1、第五章 集成運算放大器,湘鄉(xiāng)市第一職業(yè)中專 李梅陽,集成運算放大器高增益的直接耦合的集成的多級放大器。,集成電路的工藝特點： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。 （2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。 （4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。 （5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。,什么是集成運算放大器？,直耦放大電路的特殊問題零點漂移,零漂現(xiàn)象：,產(chǎn)生零漂的原因：,零漂的衡量方法：,由溫度變化引起的。當溫度變化

2、使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂。,輸入ui=0時，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。,將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計算。,例如,若輸出有1 V的漂移電壓 。,則等效輸入有100 uV的漂移電壓,假設(shè),第一級是關(guān)鍵,3. 減小零漂的措施,用非線性元件進行溫度補償,采用差動放大電路,等效 100 uV,漂移 1 V,第一節(jié) 差動放大電路,即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,2020/7/23,1. 差動放大電路一般

3、有兩個輸入端： 雙端輸入從兩輸入端同時加信號。 單端輸入僅從一個輸入端對地加信號。,2. 差動放大電路可以有兩個輸出端。 雙端輸出從C1 和C2輸出。 單端輸出從C1或C2 對地輸出。,二. 幾個基本概念,3. 差模信號與共模信號,差模信號：,共模信號：,差模電壓增益：,共模電壓增益：,總輸出電壓：,4. 共模抑制比,三.差動放大電路的基本工作原理,1. 靜態(tài)工作點的計算：,忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V,2.抑制零漂的原理:,Uo= UC1 - UC2 = 0,當ui1 = ui2 = 0 時，,當溫度變化時：,UC1 = UC2,設(shè)T ic1 ,ic2 uc1 , uc2 uo= uc

4、1 - uc2 = 0,(1)加入差模信號,ui1=-ui2 =uid/2，,3.電路的動態(tài)分析,所以，Re對差模信號相當于短路。,若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不變 UE不變,uic=0。,求差模電壓放大倍數(shù)：,因為ui1 =- ui2,設(shè)ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。 電路對稱uo1=uo2 uo= uo1 uo2=2 uo1,差模電壓放大倍數(shù),差模輸入電阻,輸出電阻,(2)加入共模信號,ui1=ui2 =uic， uid=0。,設(shè)ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化)。,共模電壓

5、放大倍數(shù),例： 擴音系統(tǒng),什么是功率放大器？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后，往往要去推動一個實際的負載。如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個實際負載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器,第二節(jié) OCL電路與OTL電路,一. 功放電路的特點,（2） 功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）輸出功率Po盡可能大,(3) 電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。,(4) 電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負載，盡量減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。,Po: 負載上得到

6、的交流信號功率。 PE ： 電源提供的直流功率。,（5）功放管散熱和保護問題,二. 功率放大器的幾種工作狀態(tài),甲類：Q點適中，在正弦信號的整個周期內(nèi)均有電流流過放大器。,甲乙類：介于兩者之間，導(dǎo)通角大于180,乙類：靜態(tài)電流為0，只在正弦信號的半個周期內(nèi)均導(dǎo)通。,一. 結(jié)構(gòu),互補對稱： 電路中采用兩個晶體管：NPN、PNP各一支； 兩管特性一致。組成互補對稱式射極輸出器。,雙電源互補對稱電路-OCL電路,二、工作原理（設(shè)ui為正弦波）,靜態(tài)時：,ui = 0V ic1、ic2均=0（乙類工作狀態(tài)） uo = 0V,動態(tài)時：,ui 0V,T1截止，T2導(dǎo)通,ui 0V,T1導(dǎo)通，T2截止,iL=

7、 ic1 ;,iL=ic2,T1、T2兩個管子交替工作，在負載上得到完整的正弦波。,輸入輸出波形圖,死區(qū)電壓,組合特性分析圖解法,負載上的最大不失真電壓為Uom=VCC- UCES,最大不失真輸出功率Pomax,1.輸出功率Po,三、分析計算,存在交越失真,乙類互補對稱功放的缺點,靜態(tài)時: T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、 D2的正向?qū)▔航担率箖晒芫幱谖⑷鯇?dǎo)通狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài),動態(tài)時：設(shè) ui 加入正弦信號。正半周 T2 截止，T1 基極電位進一步提高，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負半周T1截止，T2 基極電位進一步降低，進入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。,電路中增加 R1、D1、D2、R2支路,

8、1.基本原理,甲乙類互補對稱功率放大電路,一. 甲乙類雙電源互補對稱電路,波形關(guān)系：,特點：存在較小的靜態(tài)電流 ICQ 、IBQ 。每管導(dǎo)通時間大于半個周期，基本不失真。,2.帶前置放大級的功率放大器,（甲乙類互補對稱電路的計算同乙類）,3. 電路中增加復(fù)合管,增加復(fù)合管的目的：擴大電流的驅(qū)動能力。, 1 2,晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。,復(fù)合NPN型,復(fù)合PNP型,4. 帶復(fù)合管的OCL互補輸出功放電路：,T1：電壓推動級（前置級）,T2、R1、R2：UBE擴大電路,T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成互補對稱功放,輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。,合理

9、選擇R1、R2，b3、b5間可得到 UBE2 任意倍的電壓。,1、基本原理,. 單電源供電；,. 輸出加有大電容。,（1）靜態(tài)偏置,二. 甲乙類單電源互補對稱電路OTL電路,調(diào)整RW阻值的大小，可使,此時電容上電壓,（2）動態(tài)分析,（電容起到了負電源的作用）,Ui負半周時， T1導(dǎo)通、T2截止；,Ui正半周時， T1截止、T2導(dǎo)通。,（3）輸出功率及效率,若忽略交越失真的影響。則：,此電路存在的問題：,輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達不到VCC/2。,2. 帶自舉電路的單電源功放,靜態(tài)時,C1充電后，其兩端有一固定電壓,動態(tài)時,由于C1很大，兩端電壓基本不變，使C1上端電位隨輸出電壓升高而

10、升高。保證輸出幅度達到VCC/2。,C1、R7為自舉電路,3.帶運放前置放大級的功率放大電路,運放A接成同相輸入方式作前置放大級。引入了電壓 串聯(lián)負反饋。整個電路的電壓放大倍數(shù)：,總結(jié)：互補對稱功放的類型,第三節(jié) 集成運放簡介,一. 集成運放的總體結(jié)構(gòu),二. 簡單的集成運放,原理電路：,集成運算放大器符號,國際符號：,國內(nèi)符號：,集成運放的特點：,電壓增益高,輸入電阻大,輸出電阻小,1.輸入失調(diào)電UIO 輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。,三、 集成運算放大器的主要參數(shù),2.輸入失調(diào)電壓溫漂 dUIO /dT 在規(guī)定工作溫度范圍

11、內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。,4.輸入失調(diào)電流 IIO ： 在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。,3.輸入偏置電流IIB ： 輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。,5.輸入失調(diào)電流溫漂dIIO /DT: 在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。,6.最大差模輸入電壓Uidmax 運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。,7.最大共模輸入電壓Vicmax 在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過

12、此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。,8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod ： 無反饋時的差模電壓增益。 一般Aod在100120dB左右，高增益運放可達140dB以上。,9.差模輸入電阻rid ： 雙極型管輸入級約為105106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達109歐姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。,11.3dB帶寬 f H ： 運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬 f H 。,第四節(jié) 信號的運算與處理電路,一、 比例運算電路,1、反相輸入比例運算電路,電壓跟

13、隨器,例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求輸出電壓uo，并說明輸入級的作用。,例 在圖示電路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求輸出電壓uo。,二、 加法和減法運算電路,1、加法運算電路,2、減法運算電路,例：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。,解：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯(lián)而成。,例：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。,解：電路由第一級的同相比例運算電路和第二級的減法運算電路級聯(lián)而成。,例 試用兩級運算放大器設(shè)計一個加減運算電路，實現(xiàn)以下運算關(guān)系：,解 由題中給出

14、的運算關(guān)系可知ui3與uo反相，而ui1和ui2與uo同相，故可用反相加法運算電路將ui1和ui2相加后，其和再與ui3反相相加，從而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相兩次。根據(jù)以上分析，可畫出實現(xiàn)加減運算的電路圖，如圖所示。,由圖可得：,例：求圖示電路中uo與ui的關(guān)系。,三、 調(diào)零,四、 保護,調(diào)零時應(yīng)將電路接成閉環(huán)。調(diào)零分兩種，一種是在無輸入時調(diào)零，即將兩個輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。另一種是在有輸入時調(diào)零，即按已知輸入信號電壓計算輸出電壓，而后將實際值調(diào)整到計算值。,1、輸入端保護,3、電源保護,2、輸出端保護,1直耦放大器的一個嚴重的問題是零點漂移。差動放大器是解決零點漂移問題的有效方法。差動放