【正文】 1 電工電子技術(shù) 第 6章 集成運(yùn)算放大器 2 主要內(nèi)容 集成運(yùn)放的概念： 實(shí)際運(yùn)放 組成、主要參數(shù)、電壓傳輸特性 理想運(yùn)放， 運(yùn)放理想化的條件 、 主要參數(shù)、電壓傳輸特性 集成運(yùn)算放大電路中的反饋 ， 反饋類型的判斷（判斷準(zhǔn)則） 運(yùn)算放大器使用中應(yīng)注意的問(wèn)題 運(yùn)放的應(yīng)用： 線性應(yīng)用； 非線性應(yīng)用。 是 模擬集成電路 的最主要的代表器件。早期在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)某些數(shù)學(xué)運(yùn)算，故名集成運(yùn)算放大器。 是一種電壓放大倍數(shù)很高的直接耦合的多級(jí)放大電路。 應(yīng)用 ：計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、信號(hào)測(cè)量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。 特點(diǎn) ：開環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高、輸出電阻低、溫漂小、可靠性高、體積小 …。 3 集成電路的分類： 小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 集成電路簡(jiǎn)介 分立電路與集成電路 集成電路的優(yōu)點(diǎn)： 工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。 集成電路 : 將整個(gè)電路的各個(gè)元件及導(dǎo)線做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。 封裝上外殼，向外引出若干個(gè)引腳，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定功能的電路。 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 1. 電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。 2. 電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到 20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。 3. 幾十 pF 以下的小電容用 PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。難于制作電感。所以各級(jí)放大電路之間的連接多采用直接耦合方式。 4. 集成電路中晶體管制作容易。二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成（基極和集電極短接）。 4 模擬集成電路和數(shù)字集成電路 模擬電路 analogue circuit：是處理 模擬信號(hào) 的電路。主要研究輸入和輸出信號(hào)之間的大小和相位等方面的關(guān)系。如：基本放大電路 數(shù)字電路 digital circuit：是處理 數(shù)字信號(hào) 的電路。主要研究輸入和輸出信號(hào)之間的邏輯關(guān)系。 如：邏輯門電路 模擬信號(hào) analog signals ：隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。 數(shù)字信號(hào) digital signals ：時(shí)間上不連續(xù)的、離散的脈沖信號(hào)，是可以用二進(jìn)制數(shù) 0和 1表示的信號(hào)。 模擬集成電路 analogue IC 運(yùn)放 數(shù)字集成電路 digital IC 組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路 5 _UEE +UCC u+ uo u– 反相 輸入端 同相 輸入端 T3 T4 T5 T1 T2 IS 輸入級(jí) 中間級(jí) 輸出級(jí) 與 uo反相 與 uo同相 輸入端 輸入級(jí) 中間級(jí) 輸出級(jí) 輸出端 偏置電路 輸入級(jí)： 盡量減小零點(diǎn)漂移抑制干擾信號(hào) ,盡量提高 KCMRR ,輸入阻抗 ri 盡可能大。都采用差分放大電路。 中間級(jí)： 進(jìn)行電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)高。一般采用共射極放大電路。 輸出級(jí)： 主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流 和電壓 。即輸出阻抗 ro小。一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成 偏置電路 ： 為各級(jí)電路建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由各種恒流源電路構(gòu)成 例圖 運(yùn)算放大器的組成 采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用差動(dòng)放大器。 極 性 判 斷 6 IC =IC1+ IC2 = ?1 IB + ?2(1+ ?1 ) IB = [?1 + ?2(1+ ?1 ) ]IB 輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。 為減小 IB， 提高輸入電阻， T T2采用復(fù)合三極管。 ? = IC / IB = ?1 + ?2(1+ ?1 ) ? ?1 ?2 IC1 IC2 IB2 R2 T3 R1 R3 UEE +UCC ui2 uo E RC T1 RC T2 ui1 T4 ＋ － － ＋ ＋ － IC IB IE ?1 ?2 ? 7 UEE +UCC E RC T1 RC T2 T5 T6 RC3 RE2 RC4 RE3 T7 T9 T8 RE4 RE5 T11 T10 RL 第 4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱射極跟隨器 差動(dòng)放大器 第 2級(jí) 第 1級(jí)： 差動(dòng)放大器 第 3級(jí)： 單管放大器 – + 集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例） 極 性 判 斷 8 重點(diǎn)掌握運(yùn)放的什么知識(shí)？ ? 符號(hào)（實(shí)際運(yùn)放、理想運(yùn)放） ? 性能指標(biāo)（實(shí)際運(yùn)放、理想運(yùn)放） ? 輸入方式 ? 傳輸特性（實(shí)際運(yùn)放、理想運(yùn)放） ? 電路分析中，對(duì)工作在線性區(qū)的運(yùn)放，理想化處理后，有些什么特點(diǎn)？ 例圖 1： P10 105 圖 圖 9 主要參數(shù) P146 理想運(yùn)算放大器 一、開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo ：無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在 105 ? 107之間。理想運(yùn)放的 Aod為 ?。 二、共模抑制比 KCMMR ：常用分貝作單位，一般 100dB以上。 ri 大 : 幾十 k? ? 幾百 k? 實(shí)際運(yùn)放： KCMRR 很大 ro 小：幾十 ? 幾百 ? A u o 很 大 : 104 ? 107 理想運(yùn)放： ri ? ? KCMRR ? ? ro ? 0 Auo ? ? * 運(yùn)放符號(hào)： － ＋ ＋ u－ u+ uo ? Ao 實(shí)際運(yùn)放的符號(hào) 理想運(yùn)放的符號(hào) _ + ? + ? u+ u u0 * ＋ － u－ u+ uo 國(guó)際符號(hào) 國(guó)內(nèi)符號(hào) 10 運(yùn)放的三種基本信號(hào)輸入方式 － ＋ ＋ u－ u+ uo ? Ao 反相輸入端 同相輸入 差分輸入 三種基本信號(hào)輸入方式 反相輸入 同相輸入端 輸出端 + － ud 輸入電壓 輸出電壓 CoOM EuU ?? m a xud uo +UOM UOM ? 線性放大區(qū) 例：若 UOM=12V， Ao=106， 則|ui|12?V時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。 Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須 在 輸出與輸入之間 加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。 運(yùn)放是直流放大器， 也可放大低頻信號(hào)，不適用于高頻信號(hào)。 飽和區(qū) 飽和區(qū) 11 由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的 理想運(yùn)放 。 理想運(yùn)放的條件 ??oA??ir0?or)uu(Au oo ?? ??虛短路 ?? ? uu0?iI放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。 虛開路 運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 關(guān)鍵 電路分析時(shí)，理想運(yùn)放的處理方法 12 運(yùn)算放大電路中的負(fù)反饋 目的： 改善放大電路的工作性能 構(gòu)成： 反饋電路 難點(diǎn) 凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)迭加，就稱為 反饋 。 若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為 負(fù)反饋 。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為 正反饋 。 這里所說(shuō)的信號(hào)一般是指交流信號(hào)，所以判斷正負(fù)反饋，就要判斷反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)系，同相是 正反饋 positive feedback ，反相是 負(fù)反饋 negative feedback 。 13 放大器 輸出 輸入 取 + 加強(qiáng)輸入信號(hào) 正反饋 用于振蕩器 取 削弱輸入信號(hào) 負(fù)反饋 用于放大器 開環(huán) 閉環(huán) 負(fù)反饋的作用： 穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶。 反饋網(wǎng)絡(luò) 177。 疊加 反饋信號(hào) 實(shí)際被放大信號(hào) 反饋框圖 14 反饋電路的三個(gè)環(huán)節(jié)： 放大： doo XXA???反饋： ofXXF???疊加： fid XXX ??? ??輸出信號(hào) 輸入信號(hào) 反饋信號(hào) 差值信號(hào)或凈輸入信號(hào) 負(fù)反饋框圖 dOO XXA???開環(huán)放大倍數(shù) iOF XXA???閉環(huán)放 大倍數(shù) OfXXF???反饋 系數(shù) FAAXXXAOOfdOF ???? 1???當(dāng) Ao很大時(shí) ,?AoF?187。1, 基本放大 電路 Ao dX? oX?反饋回路 F fX?? iX?+ – FAF1?結(jié)論 :當(dāng) Ao很大時(shí) ,負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無(wú)關(guān) ,只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。 深度負(fù)反饋 15 交流反饋： 反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用。 直流反饋： 反饋只對(duì)直流起作用。 若在反饋網(wǎng)絡(luò)中 串接隔直電容 ，則可以隔斷直流，此時(shí)反饋只對(duì)交流起作用。 在起反饋?zhàn)饔玫碾娮鑳啥?并聯(lián)旁路電容 ，可以使其只對(duì)直流起作用。 有的反饋只對(duì)交流信號(hào)起作用；有的反饋只對(duì)直流信號(hào)起作用；有的反饋對(duì)交、直流信號(hào)均起作用 。 負(fù)反饋 交流反饋 直流反饋 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋 電流并聯(lián)負(fù)反饋 作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) negative feedback的類型 作用： 穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶 16 一、電壓反饋和電流反饋 電壓反饋 voltage feedback： 反饋信號(hào)取自輸出電壓信號(hào)。 電流反饋 current feedback： 反饋信號(hào)取自輸出電流信號(hào)。 電壓負(fù)反饋 ： 可以穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻。 電流負(fù)反饋 ： 可以穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻。 根據(jù)反饋所采樣的信號(hào)不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。 根據(jù)反饋信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。 串聯(lián)反饋 series feedback ： 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，即反饋電壓信號(hào)與輸入信號(hào)電壓比較。 并聯(lián)反饋 parallel feedback ： 反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，即反饋信號(hào)電流與輸入信號(hào)電流比較。 串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大；并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。 二、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋 17 輸出量、輸入量、凈輸入量、反饋量的量綱各不相同。 oAF FoAoAF FoA電壓 /電流反饋串聯(lián) /并聯(lián)反饋 四種反饋組態(tài) 串聯(lián)反饋（以電壓信號(hào)形式進(jìn)行比較） 并聯(lián)反饋（以電流信號(hào)形式進(jìn)行比較） 電壓反饋 電壓反饋 電流反饋 電流反饋 18 ？ 找出反饋網(wǎng)絡(luò)（電路）。 /直流反饋？ 如果反饋電路僅反映放大電路中的直流分量變化，則為 直流反饋 。反之，為 交流反饋 。如果二者都具備，為 交直流反饋 。 2. 串聯(lián) /并聯(lián)反饋？ 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端（同相和反相）上的， 是串聯(lián)反饋（以電壓信號(hào)形式進(jìn)行比較） ；加在同一個(gè)輸入端（同相或反相）上的， 是并聯(lián)反饋（以電流信號(hào)形式進(jìn)行比較） ； 3. 電壓 /電流反饋？ 從輸出端直取回的反饋， 是電壓反饋； 從輸出負(fù)載串聯(lián)的電阻上取回的反饋， 是電流反饋； 4. 正 /負(fù)反饋？ 反饋使得凈輸入信號(hào)減小，為 負(fù)反饋 ，反之，為 正反饋 。 瞬時(shí)極性法 反饋類型的判別方法和步驟 是否負(fù)反饋？ 19 1. 有反饋和無(wú)反饋的判斷：“找聯(lián)系”。 觀察是否有 反饋電路 將放大電路的輸出回路和輸入回路聯(lián)系在一起。 ui uo _ + ? + Ao ui uo _ + ? + Ao ui uo _ + ? + Ao 反饋類型的判斷分析 2. 正反饋和負(fù)反饋 Fid uuu ??反饋量是僅僅決定于輸出量的物理量。 反饋極性通常采用“瞬時(shí)極性法”判斷。 瞬時(shí)極性法： 給定 的瞬時(shí)極性 判斷 的極性 判斷 的極性 判斷 上升還是下降 下降，負(fù)反饋； 上升，正反饋 。iX。OX。fX。dX? Ao + + － － ui uo du+ － F ＋ － ????Fu20