当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

运放


模拟电子技术基础

第四章

集成运算放大器

第四章
本章主要内容

集成运算放大器

1. 介绍集成运放中的单元电路。 介绍集成运放中的单元电路。 2. 介绍通用集成运算放大器电路。 介绍通用集成运算放大器电路。 教学基本要求 1. 了解集成运放的基本组成,掌握集成运放的主要参数及简 了解集成运放的基本组成, 化低频等效电路。 化低频等效电路。 2. 正确理解差分放大电路的类型与特点及大信号传输特性, 正确理解差分放大电路的类型与特点及大信号传输特性, 熟练掌握差分放大电路的分析计算方法。 熟练掌握差分放大电路的分析计算方法。 3. 了解集成运放电路工作原理及基本特性。 了解集成运放电路工作原理及基本特性。

第四章

集成运算放大器

4. 1 4. 2 4. 3

集成运放概述 集成运放中的基本单元电路 集成运放中的基本单元电路 通用集成运放

4.1

集成运放概述

集成运算放大器是具有完成比例、求和、积分、 集成运算放大器是具有完成比例、求和、积分、 算放大器是具有完成比例 微分、对数、反对数、 微分、对数、反对数、乘法等运算的集成电路 器件。 器件。 一. 集成电路中元器件的特点 1. 单个元件精度不高,受温度影响也大,但元 单个元件精度不高,受温度影响也大, 器件的性能参数比较一致,对称性好。 器件的性能参数比较一致,对称性好。 2. 用有源元件代替无源元件。 用有源元件代替无源元件。 3. 二极管多由三极管代替。 二极管多由三极管代替。 4. 多级放大电路用直接耦合。 多级放大电路用直接耦合。

二. 集成运放的典型结构 集成运放的典型结构如图4.1所示 集成运放的典型结构如图 所示

输入

输入级

中间级 偏置电路

输出级

输出

图4.1 集成运放的电路框图

1.偏置电路 偏置电路 要求:为各级电路提供直流偏置电流。 要求:为各级电路提供直流偏置电流。 组成:一般由各种类型的恒流源电路组成。 组成:一般由各种类型的恒流源电路组成。 2. 输入级 要求:输入电阻大、能减小零点漂移和抑制干扰信号。 要求:输入电阻大、能减小零点漂移和抑制干扰信号。 组成:采用带恒流的差分放大电路。 组成:采用带恒流的差分放大电路。 3. 中间级 要求:具有很高的电压增益。 要求:具有很高的电压增益。 组成:由复合管的共射极放大电路构成中间放大级;由 组成:由复合管的共射极放大电路构成中间放大级; 射极跟随器构成中间隔离级。 射极跟随器构成中间隔离级。 4. 输出级 要求:输出电阻低,带负载能力强,能输出足够大的电 要求:输出电阻低,带负载能力强, 压和电流。 压和电流。 组成:采用互补对称功率放大电路或射极跟随器构成。 组成:采用互补对称功率放大电路或射极跟随器构成。

4.2

集成运放中的基本单元电路

4.2.1. 差分放大电路
一. 电路组成及抑制零漂的原理 电路组成及抑制零漂的原理 1. 图4.2 典型的差分放大电路,称为双端输入 . 典型的差分放大电路,称为双端输入—— 双端输出差分放大电路。 双端输出差分放大电路。

图4.2 差分放大 电路的结构

2. 特点 电路结构对称, 电路结构对称,且 RB1= RB2 = RB 、 RC1= RC2 = RC 、 RE1= RE2 = RE 、 β1 =β2 =β。 。

3. 抑制零漂的原理

图4.2 差分放大电路的结构

的静态工作点相同; (1) T1、T2 的静态工作点相同; (2) 利用电路的对称性和 E的负反馈达到抑制零点 利用电路的对称性和R 漂移的同时,又不影响电路放大能力。 漂移的同时,又不影响电路放大能力。

二.静态分析(ui1=ui2=0) 静态分析(
直流通路如图4.3所示 直流通路如图 所示 Q RB1 = RB2 = RB
RC1 = RC2 = RC

RE1 = RE2 = RE

β1 = β2
图4.3 差动放大电路 的直流通路

∴ I B1 = I B2 = I B

I C1 = I C2 = I C
I E1 = I E2 1 = IE 2

U BE1 = U BE2 = U BE

U CE1 = U CE2 = U CE

∴ I B1 = I B2

U EE U BE U EE U BE = IB = ≈ RB + 2(1 + β ) RE 2(1 + β ) RE

I C = I C1 = I C2 = β I B U EE U BE ≈ 2RE
UCE1 =UCE2 = UCE ≈UCC +UEE – IC (RC +2RE) 则:UO = UCE1 – UCE2 = 0
图4.3 差动放大电路 的直流通路

三. 动态分析 ui1≠0,ui2≠0且为小信号 ) 动态分析( 且为小信号 , 且为
1. 共模输入信号(Common--mode input ) 共模输入信号( (1)表述:当两个输入信号电压的大小相等,极性相同,即 表述:当两个输入信号电压的大小相等,极性相同, ui1= ui2 时,称ui1 与ui2 称为共模信号,记为“ uic ”。 称为共模信号,记为“ 。 (2)分析:交流通路如图 4所示 分析:交流通路如图4. 所示 ∵ ui1 = ui2,且电路是完全对称的差分放大电路; ,且电路是完全对称的差分放大电路;

∴ ib1=ib2,ic1=ic2,ie1=ie2 uc1 = uc2 , uce1 = uce2, uo = uce1-uce2 = 0, , Auc双出 = 0 双出
& Auc单出 = β RC βRC ≈ RB + rbe + 2(1 + β ) RE 2 RE

图4.4

ric = RB + rbe + 2(1 + β ) RE

roc = RC

共模信号 的交流通路

2. 差模输入信号 (Differential--mode input)
(1)表述:当两个输入信号电压的大小相等,极性 表述:当两个输入信号电压的大小相等, 相反, 相反,即ui1=-ui2 时,称ui1 与ui2称为差模信号或 - 差模输入,记为“ 。 差模输入,记为“ uid ”。 (2)分析: 分析: ∵ ui1=-ui2 = (1/2) ui, - ∴ ib1=-ib2, ic1=-ic2, ie1=-ie2, - - - ie = ie1+ ie2 = 0 uo1=-uo2 -
图4.5 差模信号 的交流通路

说明: 对差模信号电流不起作用, 说明 RE 对差模信号电流不起作用,故uRE= 0, , 差模信号放大电路的交流通路如图 所示。 电路的交流通路如图4.5所示 得差模信号放大电路的交流通路如图 所示。

∵ ui = ui1 - ui2 = 2ui1, uo1 = - uo2 ∴ uo = uo1 - uo2 = 2uo1
& & U o 2U o1 & & ∴ Aud = = = Aud1 & & U i 2U i1

β RC1 β RC = = RB1 + rbe1 RB + rbe
若输出端接有负载R 则有: 若输出端接有负载 L,则有:
′ & = β RL = Aud RB + rbe β [ RC //( RL /2)] RB + rbe

图4.5

差模信号 的交流通路

rid = 2( RB + rbe ) rod = 2 RC

综上所述: 综上所述: 1. 抑制零点漂移的原理: 抑制零点漂移的原理: (1) 利用电路的对称性。 利用电路的对称性。 (2) 利用 E的共模负反馈作用对零点漂移的抑制。 利用R 的共模负反馈作用对零点漂移的抑制。 2. 电源 UEE)的作用是: 电源(-的作用是: 的作用是 1) 对三极管 1、T2 提供基极电流; 对三极管T 提供基极电流; 2) 补偿 E 在RE 上产生的直流压降,使VE≈0,则 补偿I 上产生的直流压降, , UCE = VC,输出电压有较大的变化范围。 输出电压有较大的变化范围。

3. 比较输入信号
(1)表述:当两个输入信号既非共模,又非差模,它 表述:当两个输入信号既非共模,又非差模, 们的大小和极性是任意的, 们的大小和极性是任意的,这样的输入信号称为 比较输入信号。 比较输入信号。 (2)分析: 分析:
+ ui1 1 差分 + ui2 uid

+

-

放大 2 电路

-

+
uic

+

uid

-

-

-

1 差 + 分 放 uid 大 - 电 2 路

ui1=uic + uid 1 ∴ uid = ( ui1 ui2 ) 2

ui2= uic- uid
1 uic = ( ui1 + ui2 ) 2

uoc =0 又 Q Auc = uic

uod Aud = = Aud1 uid

∴ Au = Aud = Aud1 = Au1

uod Q Aud = Au1 = uid
∴ uo = 2uo1 = Au 2uid

= Au ( ui1 ui2 )
= Au ( ui2 ui1 )
图4.6 比较输入信号 差分放大电路

**差分放大电路的大信号传输特性,见教材P121图4.2.6 差分放大电路的大信号传输特性,见教材 差分放大电路的大信号传输特性 图



四. 共模抑制比
Aud 与对共模输入信号的电压放大倍数Auc 的比值, 与对共模输入信号的电压放大倍数 的比值, 称为差动放大电路的共模抑制比。记为“ 称为差动放大电路的共模抑制比。记为“CMRR” ( Common—mode rejection ratio )

1. 表述:放大电路对差模输入信号的电压放大倍数 表述:

2. 表达式: 表达式:

K CMR 双

Aud = ∞ Auc

K CMR 单

Aud βRE = ≈ Auc RB + rbe

差分放大电路的性能比较
接法 差模电压放大增益 共模电压放大增益 双入 双出 单入 双出
′ & = β RL Aud RB + rbe ′ RL = RC // ( RL /2)

KCMR KCMR→∞

输入、 输入、输出电阻 rid=2(RB+rbe) rod=2RC rid=2(RB+rbe) rod=2RC

对称条件下

Auc=0
对称条件下

′ β RL & Aud = RB + rbe ′ RL = RC // ( RL /2) & Aud = ′ β RL 2( RB + rbe )

Auc=0
& Auc = ′ β RL RB + rbe + 2(1 + β ) RE ′ βRL ≈ 2 RE

KCMR→∞

双入 单出

K CMD ≈ βRE RB + rbe
K CMD ≈ βRE RB + rbe

′ RL = RC //RL

rid=2(RB+rbe) rod=RC

单入 单出

′ β RL & Aud = RB + rbe ′ RL = RC //RL

& Auc = ′ β RL RB + rbe + 2(1 + β ) RE βR ′ ≈ L 2 RE

rid=2(RB+rbe) rod=RC

差分放大电路的性能比较
接法 双入 uid1 RB 双出 _ 半电路差模、 半电路差模、共模等效电路 抑制零点漂移原理

+

rbe RB r be

βib βib 2RE

RC

RL + uod1 2 _ + uod1

+
双入 双出

uic1= uic _

RC

(1)利用电路的对 利用电路的对 称性。 称性。 (2)利用 E的共模 利用R 利用 负反馈作用。 负反馈作用。

_

双入 uid1 RB 单出 _

+

rbe RB r be 2RE

βib

RC RL u+ = uod1 od _ + uoc= uoc1 RC RL _ 利用R 利用 E的共模负反 馈作用。 馈作用。

+
双入 单出

βib

uic1= uic _

4.2.2 带恒流源的差分放大电路
通过对图4.2的分析可知: 通过对图 的分析可知: 的分析可知 1. RE愈大,对零点漂移 愈大, 的抑制作用愈强, 的抑制作用愈强,电路 的共模抑制比愈高; 的共模抑制比愈高; 2. 问题: RE 愈大,电源 问题: 愈大, (-UEE)需增大,不经济、 - 需增大, 需增大 不经济、 图4.2 差分放大电路的结构 不安全; 不安全;

3. 方案: 方案: 动态电阻大

零点漂移抑制作用愈强 不致使(- 不致使 -UEE)值过大 值过大



静态电阻小 元件来代替R 元件来代替 E

4. 措施: 措施:
因为三极管处在放大状态时既有恒流特性, 因为三极管处在放大状态时既有恒流特性, 恒流特性 又有动态电阻大;而静态电阻小的特点。 又有动态电阻大;而静态电阻小的特点。故可用 恒流源代替R 如图4.7所示 所示。 恒流源代替 E,如图 所示。

图4.7

带恒流源的差分放大电路

4.2.3 复合管电路
c i c ib b
T1 T2

c b ib
T1

ic

T2

e b ib

e c ic

c ic ib

β ≈ β1 β2

b e

复合NPN型 型 复合

e

复合PNP型 型 复合

4.2.3 复合管电路
c ib b ic
T2 T1

c ic ib b
T1 T2

e e b ib c ic

c ic ib

β ≈ β1 β2

b e

复合NPN型 型 复合

e

复合PNP型 型 复合

晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。

4.2.4 互补推挽放大电路
+UCC T1 + ui - A T2 iL RL u

ωt

+ -
uo

uo

交越失真

-UCC 双电源互补推挽电路

ωt

ui>ube1→T1导通、T2截止 b1→ic1≈io→uo= ioRL 导通、 截止→i ui<ube2→T1截止、T2导通 b2→ic2≈-io→uo=-ioRL 截止、 导通→i - -

克服交越失真的互补电路
+UCC

R1
T1

D1

ui

D2 R2

A T2 RL

uo

-UCC

4.3 4.3

通用集成运放

一. 双极型通用运放简化电路 1. 结构及组成
运算放大器的简化原理图。它是由输入级、 图4.10为FC72 运算放大器的简化原理图。它是由输入级、 为 中间级(中间放大级和中间隔离级)、输出级组成。 )、输出级组成 中间级(中间放大级和中间隔离级)、输出级组成。

图4.10 FC72运放 运放 简化原理图

2. 电路的相位关系分析

4 端为反相输入端 5 端为同相输入端

综上所述,用框图和图形符号表示集成运算放 综上所述, 大器,如图4.11所示。 所示。 大器,如图 所示

图4.11 运放基本结构框图及图形符号

二. 集成运算放大器的主要参数 1. 输入失调电压 IO 输入失调电压U 若输入电压为零,输出电压不为零, 若输入电压为零,输出电压不为零,则需要 在输入瑞加补偿电压.以使输出为零, 在输入瑞加补偿电压.以使输出为零,这个补 偿电压称为输入失调电压U 偿电压称为输入失调电压 IO 。 2. 输入失调电流 IIO 输入信号为零时,两个输入端静态基极电流 输入信号为零时, 之差.称为输入失调电流I 之差.称为输入失调电流 IO。 3. 输入偏置电流 IIB 指输出电压为零时流入放大器两输入端的静 态基极电流之差, 态基极电流之差,即 I IO = I B1 I B2 U =0
O

4. 最大输出电流 IOM 指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。 指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通 常给出输出端短路的电流。 常给出输出端短路的电流。 5. 最大差模输入电压 UIDM 指集成运放的反相和同相输入端所能承受的最 大电压值。 大电压值。 6. 最大共模输入电压 UICM 指运放所能承受的最大共模输入电压。 指运放所能承受的最大共模输入电压。 7. 开环差模放大倍数 ud(开环电压增益) 开环差模放大倍数A 开环电压增益) 指集成运放工作在线性区,接入规定的负载, 指集成运放工作在线性区,接入规定的负载, 无负反馈电路时的直流差模电压放大倍数A 无负反馈电路时的直流差模电压放大倍数 ud 。

三.简化低频等效电路
在运放动态性能的分析中,当晶体管工作在放 在运放动态性能的分析中, 大状态时,低频放大电路可等效为线性电路。 大状态时,低频放大电路可等效为线性电路。 如图4.12所示。 所示。 如图 所示

+ uid -

(+)

rid
(-)

Aud uid +

ro +uo

图4.12 集成运放的简化 低频等效电路

四. 理想运算放大器及其分析依据 1. 理想运算放大器及其传输特性 (1) 理想集成运放应具有如下理 想参数: 想参数: ① 电压放大倍数 Aud→∞; ② 输入电阻 rid→∞; ③ 输出电阻 ro≈0; ; 共模抑制比CMRR→∞ ④ 共模抑制比
图4.13a 理想运放 的图形符号

⑤ 输入失调电压UIO及输入失调 输入失调电压 均为零。 电流 IIO均为零。

(2) 传输特性: 传输特性: 表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系 的特性曲线。 的特性曲线。 可分为线性区和饱和区。 *工作在线性区,即有: 工作在线性区,即有: 工作在线性区

uo = Aud ( u+ u )
*工作在非线性区: 工作在非线性区: 工作在非线性区 有:uo 为+Uo(sat)或-Uo(sat) ,
随 u+ u ↑ , 使uo达到饱和值, 图4.13b 运算放大器 达到饱和值, 的传输特性

* 要使理想运算放大器工作在线性区, 要使理想运算放大器工作在线性区, 引入深度负反馈。 必须 引入深度负反馈。

2. 理想运算放大器分析依据 (1)工作在线性区 工作在线性区 ① ∵ Aud→∞, ,
uo ≈0 有:u+ u = Aud
图4.13a 理想运算放大器 的图形符号

∴ u+ = u

或 ν+ = ν

故两输入端可视为短路,称为“虚短” 故两输入端可视为短路,称为“虚短”。 ②∵ ri →∞ ∴两输入端的电流 ii≈0, 即两输入端对外电路而言可视为开路,称为 即两输入端对外电路而言可视为开路, 虚断” “虚断”。

(2)工作在非线性区 工作在非线性区 式 uo= Aud (u+-u-)不能满足, 不能满足, 不能满足 当u+>u-时,uo = +Uo(sat) 当u+<u-时,uo =-Uo(sat) -
图4.13b 运算放大器 的传输特性

注意: 注意: 1. u+与u-两个输入端不一定相等, 两个输入端不一定相等, 虚短”原则上不成立。 即“虚短”原则上不成立。 2. u+、u-两个输入端的电流 ii≈0, , 虚断”原则上仍成立。 即“虚断”原则上仍成立。

第四章作业及思考题
1.作业:4.10;4.20; 作业: ; 2.思考题:4.2;4.3;4.4;4.5;4.6。 思考题: ; ; ; ; 。


相关文章:
运放基础知识_图文.ppt
运放基础知识 - 集成运放的工作原理及线性应用和运放电路的一般分析方法... 第一节 理想运放模型及闭环分析 ?由前面介绍可知:集成运放原理及内部结构,而应用时常采 ...
运放的原理与使用.pdf
运放的原理与使用 - 幻灯片 1 正如我们所知,利用不同的晶体管可以构造开关,振
运放参数说明.doc
运放参数说明 - 1、输入失调电压(Input Offset Voltage) VOS 若将运放的两个输入端接地,理想运放输出为零,但实际运放输出不为零。 此时,用输出电压除以增益得到...
常用运放引脚图.doc
常用运放引脚图 - 常用运放引脚图 UA741 通用运放 1 2 3 4 OP0
几个经典的运放电路.doc
几个经典的运放电路 - 双限比较器(窗口比较器)电路图-原理图 图 1 电路由两
运算放大器经典应用.pdf
基本电路 电压并联负反馈输入端虚短、虚断 特点: 反相端为虚地,所以共模输入可视为 0,对运放共模抑制比要求低 输出电阻小,带负载能力强 要求放大倍数较大时,反馈...
运放参数及指标定义详解.doc
运放参数及指标定义详解 - 对运放的参数进行了规整,对其中定义不明的地方添加了标
如何判断运放的好坏.doc
如何判断运放的好坏 - 运算放大器的好坏判别方法 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性, 这两个特性对分析线性运用的 运放电路十分有用。为了保证线性运用,...
不用运放的处理.doc
不用运放的处理 - 不用运放的处理 绝对是好文档 绝对是好文档... 不用运放的处理_生活休闲。不用运放的处理 绝对是好文档 绝对是好文档 现在用到一块 4in1 的...
十种运放精密全波整流电路.pdf
十种运放精密全波整流电路 - 十种运放精密全波整流电路 图中精密全波整流电路的名
运放特性_图文.ppt
运放特性 - 理想运算放大器的特征及应用原则 线性集成放大器实际上是一个集成在一块半导体基片上的高增益直流放大器, 简称集成运放。在线性集成放大器上外加线性负...
运算放大器经典问题解析.pdf
12 为什么运放一般要反比例放大? 反相输入法与同相输入法的重大区别是: 反相输
运算放大器_图文.ppt
7 集成运放的结构、分类和参数集成运放的内部电路结构框图 输入级 中间级 输出级
运放分类及选型.doc
运放分类及选型 - 运放分类及选型 对于较大音频、视频等交流信号,选 SR(转换速率)大的运放比较合适。 对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较高的运放比较合适...
运放基本作用_图文.ppt
运放基本作用 - 第三讲 模拟集成电路 1.1 集成运算放大器 集成运算放大器是
运放基本计算.doc
运放基本计算 - 是运放学习的好帮手,非常给力... 熟悉运放三种输入方式的基本
运放大全.pdf
运放大全 - Lgxer资料之运算放大器 线性运算放大器系列(OP、TL、LM、
单电源运放图解.pdf
单电源运放图解 - 单电源运放图集 前言 前段时间去福州出差,看到TI的《A S
运算放大器平衡电阻.pdf
(5)运放“虚短” 的实现有两个条件: 1 ) 运放的开环增益 A 要足够大; 2 ) 要有负反馈电路。 先谈第一点,我们知道,运放的输出电压 Vo 等于正相输入端...
运放参数的详细解释和分析(完整版)_图文.pdf
运放参数的详细解释和分析 1输入偏置电流和输入失调电 流一般运放的 datasheet 中会列出众多的运放参数,有些易于理解,我 们常关注,有些可能会被忽略了。在接...
更多相关标签: