课件-第8章集成运算放大电路

第第8章章 集成运算放大电路集成运算放大电路8.1 集成电路概述集成电路概述 集成运算放大器是属于模拟集成电路的一种，是一个高增益的多级直接耦集成运算放大器是属于模拟集成电路的一种，是一个高增益的多级直接耦合放大电路。合放大电路。8.1.1 集成电路及其发展集成电路及其发展8.1.2 集成电路的分类集成电路的分类8.1.3 集成电路的特点集成电路的特点图图8-1 晶体管接成二极管晶体管接成二极管8.2 集成运算放大器的基本组成及功能集成运算放大器的基本组成及功能 集成运算放大器的内部实质上是一个高放大倍数的多级直流耦合放大电路。集成运算放大器的内部实质上是一个高放大倍数的多级直流耦合放大电路。它通常包含它通常包含4个基本组成部分，即个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路输入级、中间级、输出级和偏置电路。图图8-2 集成运放的基本组成部分集成运放的基本组成部分 输入级输入级要求其输入电阻能减小要求其输入电阻能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入零点漂移和抑制干扰信号。输入级大都采用级大都采用差分放大差分放大。中间级中间级主要进行电压放大，由主要进行电压放大，由共发射极放大电路共发射极放大电路构成。构成。输出级输出级与负载相接，要求其输出与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，由电阻低，带负载能力强，由互补互补对称电路或射极输出器对称电路或射极输出器构成。构成。偏置电路偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般工作点，一般由各种恒流源电路由各种恒流源电路构成。构成。8.2.1用于用于偏置电路偏置电路的电流源电路的电流源电路1.镜像电流源镜像电流源图图8-3 镜像电流源镜像电流源IC1与与IR之间的关系如一面镜子，称为之间的关系如一面镜子，称为镜像电流源镜像电流源。此电流可作为提供给某个放大器的偏置电流。此电流可作为提供给某个放大器的偏置电流。此外，此电流源具有此外，此电流源具有温度补偿作用温度补偿作用，存在如下所示的负反馈。，存在如下所示的负反馈。2.微电流源微电流源若想得到小电流，则若想得到小电流，则R必须很大，而必须很大，而大电阻大电阻不便于集成。不便于集成。微电流源可解决此问题微电流源可解决此问题。图图8-4 微电流源微电流源 设计过程很简单设计过程很简单，首先根据，首先根据Ic1确定确定Re，进而由，进而由IE0和和Vcc，选定，选定R。3.加射极输出器的电流源（略）加射极输出器的电流源（略）4.威尔逊电流源威尔逊电流源（略）（略）5.以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路（略）（略）8.2.2 用于用于输入级输入级的差分放大电路的差分放大电路 【例例8.1】8.2.3 用于用于输出级输出级的互补对称功率放大器的互补对称功率放大器1.互补对称电路互补对称电路见见7.7节节 2.由复合管组成的互补对称电路由复合管组成的互补对称电路8.3 理想运算放大器理想运算放大器8.3.1 理想运放的技术指标理想运放的技术指标所谓所谓理想运放理想运放就是将集成运放的就是将集成运放的各项技术指标理想化各项技术指标理想化，即认为集成运放的各项指标为：，即认为集成运放的各项指标为：8.3.2 理想运放的两种工作状态理想运放的两种工作状态工作状态工作状态有线性有线性和和非线性非线性两种状态两种状态 图图8-12 集成运放电路符号集成运放电路符号图图8-13 集成运放传输特性集成运放传输特性1线性区线性区输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系 Aod表示开环差模电压增益表示开环差模电压增益（1）理想运放的差模输入电压等于零）理想运放的差模输入电压等于零 因理想运放的因理想运放的Aod=（2）理想运放的输入电流等于零）理想运放的输入电流等于零 理想运放的差模输入电阻理想运放的差模输入电阻Rid=“虚短虚短”和和“虚断虚断”是理想运放工作在线性区的两个重要特点。这两个特点常常作为是理想运放工作在线性区的两个重要特点。这两个特点常常作为今后分析运放应用电路的出发点，因此必须牢固掌握。今后分析运放应用电路的出发点，因此必须牢固掌握。2.非线性区非线性区如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，uo将达到饱和。将达到饱和。图图8-13中的实线所示。中的实线所示。为了保证运放工作为了保证运放工作在线性区在线性区，一般情况下，必须在电路中引入，一般情况下，必须在电路中引入深度负反馈深度负反馈 8.4 放大电路中的反馈放大电路中的反馈8.4.1反馈的基本概念反馈的基本概念 所谓所谓反馈反馈是指将输出量（电压或电流）的一部分或全部，按一定的方式送是指将输出量（电压或电流）的一部分或全部，按一定的方式送回到输入回路，来影响输入量（电压或电流）的一种连接方式。回到输入回路，来影响输入量（电压或电流）的一种连接方式。图图8-14 反馈放大电路的组成反馈放大电路的组成8.4.2 反馈的分类反馈的分类1.正反馈和负反馈正反馈和负反馈2.直流反馈和交流反馈直流反馈和交流反馈3.电压反馈和电流反馈电压反馈和电流反馈4.串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈8.4.3 反馈的判断反馈的判断1.有无反馈的判断有无反馈的判断2.反馈极性的判断反馈极性的判断（a）引入了负反馈）引入了负反馈 （b）引入了正反馈）引入了正反馈 （c）引入了负反馈）引入了负反馈图图8-16 反馈极性的判断举例反馈极性的判断举例3.直流反馈与交流反馈的判断直流反馈与交流反馈的判断图图8-17 交、直流反馈的判断举例（只有直流反馈）交、直流反馈的判断举例（只有直流反馈）图图8-18 交、直流反馈的判断（只有交流反馈）交、直流反馈的判断（只有交流反馈）【例例8.2】4.电压反馈与电流反馈的判断电压反馈与电流反馈的判断图图8-21 电压反馈与电流反馈的判断（电压反馈）电压反馈与电流反馈的判断（电压反馈）图图8-22 电压反馈与电流电压反馈与电流反馈的判断（电流反馈）反馈的判断（电流反馈）5.串联反馈和并联反馈的判断串联反馈和并联反馈的判断 对交变分量而言，若输入信号和反馈信号分别接到同一放大器对交变分量而言，若输入信号和反馈信号分别接到同一放大器件的不同电极上，则为件的不同电极上，则为串联反馈串联反馈；否则为；否则为并联反馈并联反馈。8.4.4 负反馈放大电路的分析和计算负反馈放大电路的分析和计算1.负反馈放大电路的一般表达式负反馈放大电路的一般表达式图图8-30 负反馈放大电路的方框图负反馈放大电路的方框图无反馈时的无反馈时的放大倍数放大倍数，称为开环放大倍数，称为开环放大倍数 可以是可以是 反馈系数反馈系数 可以是可以是 闭环放大倍数闭环放大倍数 幅值幅值 表现为下面四种情况：表现为下面四种情况：2.深度负反馈的实质深度负反馈的实质因为因为所以所以8.4.5 负负反馈放大器的反馈放大器的四种四种基本组态基本组态图图8-23 反馈放大电路的连接示意图反馈放大电路的连接示意图一、负一、负反馈放大器的反馈放大器的四种四种基本组态基本组态1.电压并联负反馈电压并联负反馈图图8-24 电压并联负反馈的连接方式电压并联负反馈的连接方式 图图8-25 电压串联负反馈的连接方式电压串联负反馈的连接方式2.电压串联负反馈电压串联负反馈3.电流并联负反馈电流并联负反馈图图8-26 电流并联负反馈的连接方式电流并联负反馈的连接方式4.电流串联负反馈电流串联负反馈图图8-27 电流串联负反馈的连接方式电流串联负反馈的连接方式【例例8.3】【例例8.4】负反馈放大器的四种基本组态负反馈放大器的四种基本组态汇总图汇总图1.电压并联负反馈电压并联负反馈2.电压串联负反馈电压串联负反馈3.电流并联负反馈电流并联负反馈4.电流串联负反馈电流串联负反馈二、反馈网络类型例题的分析二、反馈网络类型例题的分析=反馈系数反馈系数和深度负反馈电路和深度负反馈电路放大倍数放大倍数的分析的分析（1）电压串联负反馈电路）电压串联负反馈电路（a）（b）图图8-31 电压串联负反馈电路的反馈网络电压串联负反馈电路的反馈网络反馈系数反馈系数 深度负反馈深度负反馈放大倍数放大倍数 深度电压负反馈后，电路的输出可近似为深度电压负反馈后，电路的输出可近似为受控恒压源受控恒压源。（2）电流串联负反馈电路）电流串联负反馈电路（a）（b）图图8-32 电流串联负反馈电路的反馈网络电流串联负反馈电路的反馈网络反馈系数反馈系数 深度负反馈放大倍数深度负反馈放大倍数（3）电压并联负）电压并联负反馈电路反馈电路（a）信号源是内阻为）信号源是内阻为Rs的电流源（的电流源（b）将电流源转换为电压源）将电流源转换为电压源图图8-33 电压并联负反馈电路的反馈网络电压并联负反馈电路的反馈网络反馈系数反馈系数 深度负反馈放大倍数深度负反馈放大倍数 对于对于并联负反馈并联负反馈电路，信号源电路，信号源内阻内阻RS是必不可少的是必不可少的。因为若。因为若RS=0，恒压源将直接，恒压源将直接加在基本放大电路的输入端加在基本放大电路的输入端,反馈将不起作用。反馈将不起作用。（4）电流并联负反馈电路）电流并联负反馈电路（a）信号源是内阻为）信号源是内阻为Rs的电流源（的电流源（b）将电流源转换为电压源）将电流源转换为电压源图图8-34 电流并联负反馈电路的反馈网络电流并联负反馈电路的反馈网络反馈系数反馈系数 电流并联电流并联深度负反馈放大倍数深度负反馈放大倍数 求解求解深度负反馈放大电路深度负反馈放大电路放大倍数放大倍数的的一般步骤是一般步骤是：【例例8.5】8.4.6 负反馈对放大电路性能的改善（略）负反馈对放大电路性能的改善（略）8.4.7 放大电路中引入负反馈的一般原则放大电路中引入负反馈的一般原则【例例8.8】（略）（略）8.5 集成运算放大器的应用集成运算放大器的应用8.5.1 集成运放在集成运放在信号运算信号运算方面的应用方面的应用1.反相比例运算电路反相比例运算电路输入信号从反相输入端引入的运算，便是输入信号从反相输入端引入的运算，便是反相运算反相运算。图图8-49 反相比例运算电路反相比例运算电路反相比例运算电路的反相比例运算电路的电压放大倍数电压放大倍数为：为：输出电压与输入电压是比例运算关系输出电压与输入电压是比例运算关系 反馈类型反馈类型 2.同相比例运算电路同相比例运算电路-电压串联负反馈电压串联负反馈图图8-50 同相比例运算电路同相比例运算电路由由“虚短虚短”,U U+处相当开路电压处相当开路电压为为 U Uinin反馈类型反馈类型3.反相求和运算电路反相求和运算电路在反相输入端有若干输入信号，则构成在反相输入端有若干输入信号，则构成反相求和运算电路反相求和运算电路 图图8-51 反相求和运算电路反相求和运算电路4.同相求和运算电路同相求和运算电路图图8-52 同相求和运算电路同相求和运算电路5.差分放大运算电路差分放大运算电路 两个输入端都有信号输入，则为两个输入端都有信号输入，则为差分输入差分输入。图图8-53 差分放大运算电路差分放大运算电路6.积分运算电路积分运算电路 图图8-42 积分运算电路积分运算电路图图8-43 积分运算电路的阶跃响应积分运算电路的阶跃响应7.微分运算电路微分运算电路图图8-44 微分运算电路微分运算电路即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。8.5.2 有源滤波电路有源滤波电路图图8-57 各种滤波器的幅频特性各种滤波器的幅频特性图图8-58 滤波器框图滤波器框图 1.一阶低通有源滤波器一阶低通有源滤波器图图8-59 一阶有源一阶有源LPF幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：图图8-60 一阶有源一阶有源LPF的幅频特性和相频特性的幅频特性和相频特性2.二阶低通有源滤波器（略）二阶低通有源滤波器（略）3.一阶高通有源滤波器（略）一阶高通有源滤波器（略）4.二阶高通有源滤波器二阶高通有源滤波器（略）（略）5.带通滤波电路带通滤波电路带通滤波器使频带内的信号通过，而频带外的信号不通过带通滤波器使频带内的信号通过，而频带外的信号不通过 图图8-67 带通滤波电路带通滤波电路通带电压放大倍数：通带电压放大倍数：得到上下限得到上下限截止频率截止频率：8.5.3 电压比较器电压比较器1.单限电压比较器单限电压比较器 单限比较器是指只有一个门限电平的电压比较器，当输入电压等于此门限电平时，单限比较器是指只有一个门限电平的电压比较器，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。输出端的状态立即发生跳变。图图8-69 电压比较器电压比较器 UR是参考电压，加在同相输入是参考电压，加在同相输入端，输入电压端，输入电压ui加在反相输入端。加在反相输入端。图图8-70 过零比较器过零比较器图图8-71 过零比较器将正弦波转变为矩形波过零比较器将正弦波转变为矩形波2.迟滞电压比较器迟滞电压比较器 单限比较器问题是抗干扰能力差，解决以上问题，可以采用具有滞回传输特性单限比较器问题是抗干扰能力差，解决以上问题，可以采用具有滞回传输特性的比较器。的比较器。图图8-72 滞回比较器电路及输入输出滞回比较器电路及输入输出当输出电压为正饱和值当输出电压为正饱和值+Uom时，加在同相端的电压为：时，加在同相端的电压为：当输出电压为负饱和值当输出电压为负饱和值-Uom时，加在同相端的电压为：时，加在同相端的电压为：（a）（b）图图8-73 迟滞电压比较器的传输特性迟滞电压比较器的传输特性 如果将图如果将图8-72（a）中）中R2不接地而接某一基准电压不接地而接某一基准电压uR，则可通过改变，则可通过改变uR的大小来的大小来控制门限电压的高低，如图控制门限电压的高低，如图8-74（a）所示。此时由叠加概念可知：）所示。此时由叠加概念可知：使相应的使相应的uoui关系关系成为图成为图8-74（b）图图8-74 带参考电压的迟滞电压比较器带参考电压的迟滞电压比较器3.窗口比较器（略）窗口比较器（略）