集成運算放大器基礎.ppt

《集成運算放大器基礎.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《集成運算放大器基礎.ppt（79頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

2020 1 29 1 9 1概述9 2零點漂移9 3差動放大電路9 4集成運算放大器的性能參數(shù)9 5集成運算放大器的應用 第9章集成運算放大器 2020 1 29 2 研究對象 集成運算放大器的應用 關注焦點 如何利用理想運放的特點 分析運放電路 本章主要討論集成運放的應用 關于集成運放的工作原理和內(nèi)部結構留給要深入了解集成運放同學自學 集成運放的應用電路從功能上分有信號運算 信號處理 信號產(chǎn)生電路等 2020 1 29 3 1 集成電路簡介 集成電路 Integratedcircuit縮寫為IC 是應用半導體制造工藝把晶體管 場效應管 電阻 小容量電容等許多元器件以及它們之間的連線都做在同一硅片上 然后封裝在管殼里 這樣制成的具有特定功能的電子電路稱為集成電路 特點 體積小 重量輕 性能好 功耗低 可靠性高 9 1概述 2020 1 29 4 2 集成電路的分類 集成電路按功能可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類 模擬集成電路按其特點分為集成運算放大器 集成穩(wěn)壓器 集成功率放大器等 2020 1 29 5 3 集成電路的工藝特點 1 元器件具有良好的一致性和同向偏差 因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結構的電路 2 集成電路的芯片面積小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 3 不易制造大電阻 需要大電阻時 往往使用有源負載 4 只能制作幾十pF以下的小電容 因此 集成放大器都采用直接耦合方式 如需大電容 只有外接 5 不能制造電感 如需電感 也只能外接 2020 1 29 6 9 2零點漂移 零漂現(xiàn)象 產(chǎn)生零漂的原因 溫漂指標 由溫度變化引起的 當溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小變化時 這種變化量會被后面的電路逐級放大 最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移 因而零點漂移也叫溫漂 輸入Vi 0時 輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生 溫度每升高1度時 輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端的等效輸入漂移電壓值 2020 1 29 7 例如 若第一級漂了100uV 則輸出漂移1V 若第二級也漂了100uV 則輸出漂移10mV 假設 第一級是關鍵 減小零漂的措施 用非線性元件進行溫度補償 采用差分式放大電路 漂了100uV 漂移10mV 100uV 漂移1V 10mV 漂移1V 10mV 2020 1 29 8 9 3差動放大電路 即 1 2 VBE1 VBE2 VBErbe1 rbe2 rbeRC1 RC2 RCRb1 Rb2 Rb 2020 1 29 9 1 差動放大電路一般有兩個輸入端 雙端輸入 從兩輸入端同時加信號 單端輸入 僅從一個輸入端對地加信號 2 差分放大電路可以有兩個輸出端 一個是集電極C1 另一個是集電極C2 雙端輸出 從C1和C2輸出 單端輸出 從C1或C2對地輸出 二 幾個基本概念 2020 1 29 10 3 差模信號與共模信號 差模信號 共模信號 差模電壓增益 共模電壓增益 總輸出電壓 4 共模抑制比 2020 1 29 11 三 差動放大電路的基本工作原理 1 靜態(tài)工作點的計算 忽略Ib 有 Vb1 Vb2 0V 2020 1 29 12 2 抑制零漂的原理 vo vC1 vC2 0 vo vC1 vC1 vC2 vC2 0 當vi1 vi2 0時 當溫度變化時 vC1 vC2 vC1 vC2 2020 1 29 13 1 加入差模信號 設 vi1 vi2 vid 2 vic 0 3 電路的動態(tài)分析 Re對差模信號相當于短路 設vi1 vi2 ib1 ib2 ie1 ie2 ie1 ie2 IRe不變 VE不變 2020 1 29 14 其等效電路為 因為vi1 vi2 差模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻 輸出電阻 2020 1 29 15 2 加入共模信號 設 vi1 vi2 vic vid 0 設vi1 vi2 使vo1 vo2 因vi1 vi2 vo1 vo2 vo 0 理想化 共模電壓放大倍數(shù) 2020 1 29 16 四 差動放大器的輸入輸出方式 差動放大器共有四種輸入輸出方式 1 雙端輸入 雙端輸出 雙入雙出 2 雙端輸入 單端輸出 雙入單出 3 單端輸入 雙端輸出 單入雙出 4 單端輸入 單端輸出 單入單出 主要討論的問題有 差模電壓放大倍數(shù) 共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻 2020 1 29 17 1 雙端輸入雙端輸出 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 共模電壓放大倍數(shù) 3 差模輸入電阻 4 輸出電阻 2020 1 29 18 2 雙端輸入單端輸出 這種方式適用于將差分信號轉換為單端輸出的信號 1 差模電壓放大倍數(shù) 2 差模輸入電阻 3 輸出電阻 2020 1 29 19 4 共模電壓放大倍數(shù) 共模等效電路 2020 1 29 20 3 單端輸入雙端輸出 單端輸入等效雙端輸入 因為右側的Rb rbe歸算到發(fā)射極回路的值 Rs rbe 1 Re 故Re對Ie分流極小 可忽略 于是有 vi1 vi2 vi 2 計算同雙端輸入雙端輸出 2020 1 29 21 4 單端輸入單端輸出 注意放大倍數(shù)的正負號 設從T1的基極輸入信號 如果從C1輸出 為負號 從C2輸出為正號 計算同雙入單出 2020 1 29 22 1 差模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關 只與輸出方式有關 差動放大器動態(tài)參數(shù)計算總結 雙端輸出時 單端輸出時 2 共模電壓放大倍數(shù) 與單端輸入還是雙端輸入無關 只與輸出方式有關 雙端輸出時 單端輸出時 2020 1 29 23 3 差模輸入電阻 不論是單端輸入還是雙端輸入 差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍 單端輸出時 雙端輸出時 4 輸出電阻 2020 1 29 24 5 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一個重要指標 或 雙端輸出時KCMR可認為等于無窮大 單端輸出時共模抑制比 2020 1 29 25 五 帶恒流源的差動放大電路 根據(jù)共模抑制比公式 恒流源的直流電流數(shù)值為IE3 VZ VBE3 Re 可以看出 加大Re 可以提高共模抑制比 為此可用恒流源T3來代替Re 恒流源相當于阻值很大的電阻 恒流源不影響差模放大倍數(shù) 恒流源使共模放大倍數(shù)減小 從而增加共模抑制比 理想的恒流源相當于阻值為無窮大的電阻 所以共模抑制比無窮大 恒流源的作用 2020 1 29 26 思考題 1 若在基本差動放大電路中增加兩個電阻Re 如圖所示 則動態(tài)指標將有何變化 答 雙端輸出差模增益 差模輸入電阻 單端輸出共模增益 2020 1 29 27 差動放大器實例 2020 1 29 28 思考題 2 差動放大電路如圖所示 分析下列輸入和輸出的相位關系 反相 vC1與vi1 同相 vC2與vi1 同相 vC1與vi2 反相 vC2與vi2 反相 vO與vi1 同相 vO與vi2 3 靜態(tài)時 兩個輸入端是否有靜態(tài)偏置電流 2020 1 29 29 1 認識集成運算放大器目前集成運放常見封裝方式有圓金屬殼式和雙列直插式封裝 后者居多 雙列直插式有8 10 12 14 16管腳等種類 在這些管腳中 有一個同相輸入端 一個反相輸入端和一個輸出端 有正 負電源輸入端和公共地端 此外根據(jù)設計的不同要求還有若干個外接調(diào)零端 至少有一個外接調(diào)零端 9 4集成運算放大器的性能參數(shù) 2020 1 29 30 2 集成運算放大器的常用技術指標 開環(huán)增益 器件輸出電壓同相應輸入電壓的比值 它表示器件放大倍數(shù)的大小電壓增益 輸出電壓變化量同相應輸入電壓變化量比值電源電壓范圍 器件正常工作的電源電壓變化范圍 電源電流 器件輸入為0 輸出開路 正常工作時從電源拉出的電流輸入失調(diào)電壓 使器件輸出0V時的輸入電壓 輸入電阻 在一個輸入端接地時 輸入電壓的變化量與輸出電流變化量的比 2020 1 29 31 輸入電壓范圍 使器件能夠正常工作的輸入電壓的變化范圍 電源電壓擬制比 電源電壓規(guī)定的變化量與此范圍內(nèi)如失調(diào)電壓變化量之比 共模擬制比 開環(huán)增益與共模增益的比值 單位是dB 帶寬 電壓增益降至低頻率值以下3dB時的頻率 轉換時間 輸入大的階躍信號后 受內(nèi)部限制可以得到輸出電壓的變化速率 2020 1 29 32 3 集成運算放大器的重要指標 1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod一般Aod越大越好 理想情況Aod 2 最大輸出電壓Uop p集成運放最大不失真輸出電壓的峰 峰值 例如 F007電源電壓為 15V Uop p 10V 若Aod 105 則差模輸入電壓Uid 0 1mV 2020 1 29 33 3 差模輸入電阻rid 差模輸入電阻越大越好 理想情況rid 4 輸出電阻ro 輸出電阻越小 說明帶負載能力越強 理想情況ro 0 2020 1 29 34 9 5集成運算放大器應用 運算放大器的兩個工作區(qū)域 狀態(tài) 1 運放的電壓傳輸特性 設 電源電壓 VCC 10V 運放的AVO 104 Ui 1mV時 運放處于線性區(qū) AVO越大 線性區(qū)越小 當AVO 時 線性區(qū) 0 2020 1 29 35 2 理想運算放大器 開環(huán)電壓放大倍數(shù)AV0 差摸輸入電阻Rid 輸出電阻R0 0 為了擴大運放的線性區(qū) 給運放電路引入負反饋 理想運放工作在線性區(qū)的條件 電路中有負反饋 運放工作在線性區(qū)的分析方法 虛短 U U 虛斷 ii ii 0 3 線性區(qū) 2020 1 29 36 4 非線性區(qū) 正 負飽和輸出狀態(tài) 運放工作在非線性區(qū)的條件 電路中開環(huán)工作或引入正反饋 運放工作在非線性區(qū)的分析方法請同學們閱讀有關參考書 2020 1 29 37 9 5 1比例運算電路 一 反相比例運算 虛地點 i1 iF 虛斷 因為有負反饋 利用虛短和虛斷 u 0 u u 0 虛地 平衡電阻 使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等 RP R1 RF f 反饋方式 電壓并聯(lián)負反饋 2020 1 29 38 例1 R1 10k RF 20k ui 1V 求 uo Ri RP應為多大 Au Rf R1 20 10 2 特點 共模輸入電壓 0 u u 0 缺點 輸入電阻小 Ri R1 uo Auui 2 1 2V Ri R1 RP R1 Rf 10 20 6 7k 2020 1 29 39 采用T型反饋網(wǎng)絡的反相比例電路 目的 在高比例系數(shù)時 為避免RF阻值太大 分析 u u 0 虛短 i1 i2 虛斷 2020 1 29 40 二 同相比例運算放大器 u u ui i1 iF 虛斷 RP Rf RF 因為有負反饋 利用虛短和虛斷 反饋方式 電壓串聯(lián)負反饋 2020 1 29 41 例2 R1 10k Rf 20k ui 1V 求 uo RP應為多大 uo Auui 3 1 3VRP Rf R1 10 20 6 7k 特點 輸入電阻 高 2020 1 29 42 當RF 0時 Au 1 uo ui 三 電壓跟隨器 此電路是同相比例運算的特殊情況 輸入電阻大 輸出電阻小 在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同 但是電壓跟隨性能好 2020 1 29 43 1 反相求和運算 虛地 若R1 R2 R 取RP R1 R2 Rf i1 i2 iF 9 5 2基本運算電路 一 加法運算電路 2020 1 29 44 2 同相求和運算 取R2 R3 R1 Rf 2020 1 29 45 二 減法運算電路 一 利用加法器 vi2 vi1 vi2 vi1 反相器 1 2020 1 29 46 疊加定理 二 減法器 差動減法器 Vi1作用 Vi2作用 綜合 2020 1 29 47 1 積分電路 三 積分和微分電路 2020 1 29 48 反相積分器 如果ui 直流電壓U 輸出將反相積分 經(jīng)過一定的時間后輸出飽和 積分時限 設Uom 15V U 3V R 10k C 1 F 0 05秒 2020 1 29 49 練習 畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形 a 階躍輸入信號 b 方波輸入信號 積分器的輸入和輸出波形圖 2020 1 29 50 應用舉例 輸入方波 輸出是三角波 2020 1 29 51 2 微分電路 u u 0 2020 1 29 52 2020 1 29 53 一 對數(shù)電路 9 5 3對數(shù)和反對數(shù)運算電路 自學 利用PN結的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算 2020 1 29 54 其中 IES是發(fā)射結反向飽和電流 uO是ui的對數(shù)運算 BJT的發(fā)射結有 注意 ui必須大于零 電路的輸出電壓小于0 7伏 利用虛短和虛斷 電路有 也可利用半導體三極管實現(xiàn)對數(shù)運算 2020 1 29 55 二 反對數(shù) 指數(shù) 電路 2020 1 29 56 uO是ui的反對數(shù)運算 指數(shù)運算 用半導體三極管實現(xiàn)反對數(shù)運算電路 利用虛短和虛斷 電路有 要求 以上兩個電路溫漂很嚴重 實際電路都有溫度補償電路 2020 1 29 57 1 基本原理 三 對數(shù)反對數(shù)型模擬乘法器 實現(xiàn)框圖 2020 1 29 58 對于差放有 2 集成模擬乘法器 一 基本原理 2020 1 29 59 模擬乘法器功能 實現(xiàn)兩個模擬量相乘 其中K為比例因子 量綱 V 1 符號 2020 1 29 60 二 模擬乘法器的應用 1 相乘運算 模擬相乘器 立方運算電路 2 平方和立方運算 平方運算電路 3 除法運算電路 據(jù)虛斷 如果令K R2 R1則 工作 負反饋 條件 4 開平方運算電路 v1為負值 負反饋條件 二極管作用 5 開立方運算電路 2020 1 29 64 有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器 濾波器的功能 對頻率進行選擇 過濾掉噪聲和干擾信號 保留下有用信號 9 5 4有源濾波電路 濾波器的分類 低通濾波器 LPF 高通濾波器 HPF 帶通濾波器 BPF 帶阻濾波器 BEF 2020 1 29 65 有源濾波器的頻響 本課討論由運放及RC元件構成的濾波器 2020 1 29 66 濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分 例如 有一個較低頻率的信號 其中包含一些較高頻率成分的干擾 2020 1 29 67 1 一階RC低通濾波器 無源 一 低通有源濾波器 2020 1 29 68 幅頻特性 幅頻特性曲線 2020 1 29 69 2 一階有源低通濾波器 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項 故稱為一階濾波器 2020 1 29 70 相頻特性 幅頻特性及幅頻特性曲線 2020 1 29 71 電路特點 2020 1 29 72 3 二階有源低通濾波器 A0 1 RF R1 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的二次項 故稱為二階濾波器 2020 1 29 73 以上兩式表明 當時 Q 1 在處的電壓增益將大于 幅頻特性在處將抬高 當Ao 3時 Q 有源濾波器自激 由于將C1接到輸出端 等于在高頻端給LPF加了一點正反饋 所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高 甚至可能引起自激 幅頻特性曲線 2020 1 29 74 二 高通有源濾波器 1 一階有源高通濾波器 2020 1 29 75 幅頻特性及幅頻特性曲線 2020 1 29 76 2 二階有源高通濾波器 由此繪出頻率響應特性曲線 1 通帶增益 2 頻率響應 其中 2020 1 29 77 結論 當f f0時 幅頻特性曲線的斜率為 40dB dec 當AO 3時 電路自激 頻率響應特性曲線 2020 1 29 78 可由低通和高通串聯(lián)得到 必須滿足 低通特征角頻率 高通特征角頻率 三 有源帶通濾波器 2020 1 29 79 可由低通和高通并聯(lián)得到 必須滿足 四 有源帶阻濾波器