《模拟电路与数字电路 教学课件 ppt 作者 林捷 杨绪业 第3章 集成运算放大器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电路与数字电路 教学课件 ppt 作者 林捷 杨绪业 第3章 集成运算放大器（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 集成运算放大器,3.1概述,3.1.1集成运放电路的特点 3.1.2集成运放电路的组成框图,3.1.1集成运放电路的特点,前面介绍的电路都是由三极管、场效应管、电阻、电容等器件根据不同的连接方式组成的，这种电路称为分立电路。 随着电子技术的发展，目前的半导体器件制造工艺可实现将分立元件组成的完整电路制作在同一块硅片上而组成集成电路。,集成电路有双极型晶体管集成电路、单极型场效应管集成电路、模拟集成电路、数字集成电路等。 模拟集成电路主要有集成运放电路、集成功放电路、集成稳压电源电路等。 集成电路还有小规模、中规模、大规模和超大规模之分。 目前，超大规模的集成电路能在几十平方毫米的硅片上
2、集成几百万个元器件。 根据半导体制作工艺的特点，集成运放电路具有如下的特点。, 因为硅片上不可能制作大电容，所以集成运放的耦合方式均采用直接耦合，在需要大容量电容和高阻值电阻的场合，采用外接法。 因为集成电路内部相邻的元件具有良好的对称性，它们在受到各种因素影响时变化的趋势相同，为了消除这些变化的影响，在集成电路中大量采用差动放大器作用输入电路。, 因为在硅片上制作三极管比制作电阻还容易，所以在集成电路中大量采用恒流源电路作为放大器的偏置电路，在需要大电阻的场合也是采用外接法。 集成电路内部放大器所用的晶体管通常采用复合管结构来改善性能。,3.1.2集成运放电路的组成框图,集成运算放大器如图3
3、-1所示，其中图（a）为集成运放的简化原理框图，图（b）是其符号，图（c）是其外形图。 在图（c）中，左图为圆壳式集成电路，右图为双列直插式集成电路。 由图3-1（a）可见，集成运放电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成。,图3-1集成运算放大器,集成运放的输入级又称为前置级，它通常是由一个高性能的双端输入差动放大器组成。,（1） 输入级,（2） 中间级 （3） 输出级 （4） 偏置电路,3.2电流源电路,3.2.1基本电流源电路 *3.2.2以电流源为有源负载的放大器,3.2.1基本电流源电路,1. 镜像电流源电路,典型的镜像电流源电路如图3-2所示。 该电路的工作原理是：在电路
4、完全对称的情况下，电阻R上的电流R可作为电路的基准电流，根据节点电位法可得该电流的表达式为,图3-2镜像电流源,比例电流源电路如图3-3所示。,2. 比例电流源电路,图3-3比例电流源,*3.2.2以电流源为有源负载的放大器,Rc或Rd变大了，要保持三极管的静态工作点不变，电路的直流供电电压也必须提高，这将引起集成电路功耗的增加。 为了解决这一问题，在集成电路中，采用电流源为有源负载取代Rc或Rd。 利用电流源做有源负载，可实现在电源电压不变的情况下，使放大器既可获得合适的静态工作点电流。 对交流信号而言，又可得到很大的等效电阻rce或rds来替代Rc或Rd。 利用电流源为有源负载的差动放大电
5、路如图3-4所示。,图3-4利用电流源做有源负载的放大器,3.3集成运放原理电路和理想运放的参数,3.3.1集成运放原理电路分析 3.3.2集成运放的主要参数,3.3.1集成运放原理电路分析,根据前面的分析已知，集成运放内部电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。 图3-5所示为简化的集成运放电路原理图，图中虚线将其划分成四个组成部分。,图3-5简化的集成运放电路原理图,3.3.2集成运放的主要参数,正确使用集成运放的关键是了解集成运放参数的意义，集成运放的主要参数如下。,1. 输入失调电压VIO（输入补偿电压） 2. 输入失调电流IO（输入补偿电流） 3. 输入偏置电流IB 4.
6、开环差模电压放大倍数Aod 5. 最大输出电压Vopp（输出峰峰电压） 6. 最大共模输入电压VICmax 7. 共模抑制比CMR,3.4理想集成运放的参数和工作区,3.4.1理想运放的性能指标 3.4.2理想运放在不同工作区的特征,利用集成运放，引入各种不同的反馈，就可以构成具有不同功能的实用电路。 在分析各种实用电路时，通常都将集成运放的性能指标理想化。 性能指标理想化的运放称为理想运放，下面介绍理想运放的性能指标。,3.4.1理想运放的性能指标,3.4.2理想运放在不同工作区的特征,1. 理想运放在线性工作区的特点,工作在非线性工作区的运放，输出电压不是正向的最大电压VoM，就是负向的最
7、大电压-VoM。输出电压与输入电压之间的关系曲线vof（v）称为运放的电压传输特性曲线，如图3-6所示。,2. 理想运放工作在非线性区的特征,图3-6电压传输特性曲线,由图3-6可见，理想运放工作在非线性区的两个特点是： 输出电压vo只有两种可能的情况。当vp-vN 0时，输出vo为+VoM；当vp-vN 0时，输出vo为-VoM； 由于理想运放的差模输入电阻为无穷大，故净输入电流为零，即pN0。,对于理想运放，因Aod，当两个输入端之间有无穷小的输入电压时，运放的输出电压将为，超出了运放输出的线性范围，使运放工作在非线性区。为了使运放工作在线性区，必须想办法减少运放的Aod或Av的值。在电路
8、中引入负反馈，将的Aod变成有限值的Av，即可实现减少放大器Av的目的，使集成运放工作在线性区。 对于单个的集成运放，通过无源的反馈网络将集成运放的输出端与反相输入端相连，即可在电路引入负反馈，使运放工作在线性工作区，如图3-7所示。,3. 集成运放工作在线性区的电路特征,图3-7在运放电路中引入反馈,3.5基本运算电路,3.5.1比例运算电路 3.5.2加减运算电路 3.5.3积分和微分运算电路 3.5.4对数和指数（反对数）运算电路,集成运放的应用首先表现在它能构成各种运算电路，并因此而得名。 在运算电路中，以输入电压作为自变量，以输出电压作为函数；当输入电压变化时，输出电压将按一定的数学
9、规律变化，即输出电压反映了对输入电压某种运算的结果。 在运算电路中，无论是输入电压，还是输出电压，均是对“地”而言的。,3.5.1比例运算电路,1. 反相比例运算电路,（1） 电路的组成 反相比例运算电路的组成如图3-8所示。 图中，输入电压vi通过电阻R1加在运放的反相输入端。 Rf是沟通输出和输入的通道，是电路的反馈网络。,图3-8反相比例运算电路,由上面的分析可知，反相比例运算放大器是属于电压并联负反馈放大器，这里讨论的电压放大倍数是指电路的闭环源电压放大倍数，即Avsf。 今后为了叙述方便，将其简称为电压放大倍数，用符号Av来表示。,（2） 电压放大倍数,2. 同相比例运算电路,（1）
10、 电路的组成,同相比例运算电路的组成如图3-9所示。 由图3-9可见，输入电压vi通过电阻Rp加在运放的同相输入端。Rf是沟通输出和输入的通道，是电路的反馈网络。 因该网络的一个端子与输出端子接在一起，另一个端子没有与输入端子接在一起，根据反馈组态的判别方法，可得该电路的反馈组态是：电压串联负反馈。 电压反馈可稳定输出电压，该电路稳定输出电压的流程图如图3-10所示。,图3-9同相比例运算电路,图3-10稳定输出电压的流程图,（2） 电压放大倍数,式（3-21）说明输出电压和输入电压的大小成比例关系，且位相相同，这也是同相比例运算放大器名称的由来。 为了电路的对称性和平衡电阻的调试方便，同相比
11、例运算放大器通常还接成如图3-11所示的形式。,图3-11同相比例运算放大器,在图3-9所示电路中，若令Rf 0，则电路变成如图3-12（a）所示的形式，图3-12（b）所示为R1的特例。,3. 电压跟随器,图3-12电压跟随器,图3-13例3-1图,图3-14例3-2图,3.5.2加减运算电路,1. 反相求和电路,（1） 电路的组成 反相求和电路的组成如图3-15所示。 由图中可见，增加反相比例运算放大器的输入端，即构成反相求和电路。,图3-15反相求和电路,（2） 输出电压与输入电压的关系,2. 同相求和电路,（1） 电路的组成,同相求和电路的组成如图3-16所示。 由图中可见，增加同相比
12、例运算放大器的输入端，即可构成同相求和电路。,图3-16同相求和电路,根据叠加定理和分压公式可得,（2） 输出电压与输入电压的关系,由式（3-29）可见，图3-16所示电路的输出电压与输入电压的和成正比的关系，所以，图3-16所示的电路称为同相求和电路。,图3-16同相求和电路,3. 加减运算电路,（1） 电路的组成,加减运算电路的组成如图3-17所示。 由图中可见，将反相比例运算电路和同相比例运算电路组合起来，即可构成加减运算电路。,图3-17加减运算电路,（2） 输出电压与输入电压的关系,解运算电路的设计除了考虑输出和输入之间的函数关系外，还应考虑平衡电阻的设置，反相求和电路的平衡电阻较同
13、向求和电路更容易设置，所以在设计运算电路时，通常使用反相求和电路，且利用两级反相求和电路相串联的方法来实现加减的运算关系。 根据这一思路，所设计的电路如图3-18所示。,图3-18例3-3,3.5.3积分和微分运算电路,1. 积分运算电路,（1） 电路的组成 积分运算电路的组成如图3-19所示。 由图中可见，将反相比例运算电路中的反馈电阻Rf换成电容C即构成积分运算电路。,图3-19积分运算电路,（2） 输出电压与输入电压的关系,2. 微分运算电路,（1） 电路的组成,微分运算电路的组成如图3-20所示。 由图中可见，将反相比例运算电路中的输入电阻RI换成电容C，即构成微分运算电路。,图3-2
14、0微分运算电路,（2） 输出电压与输入电压的关系,图3-21对数运算电路,因二极管的动态范围较小，运算的精度不够高，实用的对数运算电路是用三极管替代二极管。 用三极管组成的对数运算电路如图3-22所示。,图3-22用三极管组成的对数电路,2. 指数（反对数）运算电路,（1） 电路的组成,指数（反对数）运算电路的组成如图3-23所示。 由图中可见，将反相比例运算电路中的输入电阻RI换成二极管VD，即构成指数（反对数）运算电路。,图3-23指数运算电路,（2） 输出电压与输入电压的关系,图3-24用三极管组成的指数运算电路,本章介绍了各种运算电路，组成运算电路的核心器件是集成运算放大器，集成运算放
15、大器有两个输入端和一个输出端。 信号从反相输入端输入的，输出信号与输入信号反相；信号从同相输入端输入的，输出信号与输入信号同相。,本 章 小 结,满足理想化条件的集成运放应具有无限大的差模输入电阻、趋于零的输出电阻、无限大的差模电压增益和共模抑制比、无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移。 虽然实际集成运放不可能具有上述理想特性，但是在低频工作时，它的特性是接近理想的。,分析的方法与第1章和第2章所介绍的方法相同。 利用上述的关系和第1章所介绍的方法，可讨论各种运算放大器输出电压和输入电压的关系。 主要的运算放大器有：反相比例运算放大器、同相比例运算放大器、电压跟随器、反相加法器、同相加法器、加减电路、积分电路、微分电路、对数电路、指数（反对数）电路等。,利用上述的关系式和第2章所介绍的分析方法，可以讨论各种有源滤波器的频响特性曲线，求出有源滤波器的通带截止频率，画出有源滤波器的波特图。,
