《模拟电路》：集成运算放大器

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,*,第一章 电子技术的应用,一. 模拟电子技术,二、 数字电子技术,1.1. 集成运放,1.2 线性集成稳压电源,集成门电路,1.3 开关稳压电源,组合逻辑电路,2.4 数字电路的设计方法,2.3 时序逻辑电路,诸 论,一、电子技术的开展日新月异,1905-1946 电子管时代,贝尔实验室诞生第一只半导体晶体管,集成电路的出现,大规模集成电路,1975超大规模集成电路伴随计算机技术的开展,1997 40亿个元件的集成电路,二、模拟电路和数字电路,1、数字信号：特点 离散性时间上、数值上,2、模拟信号：连续性任何瞬间的任何数值都是有意义的如自动控制系统的物理量、温度、压力、重量等，由传感器变来的量都是模拟量。,模拟电子技术的应用：集中在集成运放引入反响的不同，到达不同的功能，此根本功能可以得到扩散。,诸 论,三、电子系统的组成：电子系统总是伴随着一个物理系统，具有工程性，比方：测量等。由以下几个局部组成。,1、信号的提取：通过两个途径,1传感器：如自动控制的物理量：温度、压力、流量等。,2接收器：如无线通讯、遥测遥控等。,2、信号的预处理：从传感器或接收器提取的信号是微弱的，甚至还混杂着干扰、噪声等，必须通过预处理。处理的方法有：,1隔离：如信号源的地与后面电路的地分开；信号输入与输出采用光电、变压器等不同偶合方式。,2滤波：去掉干扰和噪声的影响。,3放大：放大的本质是能量的控制，任何放大器都需要有电源提供能量，放大器通过有源元件场效应管、晶体管等，从电源吸取能量并转换成与输入信号相同的信号来驱动负载。,3、信号加工,1信号的运算：输出电压是输入电压的某种运算。,2信号的转换：电流转换为电压；交变直；直变交根据负载的需要。,3信号的比较：以基准信号进行比较在自动控制中，将信号控制在一定的范围。,4、信号的执行,1直接驱动负载,2经A/D转换计算机数字系统D/A转换功放推动,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,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。,什么是集成运算放大器？,集成运放简介,一.,集成运放的总体结构,二.,简单的集成运放,原理电路：,u,-,u,+,u,o,集成运算放大器符号,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,反相输入端,同相输入端,输出端,直耦放大电路的特殊问题零点漂移,零漂现象,：,产生零漂的原因,：,零漂的衡量方法：,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,u,i,=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,假设输出有1 V的漂移电压 。,那么等效输入有100 uV的漂移电压,假设,第一级是关键,3. 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差动放大电路,等效 100 uV,漂移,1 V,差动放大电路,一.结构:,对称性结构,即：,1,=,2,=,U,BE1,=,U,BE2,=,U,BE,r,be1,=,r,be2,=,r,be,R,C1,=,R,C2,=,R,C,R,b1,=,R,b2,=,R,b,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. 差动放大电路可以有两个输出端。,双端输出,从C,1,和C,2,输出。,单端输出,从,C,1,或C,2,对地输出,。,二. 几个根本概念,9/27/2024,3. 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,三.差动放大电路的根本工作原理,1. 静态工作点的计算：,忽略,I,b，,有：,U,b1,=,U,b2,=0V,2.抑制零漂的原理:,U,o,=,U,C1,-,U,C2,= 0,当,u,i1,=,u,i2,= 0 时，,当温度变化时：,U,C1,=,U,C2,设T,i,c1,i,c2,u,c1,u,c2,u,o,=,u,c1,-,u,c2,= 0,(1)参加差模信号,u,i1,=-,u,i2,=,u,id,/2，,3.电路的动态分析,所以，,R,e,对差模信号相当于短路。,假设ui1 ,ui2 , ib1 ,ib2 ,ie1 ,ie2 , IRe不变 UE不变,u,ic,=0,。,(5)共模抑制比,共模抑制比,K,CMR,是差分放大器的一个重要指标。,，,或,双端输出时,K,CMR,可认为等于无穷大，,单端输出时共模抑制比：,动画演示,五. 带恒流源的差动放大电路,根据共模抑制比公式：,加大,R,e,，可以提高共模抑制比。为此可用恒流源T,3,来代替,R,e,。,等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。,恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。,恒流源的作用,带恒流源的差动放大电路的计算：,静态工作点：,动态：,恒流源等效电阻：,1. 镜像电流源,基准电流：,无论T,2,的负载如何变化，,I,C2,的电流值将保持不变。,5.2 集成运算放大器中的单元电路,一 . 电流源电路,因为：,所以：,2. 微电流源,1电流小因为UBE小。,微电流源的特点,：,2电流稳定电流负反响,3. 多路电流源,二. 差动输入级,1. 有源负载差动放大电路,T,3,、T,4,组成镜像电流源，作T,1,、T,2,的负载。,同时可使单端输出的电压增益近似为双端输出的电压增益。,三.输出级,工作原理：,u,i,为正半周时，T,1,管工作，T,2,管截止，输出,u,o,为正；,u,i,为负半周时，T,2,管工作，T,1,管截止；输出,u,o,为负。,两管交替工作，在负载电阻,R,L,上得到完整的正弦波。,1. 互补对称射极输出电路,输入输出波形图,u,i,u,o,u,o,u,o,交越失真,死区电压,2. 克服交越失真的互补对电路,静态时，,T,1,、,T,2,两管发射结电压分别为二极管,D,1,、,D,2,的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。,电路中增加,D,1,、,D,2,工作原理 ：,四. 通用型集成运放F007,A,B,A,B,分析：,1. 偏置电路：,T,12,、,R,5,和T,11,构成了主偏置电路，产生基准电流,：,其他偏置电流都与基准电流有关。,T,10,、T,11,和,R,4,组成微电流源，通过T,8,和T,9,组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。,T,12,和T,13,管构成多支路电流源。T,13,管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,2. 输入级：,T1 、T2和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路。,其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。,T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号到达30V以上。,T,5,、T,6,、T,7,和,R,1,、,R,2,、,R,3,组成具有基极补偿作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。,它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,3. 中间级：,T,16,和T,17,是复合管组成的共射放大电路，T,13,B,作这一级的集电级有源负载。,T,14,和T,20,管组成互补对称输出级，T,18,、T,19,和,R,8,为其提供静态偏置以克服交越失真。,T,15,和,R,9,保护T,14,管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T,21,、T,23,、T,22,管和,R,10,保护 T,20,管在负向电流过大时不致烧坏。,4. 输出级：,5. 相位分析：,用“瞬时极性法判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,1.输入失调电UIO,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。与温度有关，小于1mV/1,五 集成运算放大器的主要参数,2.,输入失调电压温漂,d,U,IO,/dT,在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,4.,输入失调电流,I,IO,：,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.,输入偏置电流,I,IB,：,输入电压为零时，,运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.,输入失调电流温漂,d,I,IO,/,DT,:,在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,6.,最大差模输入电压,U,idmax,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.,最大共模输入电压,V,icmax,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,8.开环差模电压放大倍数 Aod ：,无反响时的差模电压增益。,一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.,差模输入电阻,r,id,：,双极型管输入级约为10,5,10,6,欧姆，场效应管输入级可达10,9,欧姆以上。,10.,共模抑制比,K,CMR,：,K,CMR,=20lg(,A,v,d,/,A,v,c,),(dB),其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,二、理想运放工作在线性区,运放工作在线性区,称：“虚断,称“虚短,为了保证运放工作在线性区，电路必须引入负反响。,集成运放的应用,一、理想运放的主要特性,U,OI,、I,OI,、dU,OI,/dT(,0,C)、 dI,OI,/dT(,0,C)均为零,三、理想运放工作在非线性区,运放处于开环或引入正反响，那么运放工作在非线性区。,1-2运算电路,一、比例运算电路,1.反相比例运算电路,电压并联负反响,特点：,1-2运算电路,三、积分运算电路和微分运算电路,1.积分运算电路,在t,1,-t,2,时间段的积分值,1-3电压比较器,一、功能,比较两个电压的大小，根据结果的不同输出两个不同的电平。,传输特性,1-3电压比较器,二、单限比较器,电路,原理,传输特性,只有一个阈值电压,1-3电压比较器,1.过零比较器,U,T,=0,1-3电压比较器,输入保护,1-3电压比较器,输出限幅,1-3电压比较器,2.一般限幅比较器,1-3电压比较器,三、滞回比较器,