第八章：集成放大電路及其應(yīng)用內(nèi)容提要內(nèi)容提要本章主要介紹運(yùn)算放大器及其應(yīng)用在介紹時(shí)，先用方框圖介紹主干電路的組成，當(dāng)具體到內(nèi)部電路時(shí)，對(duì)一些輔助電路則用通用符號(hào)表示，不給出詳細(xì)電路即使是主干電路，也只給出其中影響基本工作原理的部分電路，而對(duì)一些提高指標(biāo)的附加部分，擇其重要而又有代表性的部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕榻B對(duì)集成引腳端的內(nèi)部電路介紹較為詳細(xì)，從而有助于實(shí)際中的使用運(yùn)算放大器概述(一)第一節(jié)：運(yùn)算放大器概述運(yùn)算放大器的電路符號(hào)中有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸入端：同相輸入端反相輸入端運(yùn)放通常具有高增益，從而容易在深負(fù)反饋條件下運(yùn)用，此時(shí)閉環(huán)下的輸入、輸出電壓關(guān)系取決于外接反饋電路根據(jù)外接反饋的不同，輸入輸出之間具有不同的運(yùn)算關(guān)系，運(yùn)算放大器也由此得名運(yùn)算放大器概述(二)第一節(jié)：運(yùn)算放大器概述第一級(jí)采用差放電路的原因在于其有很高的共模抑制比第二級(jí)有較大的放大量，采用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單邊線路第三級(jí)采用互補(bǔ)線路，可以減小大信號(hào)時(shí)引起的非線性失真利用中間級(jí)輸入、輸出端的跨接電容來(lái)防止和消除自激振蕩對(duì)稱輸入式雙極型管運(yùn)算放大器電路第二節(jié)：通用運(yùn)算放大器的工作原理靜態(tài)工作點(diǎn)由、和確定，，，組成共集-共基混合連接差動(dòng)放大電路輸入級(jí)，，是中間增益級(jí)由于這種電路具有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，故用電壓放大倍數(shù)來(lái)表征其放大量時(shí)，其值較少受信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載變化的影響非對(duì)稱輸入式雙極型管運(yùn)算放大器電路第二節(jié)：通用運(yùn)算放大器的工作原理該運(yùn)放也有兩個(gè)輸入端：Y端連接和的基極，為高輸入阻抗端X端連接和的發(fā)射極，為低輸入阻抗端由于兩個(gè)輸入端的電路結(jié)構(gòu)和輸入阻抗均不相同，故稱為非對(duì)稱輸入級(jí)中間級(jí)的結(jié)構(gòu)末級(jí)的結(jié)構(gòu)該電路具有很好的溫度穩(wěn)定性所需的補(bǔ)償電容較小MOS型運(yùn)算放大器電路第二節(jié)：通用運(yùn)算放大器的工作原理MOS電路具有密度高、功耗小的特點(diǎn)，和為恒流源電路，各自具有不同的作用和組成輸入級(jí)的差動(dòng)放大電路為第二級(jí)放大管只有兩級(jí)的原因在于該運(yùn)放用于集成電路內(nèi)部，其負(fù)載一般為MOS管的柵極，不要求大電流是為防止自激振蕩的補(bǔ)償電容直流參數(shù)(一)第三節(jié)：運(yùn)算放大器的主要參數(shù)輸入失調(diào)電壓使輸出電壓為0的外加差模輸入電壓輸入失調(diào)電壓漂移(溫漂)系數(shù)輸入失調(diào)電壓的大小隨溫度而變化，這一現(xiàn)象稱為溫漂。失調(diào)電壓的變化與相應(yīng)的溫度變化的比值即為溫漂系數(shù)輸入偏置電流當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為0時(shí)，兩個(gè)輸入端的偏置電流的平均值輸入失調(diào)電流使輸出電流為0的外加差模輸入電流直流參數(shù)(二)第三節(jié)：運(yùn)算放大器的主要參數(shù)其定義類似于輸入失調(diào)電壓漂移系數(shù)輸入失調(diào)電流漂移(溫漂)系數(shù)電源電壓抑制比當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，輸入失調(diào)電壓隨電源電壓改變的變化率輸出電壓峰-峰值特定負(fù)載條件下，運(yùn)放能輸出的最大電壓幅度最大差模輸入電壓與最大共模輸入電壓交流參數(shù)(一)第三節(jié)：運(yùn)算放大器的主要參數(shù)開(kāi)環(huán)帶寬運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益比零頻增益值下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率單位增益帶寬將運(yùn)放的輸出端通過(guò)一個(gè)電阻和反相輸入端相連，輸入信號(hào)施加于同相輸入端，構(gòu)成零頻閉環(huán)增益為1的電路。小信號(hào)閉環(huán)增益下降至零頻增益的0.707倍時(shí)的帶寬即為單位增益帶寬用簡(jiǎn)化等效電路推導(dǎo)可得：交流參數(shù)(二)第三節(jié)：運(yùn)算放大器的主要參數(shù)擺動(dòng)速率在額定的負(fù)載條件下，運(yùn)放輸出電壓的最大變化率。也稱為轉(zhuǎn)換速率運(yùn)放的擺率與是否加有負(fù)反饋無(wú)關(guān)，也與輸入信號(hào)形狀無(wú)關(guān)推導(dǎo)可得：交流參數(shù)(三)第三節(jié)：運(yùn)算放大器的主要參數(shù)滿功率帶寬當(dāng)輸出電壓幅度達(dá)到某一額定值時(shí)，輸出波形失真系數(shù)不超過(guò)某一值的頻率推導(dǎo)可得：建立時(shí)間從到達(dá)偏離某一特定值范圍內(nèi)所需的時(shí)間交流參數(shù)(四)第三節(jié)：運(yùn)算放大器的主要參數(shù)差模輸入阻抗運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，兩輸入端的差模電壓變化與相應(yīng)的輸入端電流變化之比共模輸入阻抗當(dāng)給運(yùn)放施加共模輸入電壓時(shí)，共模輸入電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量之比輸出阻抗其定義與普通放大電路的相同反相輸入式放大電路(一)第四節(jié)：運(yùn)算放大器輸入信號(hào)的連接方式關(guān)于電源端、失調(diào)端的說(shuō)明電路結(jié)構(gòu)說(shuō)明溫漂補(bǔ)償電阻的原理說(shuō)明在深負(fù)反饋條件下，可推導(dǎo)得出反相輸入式放大電路(二)第四節(jié)：運(yùn)算放大器輸入信號(hào)的連接方式使用T型網(wǎng)絡(luò)代替后，可以在不使用高阻值電阻來(lái)獲得提高輸入電阻且保持放大倍數(shù)不變的效果同相輸入式放大電路第四節(jié)：運(yùn)算放大器輸入信號(hào)的連接方式各元件的作用與反相輸入式放大電路中的相同在深負(fù)反饋條件下，可推導(dǎo)得出閉環(huán)輸出電阻與反相輸入式放大電路相同同相輸入式放大電路的反相輸入端有一個(gè)等于輸入電壓的共模電壓，而在反相輸入式放大電路中，共模輸入電壓接近0以運(yùn)放為基本放大器的電路的分析方法第四節(jié)：運(yùn)算放大器輸入信號(hào)的連接方式深負(fù)反饋下器件的重要特性：同相輸入端和反相輸入端之間具有虛開(kāi)路特性同相輸入端和反相輸入端之間具有虛短路特性由于反饋是電壓負(fù)反饋，故輸出電壓十分穩(wěn)定，基本不隨負(fù)載而變理想運(yùn)放的特點(diǎn)：輸入阻抗無(wú)限大開(kāi)環(huán)增益無(wú)限大輸出阻抗為0需要注意二者之間的原則性區(qū)別：深負(fù)反饋是有條件的，且必須加有電壓負(fù)反饋；而理想運(yùn)放是無(wú)條件的深負(fù)反饋是建立在“相對(duì)誤差”小上的；理想運(yùn)放是建立在絕對(duì)值大小上的非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器綜述第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性反饋分為電流反饋和電壓反饋，是根據(jù)反饋電路在放大器輸出端的連接方式而確定的：若反饋信號(hào)取樣元件在放大器輸出端和負(fù)載串聯(lián)，則為電流反饋若反饋信號(hào)取樣元件在放大器輸出端和負(fù)載并聯(lián)，則為電壓反饋無(wú)法用電流反饋、電壓反饋的定義來(lái)區(qū)分右圖使用非對(duì)稱/對(duì)稱輸入式的叫法來(lái)區(qū)分將更加清晰明確開(kāi)環(huán)特性第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性推導(dǎo)可得：為電流鏡CM1或CM2的等效輸出電阻若負(fù)載為，則：分析閉環(huán)特性的簡(jiǎn)化等效電路第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假定：反饋電路在輸出端的連接方式是電壓反饋，從而可忽略放大器的開(kāi)環(huán)輸出電阻同相輸入時(shí)，信號(hào)源的內(nèi)阻遠(yuǎn)比Y端輸入電阻小，近似認(rèn)為Y端輸入電阻無(wú)窮大在工作頻率內(nèi)，整個(gè)電路中影響頻率特性的電抗是兩個(gè)輸入端之間的等效方式中間級(jí)電流鏡的電流和相等輸出級(jí)的等效方式注意：反相輸入式放大電路(一)第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性推導(dǎo)可得：其中兩種運(yùn)放構(gòu)成的反相輸入式放大電路的零頻閉環(huán)增益相等，原因?yàn)閮煞N情況下電路均滿足虛短路和虛開(kāi)路的條件由于兩者X端(同相輸入端)阻抗不等，故其反饋系數(shù)表達(dá)式不同反相輸入式放大電路(二)第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性開(kāi)環(huán)上截止頻率：閉環(huán)上截止頻率：分別通過(guò)改變或來(lái)改變閉環(huán)帶寬時(shí)，對(duì)閉環(huán)上截頻和帶寬增益積的影響不同因此，籠統(tǒng)地認(rèn)為非對(duì)稱輸入運(yùn)放的帶寬增益是常數(shù)，或不是常數(shù)而與增益成正比，都是片面的，因?yàn)榈贸鰞煞N不同的結(jié)論的條件不同同相輸入式放大電路第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性推導(dǎo)可得：其中關(guān)于截止頻率和增益帶寬的討論與反相輸入式放大電路相似需要注意，在頻率較高，接近閉環(huán)上截止頻率時(shí)，極間電容的影響還是可觀的擺動(dòng)速率第五節(jié)：非對(duì)稱輸入式運(yùn)算放大器的特性擺動(dòng)速率是一個(gè)大信號(hào)參數(shù)，與對(duì)稱輸入式運(yùn)放一樣，它取決于補(bǔ)償電容的充電速率。補(bǔ)償電容上的電壓通過(guò)射極輸出電路送到輸出端，故上的電壓就是輸出電壓和對(duì)稱輸入式運(yùn)放不同的是給電容充電的電流不是輸入級(jí)的電流，而是中間級(jí)電流鏡的輸出電流。當(dāng)補(bǔ)償電容容量相等時(shí)，二者擺動(dòng)速率之比，便是非對(duì)稱輸入式運(yùn)放中間級(jí)電流鏡的最大可能輸出電流與對(duì)稱輸入式運(yùn)放輸入級(jí)最大可能輸出電流之比單電源供電運(yùn)算放大電路第六節(jié)：其他集成放大電路若雙電源供電運(yùn)放的電源正端接運(yùn)放的正電源連接端，電源負(fù)端和運(yùn)放的負(fù)電源連接端連接，并接公共地端；則運(yùn)放輸入端接地時(shí)運(yùn)放將無(wú)法工作靜態(tài)時(shí)，至、 和的集電結(jié)均處于零偏壓狀態(tài)當(dāng)輸入信號(hào)不為0時(shí)，輸入級(jí)各管的集電結(jié)電壓將在0V左右變化注意該電路輸入、輸出電壓范圍雙電源供電運(yùn)放的單電源供電運(yùn)用第六節(jié)：其他集成放大電路該電路難以放大緩慢變化的信號(hào)跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(一)第六節(jié)：其他集成放大電路和構(gòu)成一般的差動(dòng)放大電路分別構(gòu)成4個(gè)電流鏡在各個(gè)電流鏡均為理想的情況下，負(fù)載的電流為若負(fù)載電阻遠(yuǎn)小于輸出電流鏡的內(nèi)阻，則有：跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(二)第六節(jié)：其他集成放大電路該電路為集電極輸出，具有較高的輸出電阻；輸入為基極，輸入電阻也較高。故增益用輸出電流與輸入電壓之比來(lái)表示較為合適，且增益大小受信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻變化的影響較小由于該電路增益的量綱為跨導(dǎo)，故稱為跨導(dǎo)運(yùn)放當(dāng)外加反饋電路滿足深負(fù)反饋條件時(shí)，控制端的作用便失效電壓跟隨器電壓跟隨器也成為電壓緩沖器，或緩沖放大器，常用于要求高輸入阻抗和低輸出阻抗的阻抗變換電路中第六節(jié)：其他集成放大電路將通用運(yùn)放加100%的電壓負(fù)反饋，信號(hào)由同相輸入端輸出，便是電壓跟隨器。但這種方法所構(gòu)成的通頻帶會(huì)變得很窄使用專用跟隨器或開(kāi)環(huán)式電壓跟隨器時(shí)，頻帶會(huì)更寬一些。其主要原因在于專用電壓跟隨器中放大器無(wú)需高增益，補(bǔ)償電容也相對(duì)較小集成功率放大器第六節(jié)：其他集成放大電路集成功率放大器也稱為功率集成塊，此類放大器多應(yīng)用于聲頻范圍該電路也是由3個(gè)放大級(jí)組成的推導(dǎo)可得：電路結(jié)構(gòu)說(shuō)明及其它注意事項(xiàng)相加運(yùn)算電路(一)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路利用運(yùn)放構(gòu)成運(yùn)算電路的原理是深負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù)取決于反饋電路的反饋系數(shù)，而與放大器內(nèi)部參數(shù)無(wú)關(guān)故選用不同元件組成反饋電路，便可得到輸出電壓與輸入電壓的不同運(yùn)算關(guān)系運(yùn)算結(jié)果的精確性，取決于深負(fù)反饋條件滿足的程度相加運(yùn)算電路(二)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路故改變某一路輸入信號(hào)的信號(hào)源與運(yùn)放反相輸入端之間的電阻，就可以單獨(dú)改變?cè)撀沸盘?hào)的傳輸比例系數(shù)物理原因在于參與相加運(yùn)算的會(huì)聚點(diǎn)具有虛地特性反相輸入式相加電路相加運(yùn)算電路(三)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路同相輸入式相加電路相加運(yùn)算電路(四)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路同相輸入式相加電路不能通過(guò)改變信號(hào)源和放大器輸入端之間的一個(gè)電阻，單獨(dú)改變某一路的傳輸比例系數(shù)原因在于各路信號(hào)的會(huì)聚點(diǎn)會(huì)隨任一輸入電壓的改變而發(fā)生變化輸入端具有較高的共模電壓輸入電阻并不大相減運(yùn)算電路第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路可以使用獨(dú)立源疊加定理來(lái)進(jìn)行分析積分運(yùn)算電路(一)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路反相輸入式積分電路注意：隨著工作頻率的升高，放大器的放大倍數(shù)會(huì)減小，誤差將隨之增大積分運(yùn)算電路(二)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路同相輸入式積分電路要使該圖獲得精確的積分關(guān)系，4個(gè)電阻必須精確匹配，否則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算誤差積分運(yùn)算電路(三)第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路差動(dòng)積分電路微分運(yùn)算電路第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路反相輸入式微分電路推導(dǎo)可得：工作頻率降低時(shí)，運(yùn)算誤差減??；工作頻率升高時(shí)，誤差增大差動(dòng)微分電路可按照差動(dòng)積分電路類似的方式推導(dǎo)其電壓傳輸關(guān)系基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路當(dāng)加到PN結(jié)上的電壓大于100mV且流過(guò)二極管的電流不十分大時(shí)，有：在深負(fù)反饋條件下，可得：為滿足對(duì)數(shù)運(yùn)算的條件，除深負(fù)反饋以外，電流只允許有個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)運(yùn)用范圍以三極管作為對(duì)數(shù)管的對(duì)數(shù)運(yùn)算電路第七節(jié)：運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路利用運(yùn)放反相輸入