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1、第五章 集成运算放大器,湘乡市第一职业中专 李梅阳,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？,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
2、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ui=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,若输出有1 V的漂移电压 。,则等效输入有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,第一节 差动放大电路,即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,2018/9/27,1. 差动放大电路一般
3、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C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,二. 几个基本概念,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.差动放大电路的基本工作原理,1. 静态工作点的计算：,忽略Ib，有：Ub1=Ub2=0V,2.抑制零漂的原理:,Uo= UC1 - UC2 = 0,当ui1 = ui2 = 0 时，,当温度变化时：,UC1 = UC2,设T ic1 ,ic2 uc1 , uc2 uo= uc
4、1 - uc2 = 0,(1)加入差模信号,ui1=-ui2 =uid/2，,3.电路的动态分析,所以，Re对差模信号相当于短路。,若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 IRe不变 UE不变,uic=0。,求差模电压放大倍数：,因为ui1 =- ui2,设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。 电路对称uo1=uo2 uo= uo1 uo2=2 uo1,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,(2)加入共模信号,ui1=ui2 =uic， uid=0。,设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2 uo= 0 (理想化)。,共模电压
5、放大倍数,例： 扩音系统,什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器,第二节 OCL电路与OTL电路,一. 功放电路的特点,（2） 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）输出功率Po尽可能大,(3) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。,(4) 电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。,Po: 负载上得到
6、的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。,（5）功放管散热和保护问题,二. 功率放大器的几种工作状态,甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过放大器。,甲乙类：介于两者之间，导通角大于180,乙类：静态电流为0，只在正弦信号的半个周期内均导通。,一. 结构,互补对称： 电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支； 两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。,双电源互补对称电路-OCL电路,二、工作原理（设ui为正弦波）,静态时：,ui = 0V ic1、ic2均=0（乙类工作状态） uo = 0V,动态时：,ui 0V,T1截止，T2导通,ui 0V,T1导通，T2截止,iL=
7、 ic1 ;,iL=ic2,T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。,输入输出波形图,死区电压,组合特性分析图解法,负载上的最大不失真电压为Uom=VCC- UCES,最大不失真输出功率Pomax,1.输出功率Po,三、分析计算,存在交越失真,乙类互补对称功放的缺点,静态时: T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态甲乙类工作状态,动态时：设 ui 加入正弦信号。正半周 T2 截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2 基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。,电路中增加 R1、D1、D2、R2支路,
8、1.基本原理,甲乙类互补对称功率放大电路,一. 甲乙类双电源互补对称电路,波形关系：,特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。,2.带前置放大级的功率放大器,（甲乙类互补对称电路的计算同乙类）,3. 电路中增加复合管,增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。, 1 2,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,复合NPN型,复合PNP型,4. 带复合管的OCL互补输出功放电路：,T1：电压推动级（前置级）,T2、R1、R2：UBE扩大电路,T3、T4、T5、T6： 复合管构成互补对称功放,输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。,合理
9、选择R1、R2，b3、b5间可得到 UBE2 任意倍的电压。,1、基本原理,. 单电源供电；,. 输出加有大电容。,（1）静态偏置,二. 甲乙类单电源互补对称电路OTL电路,调整RW阻值的大小，可使,此时电容上电压,（2）动态分析,（电容起到了负电源的作用）,Ui负半周时， T1导通、T2截止；,Ui正半周时， T1截止、T2导通。,（3）输出功率及效率,若忽略交越失真的影响。则：,此电路存在的问题：,输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。,2. 带自举电路的单电源功放,静态时,C1充电后，其两端有一固定电压,动态时,由于C1很大，两端电压基本不变，使C1上端电位随输出电压升高而
10、升高。保证输出幅度达到VCC/2。,C1、R7为自举电路,3.带运放前置放大级的功率放大电路,运放A接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压 串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：,总结：互补对称功放的类型,第三节 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：,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,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。,三、 集成运算放大器的主要参数,2.输入失调电压温漂 dUIO /dT 在规定工作温度范围
11、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 IIO ： 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IIB ： 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dIIO /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Uidmax 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Vicmax 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
12、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 ： 无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻rid ： 双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,10.共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,11.3dB带宽 f H ： 运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽 f H 。,第四节 信号的运算与处理电路,一、 比例运算电路,1、反相输入比例运算电路,电压跟
13、随器,例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ，ui=1V，求输出电压uo，并说明输入级的作用。,例 在图示电路中，已知R1=100k， Rf=200k ， R2=100k， R3=200k ， ui=1V，求输出电压uo。,二、 加法和减法运算电路,1、加法运算电路,2、减法运算电路,例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。,解：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。,例：求图示电路中uo与ui1、ui2的关系。,解：电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成。,例 试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系：,解 由题中给出
14、的运算关系可知ui3与uo反相，而ui1和ui2与uo同相，故可用反相加法运算电路将ui1和ui2相加后，其和再与ui3反相相加，从而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如图所示。,由图可得：,例：求图示电路中uo与ui的关系。,三、 调零,四、 保护,调零时应将电路接成闭环。调零分两种，一种是在无输入时调零，即将两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。另一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。,1、输入端保护,3、电源保护,2、输出端保护,1直耦放大器的一个严重的问题是零点漂移。差动放大器是解决零点漂移问题的有效方法。差动放大器既能放大直流信号，又能放大交流信号。它对差模信号有很强的放大能力，对共模信号有很强的抑制能力。因此，运算放大器都使用差动放大器作为输入级。 2电流源电路是构成运放的基本单元电路，其特点是直流电阻小，而交流电阻很大。电流源电路既可以为电路提供偏置电流，又可以作为放大器的有源负载使用。 3集成运放是一个高增益、直耦的多级放大器。除了通用集成运放以外，还有大量特殊类型的运放。了解这些运放的特性，对于正确选择和使用运放有很大帮助。,本章小结,
