第十二章集成运算放大器及其应用(2课时)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,12-1,差动放大电路,12-2,运算放大器的工作原理及主要参数,12-3,运算放大器的线性应用,第十二章 集成运算放大器及其应用,12-4,运算放大器的非线性应用,1,集成电路简介,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上,(,厚约,0.2-0.25,毫米，面积约零点几平方毫米,),，构成特定功能的电子电路，称为,集成电路。,由于,具有体积小、重量轻、耗电省、成本低、可靠性高和电性能优良等突出优点，,所以随着微电子技术的进步，集成电路得到了飞速的发展。从,60,年代以来，集成电路的发展经历了小规模集成电路（,SSI,）、,中规模集成电路（,MSI,）、,大规模集成电路（,LSI,）,和超大规模集成电路（,VLSI,）,四个阶段，目前已能在一小块硅基片上制作（,光刻,）出上亿个元器件。,一、集成电路的分类,1,、按集成度分为：,小规模：,(0100),个元件,/,基片,中规模：,(1001000),个元件,/,基片,大规模：,(10001,万,),个元件,/,基片,超大规模：,(1,万以上,),个元件,/,基片,3,2,、,按功能分为：,模拟,集成电路,数字,集成电路,线性集成电路,非线性集成电路,在模拟集成电路中，,集成运算放大器（简称集成运放或运放）,是应用极为广泛的一种,。该电路为本章讨论的重点。,线性集成电路中的器件工作在线性放大状态，输出信号和输入信号成线性关系。,集成运放属于线性集成电路。,二、集成电路的封装形式,圆壳式 双列直插式 扁平式,单列直插式 菱形式,运算放大器外形图,6,三、模拟集成电路的特点,1,2,电路结构与元件参数具有对称性,各元件在同一块硅片上，经相同工艺制造出来，元件参数绝对值有同向的偏差，温度匀一性好，特性相同。,用有源器件代替无源器件,电路中的电阻元件是由硅半导体中的体电阻构成，电阻值的范围一般为几十欧到,20,千欧左右，范围不大，且电阻值精度不易控制，误差可达,10%-20%,左右。故,在集成电路中，高阻值的电阻多用,BJT,或,FET,等有源器件组成的恒流源电路代替。,3,4,采用复合结构的电路,复合结构电路的性能较佳，制作并不困难，故集成电路中,多用复合管、共射,-,共基、共集,-,共基等组合电路。,级间采用直接耦合方式,电路中的电容量不大，约在几十皮法以下，常用结结电容构成，误差较大。而电感的制造非常困难。故在集成电路中，,级间都采用直接耦合方式。,5,二极管由,BJT,的发射结构成,电路中的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路。,一、,直接耦合放大电路的零点漂移问题,可以放大直流、交流信号,零漂：,输入短路时，输出,仍有缓慢变化的电,压产生。,即输出电,压偏离原来的起始,点而上下漂动。,主要原因：,主要由于温度变化引起，也称,温漂,。,直流电源波动，器件老化也是原因之一。,12-1,差动放大电路,9,若第一级漂移了100,uV,，,则输出漂移 1,00m V。,若第二级漂移了100,uV,，,则输出漂移 10,mV。,假设,可见，克服零漂,第一级是关键！,减小零漂的措施,采用,差动放大电路,若第三级漂移了100,uV,，,则输出漂移,0.1 mV。,10,二、,差,动（差分）放大电路,1、电路组成,结构特点,:,对称性结构,即：,1,=,2,=,V,BE1,=,V,BE2,=,V,BE,r,be1,=,r,be2,=,r,be,R,C1,=,R,C2,=,R,C,R,b1,=,R,b2,=,R,b,差动放大电路,一般有两个输入端：,从两输入端同时加信号,双端,输入,从一个输入端,对地,加信号,单端,输入,11,(,2),有,公共的射极电阻,R,e,组成特点：,(1),直接耦合的共射极电路,从集电极,C,1,和,C,2,输出,双端输出,差动放大电路可以有两个输出端：,从集电极,C,1,或,C,2,对地输出,单端输出,12,注意：,（,1,）静态分析,电路对称,T,放大的条件：,Je,正偏,、,Jc,反偏,v,i1,=,v,i2,= 0（,静态,）,Je,正偏,T,放大,Jc,反偏,v,o,=,V,C1,-,V,C2,=,0,实现：,0,输入, 0,输出,克服零漂,2,、电路分析,13,（,2,）动态定性分析 输入,差模信号,大小相等，方向相反,另外：,R,e,相当于,短路,i,E,= 0,14,（,2,）动态定性分析 输入,共模信号,大小相等，方向也相同,另外：,R,e,相当于,2,R,e,i,E,= 2,i,E1,= 2,i,E2,15,（,3,）动态定量分析,小信号等效（微变等效）电路法,利用,对称特点,，,转化为单边电路,求解。,四种接法,a.,双端输入、双端输出,b.,双端输入、单端输出,c.,单端输入、双端输出,d.,单端输入、单端输出,注意：,电阻,R,e,和,R,L,的处理,16,双端输入, 差模增益,双入双出,双入双出,双入单出,R,L,各分一半,R,L,由,T,1,单独负担,双入单出,R,e,短路,17,双端输入, 共模增益,双入双出,双入双出,双入单出,R,L,开路,R,L,由,T,1,单独负担,双入单出,R,e,对单边相当于2,R,e,18,双端输入, 共模,抑制比,双入双出,双入单出,双入双出,双入单出,公共电阻,R,e,K,CMR,抑制零漂能力增强,19,12-2,运算放大器,的工作原理及主要参数,集成电路 运算放大器,直接耦合 多级放大电路,符号：,特点：,电压增益高（差模）,输入电阻大,输出电阻小,20,U,EE,+U,CC,u,+,u,o,u,反相,输入端,同相,输入端,T,3,T,4,T,5,T,1,T,2,I,S,一、原理框图,输入级,中间级,输出级,与,u,o,反相,与,u,o,同相,21,对输入级的要求：,尽量减小零点漂移,尽量提高,K,CMRR,输入阻抗,r,i,尽可能大,。,对中间级的要求：,足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流,i,o,。,即输出阻抗,r,o,小。,集成运放的结构,（,1,）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。,（,2,）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。,（,3,）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,22,1,、开环电压放大倍数,A,uo,无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在,10,5,10,7,之间。理想运放的,A,uo,为,。,2,、共模抑制比,K,CMMR,常用分贝作单位，一般,100dB,以上。,二、主要参数,23,r,i,大,:,几十,k,几百,k,运放的特点,K,CMRR,很大,r,o,小：几十,几百,A,uo,很,大,: 10,4,10,7,理想运放：,r,i,K,CMRR,r,o,0,A,uo,运放符号：,u,u,+,u,o,u,u,+,u,o,A,uo,三、理想运算放大器及其分析依据,24,u,i,u,o,+U,OM,-U,OM,A,uo,越大，运放的线性范围越小，必须,在,输出与输入之间,加负反馈,才能使其扩大输入信号的线性范围。,u,i,u,o,_,+,+,A,uo,例：若,U,OM,=12V,，,A,uo,=10,6,，则,|,u,i,|,U,R,时,u,o,=,+,U,om,当,u,i,U,R,时,u,o,=,-,U,om,1,、,u,i,从同相端输入,49,+,+,u,o,u,i,U,R,u,o,u,i,0,+,U,om,-,U,om,U,R,当,u,i,U,R,时,u,o,=,-,U,om,2,、,u,i,从反相端输入,50,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,+,+,u,o,u,i,3,、过零比较器,: (,U,R,=0,时,),+,+,u,o,u,i,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,51,+,+,u,o,u,i,t,u,i,例：,利用电压比较器将正弦波变为方波。,u,o,t,+U,om,-,U,om,52,电路结构,上下限,:,二、波形发生器,1,、矩形波发生器,53,工作原理：,(1),设,u,o,=,+,U,Z,此时，,u,O,给,C,充电,u,c,，,则：,u,+,=U,T,+,0,t,u,o,+U,Z,-U,Z,u,c,U,T+,0,t,一旦,u,c, U,T,+,就有,u,-, u,+,u,o,立即由,U,Z,变成,U,Z,。,在,u,c, U,T,+,时，,u,-, u,+,设,u,C,初始值,u,C,(0,+,)= 0,u,o,保持,+U,Z,不变,+U,Z,54,此时，,C,向,u,O,放电,再反向充电,(2),当,u,o,=,-,U,Z,时，,u,+,=U,T,-,u,c,达到,U,T,-,时，,u,o,上跳。,U,T,+,u,c,t,U,T,-,当,u,o,重新回到,U,Z,后，电路又进入另一个周期性的变化。,-,U,Z,55,0,U,T,+,u,c,t,U,T,-,+U,Z,u,o,0,t,- U,Z,T,完整的波形：,56,2,三角波发生器,工作原理,：,若,u,o1,=+,U,Z,，,u,o2,，,u,+,。,当,u,+,0,时，,u,o1,翻转为,-,U,Z,。,若,u,o1,=-,U,Z,，,u,o2,，,u,+,。,当,u,+,0,时，,u,o1,翻转为,+,U,Z,。,57,波形图,振荡周期：,0,U,T,+,u,o2,t,U,T,-,+U,Z,u,o1,0,t,- U,Z,T,2,、三角波发生器,58,