模拟电子技术：第2章 集成运算放特性

2.1 放大电路基础2.2 运算放大器的基本概念2.3 运算放大器的开环传输特性2.4 运算放大器的线性模型2.5 运算放大器的非线性模型第2章 集成运算放大器的开环特性和等效模型2.1.1 放大电路的概念2.1.2 放大电路的等效模型2.1.3 放大电路的主要性能指标2.1 放大电路基础2.1.1 放大电路的概念放大电路的概念 信号放大信号放大是对信号乘比例系数的运算，比例系数称为增益增益或放大倍数放大倍数。音频放大器+V 扩音机放大电路框图 当有声波输入时，拾音器将声波转换为电压信号，音频放大器将其幅度和功率放大并驱动扬声器，扬声器将输出电压信号还原成较强的声波。当无声波输入时，拾音器输出电压为0，音频放大器的输出电压亦为0，扬声器没有声波输出，即直流直流电源电源+V不直接产生输出电压。不直接产生输出电压。虽然直流电源不能直接产生电压输出，但直流电源却是输出信输出信号功率的源泉号功率的源泉。例如，当关掉电源时，扬声器无声音输出。放大器的实质是信号功率的放大放大器的实质是信号功率的放大。放大器必需包含有将直流电源功率转换为信号功率的电子元器件，称为有源元件有源元件。由电路理论可知，有源元器件在电路中可以等效为受控电源。对于输入输出信号而言，包括直流电源在内的放大电路等效为含有受含有受控源的电阻性二端口网络控源的电阻性二端口网络。放大电路框图放大器ViVo+-+iiioRSVS+-RLVS 信号源电压 RS内阻 RL 负载 放大电路的增益定义为：放大电路的增益定义为：输入信号输出信号A根据信号的性质，增益分为：1.电压增益：电压增益：iovvvA（无量纲）2.电流增益：电流增益：ioiiiA（无量纲）3.互阻增益：互阻增益：4.互导增益：互导增益：iorivA iogviA（电阻量纲）（电导量纲）5.功率增益：功率增益：iviioopAAivivAiopPPA 对于电阻性负载：放大电路框图放大器ViVo+-+iiioRSVS+-RL（无量纲）随时间变化的电压或电流等end放大器ViVo+-+iiioRSVS+-RL 电压放大模型ViVo+-+iiioRSVSRLRoRiAVOVi+-与放大电路的外特性等效外特性等效的电路的电路称为放大电路的等效模型。2.1.2 放大电路的等效模型放大电路的等效模型1.电压放大模型电压放大模型含有受控源的电阻性二端网络 从输出端看：等效为输出电阻和受控电压源串联。戴维宁定理 从输入端看的电路等效为输入电阻Ri。iiiivR 0svoooivRLRiovovvA开路开路电压增益iovvvA 电压增益 受控源Avovi反映了放大电路的电压放大能力和功率放大能力，即将直流电压源输出功率转换为信号功率的能力将直流电压源输出功率转换为信号功率的能力。带负载时带负载时输出电压输出电压：oLLivooRRRvAv负载电压增益：oLLvoiovRRRAvvA输入电压：输入电压：ssiiivRRRv信号源电压增益：信号源电压增益：siivsiiosovsRRRAvvvvvvA 电压放大模型ViVo+-+iiioRSVSRLRoRiAVOVi+-输入电流：issiRRviLRiovovvAiovvvA 结结 论：论：输出电阻越小、开路增益和输入电阻越大，则输出电压越大。输出电阻越小、开路增益和输入电阻越大，则输出电压越大。综上所述，设计放大器时，总是希望其开路电压增益和输入电阻大（Ri RS）、输出电阻很小（Ro 104（80dB）很小很小103（60dB）idvovVidmax-VidmaxVOsat+VOsat-Vidl-Vidl2.3 运算放大器的开环传输特性运算放大器的开环传输特性 运算放大器的输出电压输出电压与与差模输入电压差模输入电压的函数关系称为开环传输特性。双电源（VCC，-VEE）运算放大器的开环传输特性：整体非线性整体非线性局部线性线性区：线性区：idlidinipvdidvdoVvvvAvAv)(线性范围：OsatOsatvdOsatvdoidlidVVAVAVVvmax饱和电压VOsat+、VOsat-最大差模输入电压Vidmax、-Vidmax设设Vidl:线性区边界输入差模电压线性区边界输入差模电压饱和区：饱和区：idlididEEOsatidididlCCOsatoVvVVVVvVVVvmaxmax 线性区边界输入差模电压Vidl、最大差模输入电压Vidmax、饱和电压VOsat+和VOsat-与运算放大器的特性和电源电压有关。例如，运算放大器LM741通常作用的电源电压为15V，开环差模电压增益为105。其VOsat+=15V，VOsat-=-15V，Vidmax=13V，Vidl=0.15mV。所以，实际高增益运算放大器的线性区很窄实际高增益运算放大器的线性区很窄，开环开环工作通常处于饱和区（非线性区）。工作通常处于饱和区（非线性区）。理想的开环特性:idvovVidmax-VidmaxVOsat+VOsat-o 具有理想开环特性的运放称为理想运放理想运放。理想运放的开环增益、带宽和输入电阻是无穷大，输出电阻为0，VOsat+=VOsat-=VCC。endidvovVidmax-VidmaxVOsat+VOsat-Vidl-Vidl2.4.1 运算放大器的交流线性模型*2.4.2直流电源和温度的影响2.4.3 运算放大器的开环增益频率特性2.4 运算放大器的线性模型2.4.1 运算放大器的交流线性模型运算放大器的交流线性模型Rid2Ric2RicRo)(vvAvdo+-+RLovipvinvipvinv+ovRL当输入信号很小（idlidVv）时，运算放大器工作在线性区。idicipvvv21idicinvvv21ocicodidvvvv,ocodovvv应用叠加原理 应用戴维宁定理，可以构造出运算放大器的线性模型（小信号模线性模型（小信号模型），型），即线性等效电路，2vvKACMRvdoLicRvidodvdovvA,0cdCMRAAK;inipidvvv)(21inipicvvvRid2Ric2RicRo+-+RL2vvKACMRvdo)(vvAvdoovipvinvidicidiidRRRiv)4/(差模输入电阻oR,0,0输出电阻令icidvviciciciicRRRiv)2/()2(共模输入电阻则：，只有差模信号如果共模信号,0)(21idinipicvvvvii则：只有如果,0)(icinipidvvvvRid2Ric2RicRo+-+RL2vvKACMRvdo)(vvAvdoovipvinv)(inipodidodvdvvvvvA2/)(inipodicocvcvvvvvA，如果0)(21inipicvvv,0)(inipidvvv如果icvcidvdocodovAvAvvv输出电压为输出电压为vdvcCMRAAK定义共模抑制比为实际运算放大器的开环电压增益和共模抑制比是在规定负载的情况下测得的。通常，开环电压增益可达104（80dB）以上，共模抑制比可达103（60dB）以上。)(CMRicidvdoKvvAvRid2Ric2RicRo+-+RL2vvKACMRvdo)(vvAvdoovipvinv运放的简化小信号模型)(vvAvdoovipvinvRidRo+-+kRkRoid1500dBAvdo80idvdovAv 误差项！有用信号：差模信号 误差信号：共模信号end*2.4.2直流电源和温度的影响（直流电源和温度的影响（略略）ovipvinvsnvspv+-VEEVCCRLRNRP,0,0inipvv如果 在直流电源作用下，实际运算放大器的输出电压不为零，其值称为输出失调电压VOO（是直流分量）。理想情况下，要求输出电压也为0。Voo的大小是由运算放大器的内部电路和外部电路引起的。有关。和与但是，实际运放的EECCoVVv 通常将直流电压源对输出电压的影响等效为对输入信号的影响，然后，利用交流等效电路计算输出失调电压。1运算放大器内部电路的影响运算放大器内部电路的影响,0,0时在PNinipRRvv由于运放内部电路的结构不理想,产生输出失调电压Voo。称为输入失调电压0,0NPinipRRvvvdOOIOAVVovipvinvsnvspv+-VEEVCCRLRNRP 2运算放大器外部电路的影响运算放大器外部电路的影响 ovipvinvsnvspv+-VEEVCCRLRNRP,0,0,0时在PNinipRRvvIBPIBN电源在输入端产生偏执电流。定义：输入偏置电流输入失调电流)(21BNBPIBIIIBNBPIOIIIIOIBBPIII21IOIBBNIII21假设BNBPIIIOPIBPBPPIPipIRIRIRVv21由电路，共模电压分量差模电压分量IONIBNBNNINinIRIRIRVv21)0(inipvvIOPNIBPNINIPIDIRRIRRVVV21)()(IOPNIBPNINIPICIRRIRRVVV)(41)(21)(21偏执电流在外部电阻上引起差模电压和共模电压。ovipvinvsnvspv+-VEEVCCRLRNRP IBPIBN3考虑直流电源影响的线性模型考虑直流电源影响的线性模型 考虑对输出电压的最坏影响，电源在输入端引起的最大差模电压为（差模电压绝对值相加）：IOPNIBPNIOIDIRRIRRVV21)()(最大共模电压为（共模电压绝对值相加）：IOPNIBPNICIRRIRRV)(41)(21运算放大器完整的线性模型Rid2RicRo+-+RLVID/2VICVICVID/2)(vvAvdoovipvinv2vvKACMRvdo外部电阻引起的输入失调电压内部引起的输入失调电压外部电阻引起的输入共模电压运算放大器完整的线性模型Rid2RicRo+-+RLVID/2VICVICVID/2)(vvAvdoovipvinv2vvKACMRvdo由叠加原理，输出电压为：)1(ICCMRIDCMRicidvdoVKVKvvAv信号电源maxoidvdevAIDCMRicICCMRIDCMRiciVKvVKVKve1max)(maxmaxIDCMRicvdivdoVKvAeAe输入误差电压和输出误差电压主要是 和VID引起的。icv运算放大器完整的线性模型Rid2RicRo+-+RLVID/2VICVICVID/2)(vvAvdoovipvinv2vvKACMRvdo输入误差电压和输出误差电压主要是 和VID引起的。icvRid2RicRo+-+RLVID/2VID/2)(vvAvdoovipvinv2vvKACMRvdo小信号误差模型运算放大器的模型选择进行信号分析时，选择小信号模型：)(vvAvdoovipvinvRidRo+-+进行误差分析时，选择小信号误差模型，并令信号为零：Rid2RicRo+-+RLVID/2VID/2)(vvAvdoovipvinv2vvKACMRvdoend2.4.3 运算放大器的开环增益频率特性运算放大器的开环增益频率特性 电子等带电粒子在半导体元件中移动形成电流时具有一定的电子等带电粒子在半导体元件中移动形成电流时具有一定的电荷积累效应，这种效应可用皮法（电荷积累效应，这种效应可用皮法（10-12F）级的电容元件模拟。）级的电容元件模拟。-20dB/10倍频程0lg20vdAof dB2040608010 10210310410510710-1运算放大器的开环增益频率特性fHfT1vdAlg20fH-截止频率或3dB频率fT-单位增益频率或特征频率。当信号频率很小时，电荷积累效应不明显，可以不考虑它对运算放大器增益的影响。f fH 但是，当信号频率足够大时，电荷积累效应将明显地使增益随频增益随频率增大而减小。率增大而减小。-20dB/10倍频程0lg20vdAof dB2040608010 10210310410510710-1运算放大器的开环增益频率特性fHfT1vdAlg20f fH f fH 在单位增益频率范围内，大多数运算放大器增益可表示为 HvdvdffjAA10)(1lg10lg20lg2020HvdvdffAAHvdffarctgA当f fH时，HvdvdffAAlg20lg20lg200当f=fH时，3lg20)11lg(10lg20lg2000vdvdvdAAAHvdTvdfAfA00lg20当f=fT时，LicRvidodvdovvA,0波特图的绘制方法是：（1）频率轴（横轴）采用对数坐标，增益轴（纵轴）采用分贝坐标；（2）在远离截止频率的频率范围，用渐近线表示真实频率特性；（3）在截止频率附近（左右10倍频程），作适当修正。由于频率范围宽广，放大器的频率特性通常用波特图描述。在定性讨论频率特性时，第3步通常省略。end2.5 运算放大器的非线性模型运算放大器的非线性模型当输入信号较大（)时,idlidVv运算放大器工作在饱和区。由运放的传输特性可知,负饱和正饱和0-VV0idlmaxmaxidlididEEOsatididCCOsatovVVVVvVVvVCC=VEE VOsat+=-VOsat-=VCC通常，对运算放大器施加对称的正电源和负电源，即定义符号函数为0101)(maxmaxidididididvVvVvsignidvovVidmax-VidmaxVOsat+VOsat-oidvovVidmax-VidmaxVOsat+VOsat-Vidl-Vidl0101)(maxmaxidididididvVvVvsign)()(inipCCidCCovvsignVvsignVvovipvinvipvinv)(inipCCvvsignVov+-VEEVCC运算放大器的非线性模型+idvovVidmax-VidmaxVOsat+VOsat-o作业：作业：2.1(3)(4)(5)2.3 2.5 2.10