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1、2023/9/16,1,9.1 概述9.2 零点漂移9.3 差动放大电路9.4 集成运算放大器的性能参数9.5 集成运算放大器的应用,第9章 集成运算放大器,2023/9/16,2,研究对象：集成运算放大器的应用。关注焦点：如何利用理想运放的特点，分析运放电路。本章主要讨论集成运放的应用，关于集成运放的工作原理和内部结构留给要深入了解集成运放同学自学,集成运放的应用电路从功能上分有信号运算、信号处理、信号产生电路等。,2023/9/16,3,1.集成电路简介,集成电路(Integrated circuit缩写为IC)是应用半导体制造工艺把晶体管、场效应管、电阻、小容量电容等许多元器件以及它们之
2、间的连线都做在同一硅片上，然后封装在管壳里。这样制成的具有特定功能的电子电路称为集成电路。特点：体积小、重量轻、性能好、功耗低、可靠性高。,9.1 概述,2023/9/16,4,2.集成电路的分类,集成电路按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。模拟集成电路按其特点分为集成运算放大器、集成稳压器、集成功率放大器等。,2023/9/16,5,3.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，在毫瓦以下。（3）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pF以下的小电
3、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。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,2023/9/16,6,9.2 零点漂移,零漂现象：,产生零漂的原因：,温漂指标：,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入Vi=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,2023/9/16,7,例如,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 m
4、V。,假设,第一级是关键,减小零漂的措施：,用非线性元件进行温度补偿,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+10 mV,漂移 1 V+10 mV,2023/9/16,8,9.3 差动放大电路,即：1=2=VBE1=VBE2=VBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb,2023/9/16,9,1.差动放大电路一般有两个输入端：双端输入从两输入端同时加信号。单端输入仅从一个输入端对地加信号。,2.差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。双端输出从C1 和C2输出。单端输出从C1或C2 对
5、地输出。,二.几个基本概念,2023/9/16,10,3.差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,4.共模抑制比,2023/9/16,11,三.差动放大电路的基本工作原理,1.静态工作点的计算：,忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0V,2023/9/16,12,2.抑制零漂的原理:,vo=vC1-vC2=0,vo=(vC1+vC1)-(vC2+vC2)=0,当vi1=vi2=0 时，,当温度变化时：,vC1=vC2,vC1=vC2,2023/9/16,13,(1)加入差模信号,设：vi1=-vi2=vid/2，vic=0。,3.电路的动态分析,Re对差模
6、信号相当于短路,设vi1,vi2 ib1,ib2 ie1,ie2 ie1=-ie2 IRe不变 VE不变,2023/9/16,14,其等效电路为：,因为vi1=-vi2,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,2023/9/16,15,(2)加入共模信号,设：vi1=vi2=vic，vid=0。,设vi1，vi2，使vo1，vo2。因vi1=vi2，vo1=vo2 vo=0(理想化)。,共模电压放大倍数,2023/9/16,16,四.差动放大器的输入输出方式,差动放大器共有四种输入输出方式:1.双端输入、双端输出（双入双出）2.双端输入、单端输出（双入单出）3.单端输入、双端输出（单入双出）
7、4.单端输入、单端输出（单入单出）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,2023/9/16,17,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,2023/9/16,18,2.双端输入单端输出,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,2023/9/16,19,（4）共模电压放大倍数,共模等效电路,2023/9/16,20,3.单端输入双端输出,单端输入等效双端输入:因为右侧的Rb+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe)/(1+
8、)Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,vi1=vi2=vi/2,计算同双端输入双端输出：,2023/9/16,21,4.单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号：设从T1的基极输入信号，如果从C1 输出，为负号；从C2 输出为正号。,计算同双入单出：,2023/9/16,22,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,2023/9/16,23,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输
9、入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时，双端输出时，,(4)输出电阻,2023/9/16,24,(5)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：,2023/9/16,25,五.带恒流源的差动放大电路,根据共模抑制比公式：,恒流源的直流电流数值为 IE3=(VZ-VBE3)/Re,可以看出：加大Re，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T3来代替Re。,恒流源相当于阻值很大的电阻。,恒流源不影响差模放大倍数。,恒流源使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比。理想的恒流源相当于阻值为无穷大的电阻，所以共模抑制比无
10、穷大。,恒流源的作用,2023/9/16,26,思 考 题,1.若在基本差动放大电路中增加两个电阻Re（如图所示）。则动态指标将有何变化？,答：,双端输出差模增益,差模输入电阻,单端输出共模增益,2023/9/16,27,差动放大器实例,2023/9/16,28,思 考 题,2.差动放大电路如图所示。分析下列输入和输出的相位关系：,反相,vC1与vi1,同相,vC2与vi1,同相,vC1与vi2,反相,vC2与vi2,反相,vO与vi1,同相,vO与vi2,3.静态时，两个输入端是否有静态偏置电流？,2023/9/16,29,1.认识集成运算放大器目前集成运放常见封装方式有圆金属壳式和双列直插
11、式封装，后者居多。双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类。,在这些管脚中，有一个同相输入端、一个反相输入端和一个输出端，有正、负电源输入端和公共地端。此外根据设计的不同要求还有若干个外接调零端。至少有一个外接调零端。,9.4 集成运算放大器的性能参数,2023/9/16,30,2.集成运算放大器的常用技术指标,开环增益：器件输出电压同相应输入电压的比值。它表示器件放大倍数的大小电压增益：输出电压变化量同相应输入电压变化量比值电源电压范围：器件正常工作的电源电压变化范围。电源电流：器件输入为0、输出开路、正常工作时从电源拉出的电流输入失调电压：使器件输出0V时的输入电压。输入电阻：在一
12、个输入端接地时，输入电压的变化量与输出电流变化量的比。,2023/9/16,31,输入电压范围：使器件能够正常工作的输入电压的变化范围。电源电压拟制比：电源电压规定的变化量与此范围内如失调电压变化量之比。共模拟制比：开环增益与共模增益的比值，单位是dB。带宽：电压增益降至低频率值以下3dB时的频率。转换时间：输入大的阶跃信号后，受内部限制可以得到输出电压的变化速率。,2023/9/16,32,3.集成运算放大器的重要指标,1.开环差模电压放大倍数Aod一般Aod越大越好，理想情况Aod=,2.最大输出电压Uop-p集成运放最大不失真输出电压的峰-峰值。例如：F007电源电压为15V，Uop-p
13、=10V，若Aod=105，则差模输入电压Uid=0.1mV,2023/9/16,33,3.差模输入电阻rid：差模输入电阻越大越好，理想情况rid=。4.输出电阻ro：输出电阻越小，说明带负载能力越强。理想情况ro=0,2023/9/16,34,9.5 集成运算放大器应用,运算放大器的两个工作区域（状态）,1.运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。运放的AVO=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,AVO越大，线性区越小，当AVO时，线性区0,2023/9/16,35,2.理想运算放大器：,开环电压放大倍数 AV0=差摸输入电阻 Rid=输出电阻 R0=0,为了扩大运放的线性区
14、，给运放电路引入负反馈：,理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！,运放工作在线性区的分析方法：虚短（U+=U-）虚断（ii+=ii-=0）,3.线性区,2023/9/16,36,4.非线性区（正、负饱和输出状态）,运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！,运放工作在非线性区的分析方法请同学们阅读有关参考书,2023/9/16,37,比例运算电路,一.反相比例运算,虚地点,i1=iF（虚断）,因为有负反馈，利用虚短和虚断,u+=0,u=u+=0（虚地）,平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1/RF,f,反馈方式：,电压并联负反馈,2023/9/16,38,例1.R
15、1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo、Ri，RP应为多大？,Au=-（Rf/R1）=-20/10=-2,特点：共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：输入电阻小（Ri=R1）,uo=Au ui=(-2)(-1)=2V，Ri=R1,RP=R1/Rf=10/20=6.7 k,2023/9/16,39,采用T型反馈网络的反相比例电路,目的：在高比例系数时，为避免RF阻值太大。,分析：u+=u-=0（虚短）i1=i2（虚断）,2023/9/16,40,二.同相比例运算放大器,u-=u+=ui,i1=iF（虚断）,RP=Rf/RF,因为有负反馈，利用虚短和虚断,反馈方式：,电压串联负反馈,20
16、23/9/16,41,例2.R1=10k,Rf=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？,uo=Au ui=(3)(-1)=-3VRP=Rf/R1=10/20=6.7 k,特点：输入电阻(高),2023/9/16,42,当RF=0时,Au=1,uo=ui,三.电压跟随器,此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,2023/9/16,43,1.反相求和运算：,虚地,若R1=R2=R,取RP=R1/R2/Rf,i1+i2=iF,9.5.2 基本运算电路,一.加法运算电路,2023/9/16,44,2.同相求和运算：,
17、取R2/R3=R1/Rf,2023/9/16,45,二.减法运算电路,（一)利用加法器,vi2-vi1=vi2+(-vi1),反相器（-1）,2023/9/16,46,叠加定理,（二）减法器,差动减法器,Vi1作用,Vi2作用,综合：,2023/9/16,47,1.积分电路,三.积分和微分电路,2023/9/16,48,反相积分器：如果u i=直流电压U,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,积分时限,设Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F,=0.05秒,2023/9/16,49,练习:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,(a)阶跃输入信号,(b)方波输入信号,积分器
18、的输入和输出波形图,2023/9/16,50,应用举例：输入方波，输出是三角波。,2023/9/16,51,2.微分电路：,u-=u+=0,2023/9/16,52,2023/9/16,53,一.对数电路,9.5.3 对数和反对数运算电路（自学）,利用PN结的指数特性实现对数运算,2023/9/16,54,其中，IES 是发射结反向饱和电流，uO是ui的对数运算。,BJT的发射结有,注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,利用虚短和虚断，电路有,也可利用半导体三极管实现对数运算,2023/9/16,55,二.反对数（指数）电路,2023/9/16,56,uO是ui的反对数运算（指数运
19、算）,用半导体三极管实现反对数运算电路,利用虚短和虚断，电路有,要求,以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路,2023/9/16,57,1.基本原理,三.对数反对数型模拟乘法器,实 现 框 图,2023/9/16,58,对于差放有：,2.集成模拟乘法器,（一）基本原理,2023/9/16,59,模拟乘法器功能：实现两个模拟量相乘,其中K为比例因子，,量纲:V-1,符号：,2023/9/16,60,（二）模拟乘法器的应用,1.相乘运算,模拟相乘器,立方运算电路,2.平方和立方运算,平方运算电路,3.除法运算电路,据虚断,如果令K=R2/R1则,工作（负反馈）条件？,4.开平方运算电路,
20、v1为负值！,负反馈条件？,二极管作用？,5.开立方运算电路,2023/9/16,64,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。,滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。,9.5.4 有源滤波电路,滤波器的分类：,低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）,2023/9/16,65,有源滤波器的频响,本课讨论由运放及RC元件构成的滤波器。,2023/9/16,66,滤波器的用途,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，其中包含一些较高频率成分的干扰。,2023/9/16,67,1.一阶RC低通
21、滤波器(无源),一.低通有源滤波器,2023/9/16,68,幅频特性、幅频特性曲线,2023/9/16,69,2.一阶有源低通滤波器,传递函数中出现 的一次项,故称为一阶滤波器,2023/9/16,70,相频特性：,幅频特性及幅频特性曲线,2023/9/16,71,电路特点:,2023/9/16,72,3.二阶有源低通滤波器,，A0=1+RF/R1,传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器,，,2023/9/16,73,以上两式表明，当 时，Q1，在 处的电压增益将大于，幅频特性在 处将抬高。,当Ao3时，Q=，有源滤波器自激。由于将C1接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以
22、在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。,幅频特性曲线,2023/9/16,74,二.高通有源滤波器,1.一阶有源高通滤波器,2023/9/16,75,幅频特性及幅频特性曲线,2023/9/16,76,2.二阶有源高通滤波器,由此绘出频率响应特性曲线,(1)通带增益,(2)频率响应,其中：,，,2023/9/16,77,结论：当ff0时，幅频特性曲线的斜率 为+40 dB/dec；当AO3时，电路自激。,频率响应特性曲线,2023/9/16,78,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通特征角频率,高通特征角频率,三.有源带通滤波器,2023/9/16,79,可由低通和高通并联得到,必须满足,四.有源带阻滤波器,
