电路与模拟电子技术-集成运算放大器课件

1、2022/7/25第7章 集成运算放大器目录Jichengyunsuanfangdaqidezuchengtedian集成运算放大器的组成特点Chadongfangdadianlu差动放大电路Fuheguanfangdadianlu复合管放大电路Gonglvfangdadianlu功率放大电路Fangdadianludefufankui放大电路的负反馈jichengyunsuanfangdaqijiqilixiangdianlumoxing集成运算放大器及其理想电路模型2022/7/25学习要点 理解差动放大电路利用其对称性实现抑制零点漂移的原理；掌握反馈、正反馈、负反馈的概念； 熟悉集成运放

2、的主要技术指标和电压传输特性；掌握集成运放的理想化条件，理解“虚断”和“虚短”两个重要概念。2022/7/257.1 集成电路概述集成运算放大器的性能特点及应用1959年世界上第一块集成电路问世近60年的时间里，集成运放的应用几乎遍及各个领域。集成运放体积小，密度大、功耗低、引线短、外接线少，. 集成运放具有近乎无穷大的增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压，它不受封装尺寸限制，不占用空间，组装工作量小，成本低。集成运放的应用在工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中都有集成运放的身影：在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；

3、在音响、电视、录像、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中。集成电路的发展，对各行各业的技术改造与产品更新起到了促进作用。2022/7/25常见的集成运算放大器的封装形式02010403单列扁平式双列直插式圆壳式扁平式早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。2022/7/257.1.2 集成电路的组成及特点运放输入级采用差动放大电路，利用其对称特性提高整个电路的共模抑制比和电路性能。运放的中间级一般由多级放大电路组成。用来提高电路电压增益。运放的输出级通常由互补电压跟随器构成，用来降低输

4、出电阻，提高运放的负载能力。 偏置电路的主要作用是向各级提供合适的偏置电流。以保证各级放大电路具有合适的静态工作点。2022/7/257.2 差动放大电路7.2.1 直接耦合放大电路需要解决的问题1.各级静态工作.点相互影响，互相牵制；2.存在零点漂移。 由于温度以及其它原因，当输入信号为零时，输出却出现一个无规则的、持续缓慢的变化量，这种现象称为零点漂移。零漂严重时，产生的噪声甚至会把需要传输和放大的信号淹没。2022/7/257.2.2 差动放大电路的组成运放的输入级要求运放输入级电路的输入电阻要高、差模电压放大倍数要大，共模抑制能力要强、静态电流要小。差动放大电路可满足上述要求差动放大电

5、路由两个对称的共射基本放大电路组成。其中VT1、VT2是两个特性完全相同的晶体管，两管基极信号电压ui1、ui2大小相等、相位相反。2022/7/25差模信号指差动电路两输入端信号的差值uid= ui1-ui2，是放大电路需要传输和放大的有用信号。差模信号实际上就是差动电路的输入电压2022/7/25共模信号共模信号外界电磁干扰、温度影响等因素造成的零漂电压，相当于在差动放大电路的输入端加了“共模信号” 。共模信号是干扰信号，需要抑制和消除。2022/7/257.2.3 差动放大电路的工作原理画出输入等于零的直流通道静态分析电路对称，可按单边求解对下回路列写KVL方程：2022/7/25画出电

6、路的交流通道动态分析 由于电路对称，射极电阻RE上无电压，可视为交流短路。画出的交流通道的单边微变等效电路。2022/7/257.2.4 差动放大电路的类型双端输入双端输出单端输入双端输出双端输入单端输出单端输入单端输出2022/7/25差动放大电路不同类型的性能比较性能指标双（单）端输入双端输出双（单）端输入单端输出差模放大倍数Ad差模输入电阻rid差模输出电阻rod2RCRC共模放大倍数Ac0共模抑制比KCMR实际输出电压UOAd*2Uid+AC*Uic上表中各项指标均为差动放大电路不带负载的情况下给出的。2022/7/257.2.5 恒流源式差动放大电路恒流源式差动放大电路中，当温度变化

7、时，VT3的发射极电位和发射极电流基本保持稳定，ic1和ic2之和近似等于ic3，不会受温度变化的影响而发生变化。可见，恒流源式差放电路的共模抑制能力更强，性能更稳定。电路中的RE阻值越大，抑制零漂的效果就越好。但RE的阻值选取越大，同样工作电流条件所需负电源VEE的数值也越大。为在增大射极电阻的同时不提高VEE，通常采用恒流源代替RE。图中用晶体管VT3和电阻Rb1、Rb2和Re构成其分压式偏置电路。由偏置电路可知，只要电源VCC和偏置电路的电阻Rb2数值不变，VT3的集电极电流即差放电路的射极电流IC3基本不变。2022/7/25 已知图示电路中VCC=12V，VEE=12V，三个三极管的

8、电流放大倍数均为50， rbb=200， Re=33k，RC=100k，R=10k，RW=200，稳压管的UZ=6V，R1=3k。试估算：该放大电路的静态工作点Q；差模电压放大倍数；差模输入电阻和差模输出电阻。 解例2022/7/25解由交流通道可得半边微变等效电路：式中：由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称的两个三极管就会一个射极电流增大，另一个射极电流减小，且增大和减小的数值相同，所以RW上的中点交流电位为零，其交流通路如下图所示：2022/7/25解输入电阻： 恒流源在放大电路中的作用有两个：一是可以起到稳定电流的作用； 二是做放大电路的有源负载，能够更好地抑制共模信号。输出电

9、阻：2022/7/25123何谓差模信号？何谓共模信号？什么是零漂现象？零漂是如何产生的？采用什么方法可以抑制零漂？差动放大电路有哪几种类型？4恒流源在差动放大电路中起什么作用？Sikaoyulianxi思考与练习2022/7/257.3 复合管放大电路由于集成电路通常要求其中间级基级电流大相当前级提供的输出大，单管放大电路实现这种要求很困难。采用复合管的共发射极电路作为集成运放的中间级电路，可以解决这个难题。放大电路中采用复合管，主要目的就是为了增大管子的电流放大倍数，减小前级驱动电流，复合以后，管子的电流放大倍数为：2022/7/257.4 功率放大电路何谓功率放大器？扩音系统信号放大信号

10、提取例执行机构 被放大后的模拟信号在推动实际负载时需要较大的功率，能完成此任务的器件就是功率放大器。功放常用作放大电路的输出级，以驱动执行机构如扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。2022/7/257.4.1 功率放大器的特点及主要技术指标01020304功放电路的主要任务是向负载提供一定的功率，因此要求输出电压和电流的幅度足够大；由于功放输出信号幅度大，三极管通常工作在极限应用状态，因此输出信号必然存在一定程度的失真。功放电路输出功率的同时，三极管消耗的能量也较大，因此三极管的管耗和散热问题异常突出。功率放大器工作在大信号的极限运用状态，小信号的估算法不再适用，只能采用图解法进行估算。

11、2022/7/257.4.1 功率放大器的特点及主要技术指标01020304效率尽可能高大信号情况下的输出功率和功耗都较大，效率问题突显。在允许的失真范围内除了满足输出功率，首先应考虑管子的效率。足够大的输出为获得最大功率输出，要求功放管工作在接近“极限运用”状态。选用时应考虑管子的三个极限参数ICM、PCM和U(BR)CEO。失真尽可能小处于大信号工况下的管子不可避免地存在非线性失真。应考虑在获得尽可能大的功率输出下将失真限制在允许范围内。散热条件要好“极限运用”状态下的晶体管产生的结温和管壳温升非常大。散热问题应充分重视，必须采取措施使功放管有效地散热。2022/7/257.4.2 功率放

12、大器中的交越失真 推挽工作的互补对称功放电路中，两个管子在信号周期内交替工作，各自产生半个周期的信号波形。 ui/V t00.6-0.6 uo/V t00.6-0.6过零处的交越失真由于两管工作时存在死区2022/7/257.4.3 功率放大器的分类乙类甲乙类甲类存在交越失真、功耗小、效率高，可达78%以上。保真效果好、功耗低，效率在甲类和乙类之间。Q甲乙类功放是在乙类功放的基础上改造的，因此二者优点兼而有之，实际应用中最为普遍。高保真、功耗大、效率低，最多可达50%。QQ2022/7/25OCL电路双电源供电方式，射极电位VE=0：特点VE2022/7/25OCL电路工作原理 OCL电路只要

13、R1、R2数值选择适当，当ui =0时，二极管VD1和VD2导通，使IB1、IB2、VB1和VB2处于一定的静态值，让VT1和VT2的发射结静态时始终存在一个适当的微偏压，用以消除乙类功放过零处的交越失真。VE=0静态分析ui=0时，两管均处于微导通状态，有显然，两管射极电流大小相等、方向相反，因此：VE=02022/7/25OCL电路工作原理VE=0动态分析输入信号正半周，ui0，三极管VT1导通，VT2截止，电流iC1经+VCC自上而下经VT1流过负载RL；输入信号负半周，ui 0，三极管VT2导通，VT3截止，电流iC2经VCC自上而下经VT2流过负载RL，同时对电容C充电；输入信号负半

14、周，ui 1时基本放大电路输入信号被增强，反馈形式为正反馈；1时2022/7/257.5.2 负反馈的基本类型及其判别负反馈的基本类型1电压串联负反馈2电压并联负反馈4电流并联负反馈3电流串联负反馈2022/7/257.5.2 负反馈的基本类型及其判别1432负反馈类型判别ui电压串联负反馈uo取自电压电压反馈串联反馈ui电压并联负反馈uo取自电压电压反馈并联反馈ui电流串联负反馈io取自电流电流反馈串联反馈ui电流并联负反馈io取自电流电流反馈并联反馈2022/7/257.5.2 负反馈的基本类型及其判别如何进行类型判别？判断电压反馈还是电流反馈？从输出端入手，若反馈信号取自于输出电压，则为

15、电压反馈，若反馈信号取自于输出电流，则为电流反馈。交直流反馈的判别判断串联反馈还是并联反馈？从输入端入手，若反馈信号、输入信号和差值信号三者以电压代数和形式出现，为串联反馈；若三者以电流代数和形式出现则为并联反馈。如果反馈网络中的反馈元件是电阻，则为交直流反馈；若反馈网络元件是电容，则为交流反馈。2022/7/257.5.2 负反馈的基本类型及其判别举例ubeuiufuo对输入回路列KVL:ui = ube + uf从输出端看，反馈量uf取自于输出电压，判断为电压反馈；从输入端看，反馈量、输入量及净输入量以电压求和的形式出现，因此是串联反馈；结论电压串联负反馈2022/7/257.5.2 负反

16、馈的基本类型及其判别举例iiui对输入回路列KCL:ii = ib + if从输出端看，反馈量if取自于输出电压，判断为电压反馈；从输入端看，反馈量、输入量及净输入量以电流求和的形式出现，因此是并联反馈；结论电压并联负反馈uoifid2022/7/257.5.2 负反馈的基本类型及其判别举例ube结论电流串联负反馈uiuf对输入回路列KVL:ui = ube + uf从输出端看，反馈量uf取自于输出电流，判断为电流反馈；从输入端看，反馈量、输入量及净输入量以电压求和的形式出现，因此是串联反馈；2022/7/257.5.2 负反馈的基本类型及其判别举例ii结论电流并联负反馈ifid对输入回路列K

17、CL:ii = ib + if从输出端看，反馈量if取自于输出电流，判断为电流反馈；从输入端看，反馈量、输入量及净输入量以电流求和的形式出现，因此是并联反馈；io2022/7/25判断下图中有哪些反馈回路，属于交流反馈还是直流反馈？例解根据反馈网络中元件判断反馈是直流反馈?交流反馈?还是交直流反馈？该反馈通道是阻容支路，由于电容的通交隔直作用，判断此反馈通道属于交流反馈形式。7.5.2 负反馈的基本类型及其判别该反馈通道元件是电阻，因此属于交直流反馈形式。2022/7/25负反馈对放大电路性能的影响01提高了放大电路的稳定性02展宽了放大电路的通频带03减小了放大电路的非线性失真04提高输入电

18、阻 减小输出电阻2022/7/25 判断是正反馈还是负反馈一般采用什么方法？ 思考与练习 判断下图所示各电路的反馈类型。 a.电压串联负反馈参考答案： b.电压并联负反馈2022/7/251.什么叫反馈？正反馈和负反馈对电路的影响有何不同？放大电路一般采用哪种反馈形式？如何判断放大电路中的各种反馈类型？Sikaoyulianxi思考与练习放大电路引入负反馈后，能给电路的工作性能带来什么改善？放大电路的输出信号本身就是一个已产生了失真的信号，引入负反馈后能否使失真消除？2022/7/257.6 集成运算放大器及其理想电路模型通用型以通用为目的而设计的。产品有单运放A741、双运放LM358、四运

19、放的LM324及以场效应管为输入级的LF356等.。 高速型高速型运算放大器的主要特点是具有较高的转换速率和较宽的频率响应。常见的高速型集成运放有LM318、A715等，其SR=5070V/s，BWG20MHz。低功耗型常用的低功耗型运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为218V，消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达微瓦级，. 高阻型 这类运放的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，常用的有四运放的LF356、LF355、LF347等。低温漂型自动控制仪表中常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、AD508及或由MOS应管组成的斩波稳零型低漂移器件ICL

20、7650等。. 高压大功率型高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。常用的有D41、A791等。集成运算放大器的分类2022/7/257.6.2 集成运放管脚功能及元器件特点图示为常用A741集成运放芯片产品实物图A741集成运放的8个管脚排列图如下：调零端 反相输入端 同相输入端 负电源端 调零端 输出端 正电源端 空脚 2022/7/257.6.2 集成运放管脚功能及元器件特点A741集成运放图形符号A741集成运放外部接线图反相输入端同相输入端输出端12V+12V管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连 调零电位器 调零电位器的可调端与管脚4相连。2022

21、/7/257.6.2 集成运放管脚功能及元器件特点01020304在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度特性较一致电阻及电容集成数值范围窄，电阻仅在几十至几十k，电容仅为几十F。电感目前不能集成。集成运放中的元器件性能参数的绝对误差比较大，但同类元器件的性能参数之比值较为精确纵向NPN管值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向PNP管的值很小，但其PN结的耐压高。2022/7/257.6.3 集成运放的主要性能指标3421负反馈类型判别差模输入电阻集成运放的开环电压放大倍数Auo很高，可达104107，不同功能的运放Auo数值相差较悬殊。开环电压放大倍数闭环输出电阻最大共模输入电压Uicmax指在保证运放正常工作条件下，运放所能承受的最大共模输入电压。最大共模输出电压由于运放总是工作在深度负反馈