAV(1) 应选择R1R2。R、R2 称为输入平衡电阻输入平衡电阻。(2) R和R2越小，则IIO对VOO的影响也越少。因此，在实际使用时，要求运放两个输入端的外接平衡电阻相等且较小。2)()(2121IOIBodIOodIdodOOIRRIRRAVAVAV(3) 即使运放输入端短路，输出电压也已进入饱和状态(假定Aod=104，VIO为1.5mV，则VOO已达15