集成运算放大器基础课件

集成运算放大器基础,第3章 集成运算放大器,第9章 集成运算放大器基础,9.1 集成运放简介,9.2 差动放大电路,9.3 集成运放中的电流源,9.4 集成运放的种类和参数,9.5 使用集成运放应注意的几个问题,9.6 集成运放的简化模型,了解集成运算放大器的一般概况；理解运放的基本结构、组成、符号及主要参数;熟悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌握集成运算放大器的理想化条件，并能运用理想化条件对集成运放电路进行分析；掌握集成运放的简化模型。,学习目的与要求,9.1,集成运放简介,集成电路（英文简称IC）是60年代初发展起来的一种新型半导体器件。集成电路体积小，密度大、功耗低、引线短、外接线少，从而大大提高了电子电路的可靠性与灵活性，减少组装和调整工作量，降低了成本。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了五十多年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录像、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的发展，对各行各业的技术改造与产品更新起到了促进作用。,9.1.1 集成电路（IC）,早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分,等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超,过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛,应用。下图所示为常见的集成电路封装形式。,圆壳式,双列,直插式,扁平式,单列,直插式,直插式,单列,扁平式,集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：,集成运放内部除了上述三个部分，其内部还接有,偏置,电路，偏置电路的作用是向各级提供合适的工作电流。,差动,输入级,中间放大级,输出级,u,i,+,_,u,0,运放的输入级。利用差动放大电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。,中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。,输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。,偏置电路,9.1.2 集成运放的组成与特点,集成运算放大器的分类,通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类,器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指,标能适合于一般性使用。,1. 通用型运算放大器,A741 单运放,LM386双运放,LM324四运放,集成运放芯片引脚功能及元器件特点,图示为常用,A741集成运放芯片产品实物图,A741集成运放的8个管脚排列图如下：,A741,1,2,4,3,8,7,6,5,调零端,反相输入端,同相输入端,负电源端,调零端,输出端,正电源端,空脚,反相输入端,A741集成运放图形符号,U,0,U,+,U-,A741集成运放外部接线图,同相输入端,12V,12V,输出端子,调零电位器,管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连,调零电位器的可调端与管脚4相连,6,5,1,3,7,2,4,与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：,单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致；,集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧姆几十千欧姆范围内，电容一般为几十微微法拉。电感目前不能集成；,元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；,纵向NPN管值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向PNP管的值很小，但其PN结的耐压高。,零点漂移现象,直接耦合,的多级放大电路，当输入信号为零时，由于温度的变化、电源电压的波动以及元器件老化等原因，使放大电路的工作点发生变化，这个不为零的、无规则的、持续缓慢变化量会被直接耦合的放大电路逐级加以放大并传送到输出端，使输出电压偏离原来的起始点而上下漂动，这种现象称为,零点漂移,，简称零漂或温漂。,u,i,=0,R,C,1,R,1,VT,1,+,U,CC,u,O,0,R,C,2,VT,2,R,2,R,E,2,u,O,t,0,零漂有时会把有用信号淹没,9.2 差动放大电路,9.2.1 差动放大电路的工作原理,为了抑制“零漂”，必须采用相应措施，其中最有效的措施就是采用差动,放大电路。,1. 差模信号和共模信号,R,C1,R,C2,V,CC,u,0,R,e,V,EE,u,i2,u,i1,u,02,u,01,VT,1,VT,2,差动放大电路由两个对称的共射基本放大电路组成。其中VT,1,、VT,2,是两个特性完全相同的晶体管，两管基极信号电压,u,i1,、u,i2,大小相等、相位相反。, 差模信号,R,C1,R,C2,V,CC,u,0,R,e,V,EE,u,i2,u,i1,u,02,u,01,VT,1,VT,2,差动放大电路这种双端输入方式,称为,差模输入,方式，所加信号称为,差模信号，,差模信号是放大电路中,需要传输和放大的有用信号,，用,u,id,表示，数值上等于两管输入信号的,差值：,u,id,=u,i1, u,i2,两个输入端信号之间的差值实际上就是加在多级放大电路输入级的信号电压，信号电压的差值只要不为零时才能进行放大和传输。显然，差动放大电路放大的是两个输入端信号的差值，所以又称为,差分放大电路,。, 共模信号,温度变化、电源电压波动等,引起的零漂电压，折合到放大,电路输入端，相当于在放大电,路输入端加了“,共模信号,”，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于在输入端加上了“,共模信号,”。可见，所谓的,共模信号对放大电路是一种干扰信号,。因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当具有较强的抑制能力。,R,C,R,C,V,CC,u,0,R,e,V,EE,u,i1,VT,1,VT,2,R,B,R,B,R,L,u,i1,温度发生变化时，,差动放大电路输入端相当于加了一个共模信号，此时两管对共模信号产生的电流，其变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，,依靠差动放大电路的完全对称性，使两管的零漂在输出端相抵消,。因此，零点漂移被抑制。,R,C,R,C,V,CC,u,0,R,e,V,EE,u,i1,VT,1,VT,2,R,B,R,B,R,L,u,i1,9.2.2 典型差动放大电路的分析,R,C,R,C,V,CC,R,E,V,EE,差动放大电路的直流通道,VT,1,VT,2,R,B,R,B,由于差动电路中两晶体管的集电极电位和发射极电位分别相等，故此负载支路中无电流，,R,L,支路可拿掉。,R,L,差动电路由于两边对称，所以取一边计算即可。由输入回路可得：,于是：,输出回路响应为：, 静态分析,差模输入下，电路对称点的信号大小相等，极性相反。由于交流下直流信号为零，所以其交流通道为：,由半电路可得其电压放大倍数：,输入电阻,输出电阻：,R,L,R,C,R,C,u,i1,VT,1,VT,2,R,B,u,i2,R,B,2. 动态分析,差模放大倍数：,差模输入电阻：,差模输出电阻：,由此看出，双端输入双端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数等于其半电路的放大倍数，相当于一个单管共射放大电路的放大倍数。但电路的输入电阻和输出电阻是半电路的两倍。,差动放大电路的类型,单端输入差动放大电路的差模电压放大倍数仅决定于电路的输出形式，其输入电阻和双端输入时一样，但电路的抑制共模能力同样受输出形式的影响而降低。,R,C,R,C,V,CC,u,0,R,E,V,EE,u,i1,VT,1,VT,2,R,B,R,B,R,L,双端输出情况下，差动放大电路,两管的输出稳定在静态值，从而有,效地抑制了零点漂移。,R,e,数值越大，,抑制零漂的作用越强。即使电路处,于单端输出方式，电路仍有较强的,抑制零漂能力。由于,R,e,上流过两倍的,集电极变化电流，其稳定能力比射,极偏置电路更好。此外，采用双电,源供电，可以使,U,B1,U,B2,0，从而,使电路可适应正、负两种极性的输入,信号，扩大了应用范围。,差动放大电路的共模抑制能力很强，通常用共模抑制比,K,CMR,衡量，定义为：,R,C,R,C,V,CC,u,0,R,e,V,EE,u,i1,VT,1,VT,2,R,B,R,B,R,L,u,i1,已知图示电路中,U,CC,=12V，,U,EE,=12V，三个三极管的电流放大倍数均为50，,R,e,=33k，,R,C,=100k，,R,=10k，,R,W,=200，稳压管的,U,Z,=6V，,R,1,=3k.试估算：该放大电路的静态工作点,Q,；差模电压放大倍数；差模输入电阻和差模输出电阻。,由于恒流源上的电流恒定，当差模信号输入时，对称的两个三极管就会一个射极电流增大，另一个射极电流减小，且增大和减小的数值相同，所以,R,W,上的中点交流电位为零，其交流通路如下图所示：,可得电路中电压增益为：,式中：,归纳：,对于单端输出的差动放大电路，要提高共模抑制比，首先应当提高,R,e,的数值。但集成电路中不易制作大阻值的电阻，因为静态工作点不变时，加大,R,e,的数值，势必增加其直流压降，提高电源,V,EE,的数值，采用过高数值的,V,EE,显然是不可取的。采用恒流源代替电阻,R,e,，不但可以大大提高电路的共模抑制比，还可减小其直流压降；而且作为有源负载，能够明显提高电路的电压增益。,由单边电路的交流分析可得：,（1）开环电压放大倍数A,u0,其数值很高，一般约为10,4,10,7,。该值反映了输出电压,U,0,与输入电压,U,和,U,之间的关系。,（2）差模输入电阻r,i,运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。,（3）闭环输出电阻r,0,由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。,指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个,电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，,甚至造成器件损坏。,（4）最大共模输入电压U,icmax,9.4.2 集成运放的主要参数,9.6 集成运放的简化模型,为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：,开环电压放大倍数A,u0,=,差模输入电阻r,i,=,输出电阻r,0,=0,共模抑制比K,CMR,=,集成运放的电压传输特性,理想特性,U,0M,u,i,(mV),0,u,0,(V),线性区,实际特性,U,0M,根据集成运放的实际特性和理想特性，可分别画出其相应的电压传输特性。,集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系,饱和区,可以看出，当集成运放工作在线性区(,+,U,0M,U,0M,)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在,饱和状态,，使输出电压,保持稳定,。,集成运放工作在线性区的特点,由,可知，理想运放工作在线性区时，输,出电压,U,0,与输入电压,U,i,之间是线性放大关系。,因A,u0,=，所以可导出,运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 ，,即,理想运放的两个输入端电位相等,。,两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“,虚短,”。,又由于理想运放的差模输入电阻r,i,=，所以可近似地认为,两个输入端均无电流流入,。这种现象称为“,虚断,”。,“,虚短,”和“,虚断,”是运放工作在线性区的两个重要结论。,认真复习，加强练习，,巩固成果，学以致用！,Goodbye!,