【正文】 1 電工電子技術(shù) 第 6章 集成運算放大器 2 主要內(nèi)容 集成運放的概念： 實際運放 組成、主要參數(shù)、電壓傳輸特性 理想運放， 運放理想化的條件 、 主要參數(shù)、電壓傳輸特性 集成運算放大電路中的反饋 ， 反饋類型的判斷（判斷準則） 運算放大器使用中應(yīng)注意的問題 運放的應(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。早期在計算機中實現(xiàn)某些數(shù)學(xué)運算，故名集成運算放大器。 是一種電壓放大倍數(shù)很高的直接耦合的多級放大電路。 應(yīng)用 ：計算機、信號處理、信號測量、自動控制等領(lǐng)域。 特點 ：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； 集成電路簡介 分立電路與集成電路 集成電路的優(yōu)點： 工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。 集成電路 : 將整個電路的各個元件及導(dǎo)線做在同一個半導(dǎo)體基片上。 封裝上外殼，向外引出若干個引腳，構(gòu)成一個完整的、具有一定功能的電路。 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點 1. 電路元件制作在一個芯片上，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 的電路。主要研究輸入和輸出信號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 的電路。主要研究輸入和輸出信號之間的邏輯關(guān)系。 如：邏輯門電路 模擬信號 analog signals ：隨時間連續(xù)變化的信號。 數(shù)字信號 digital signals ：時間上不連續(xù)的、離散的脈沖信號，是可以用二進制數(shù) 0和 1表示的信號。 模擬集成電路 analogue IC 運放 數(shù)字集成電路 digital IC 組合邏輯電路、時序邏輯電路 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 中間級 輸出級 與 uo反相 與 uo同相 輸入端 輸入級 中間級 輸出級 輸出端 偏置電路 輸入級： 盡量減小零點漂移抑制干擾信號 ,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： 進行電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)高。一般采用共射極放大電路。 輸出級： 主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流 和電壓 。即輸出阻抗 ro小。一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成 偏置電路 ： 為各級電路建立合適的靜態(tài)工作點，一般由各種恒流源電路構(gòu)成 例圖 運算放大器的組成 采用四級以上的多級放大器，輸入級和第二級一般采用差動放大器。 極 性 判 斷 6 IC =IC1+ IC2 = ?1 IB + ?2(1+ ?1 ) IB = [?1 + ?2(1+ ?1 ) ]IB 輸入級常采用復(fù)合三極管或場效應(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：互補對稱射極跟隨器 差動放大器 第 2級 第 1級： 差動放大器 第 3級： 單管放大器 – + 集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例） 極 性 判 斷 8 重點掌握運放的什么知識？ ? 符號（實際運放、理想運放） ? 性能指標（實際運放、理想運放） ? 輸入方式 ? 傳輸特性（實際運放、理想運放） ? 電路分析中，對工作在線性區(qū)的運放，理想化處理后，有些什么特點？ 例圖 1： P10 105 圖 圖 9 主要參數(shù) P146 理想運算放大器 一、開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo ：無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在 105 ? 107之間。理想運放的 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? 實際運放： KCMRR 很大 ro 小：幾十 ? 幾百 ? A u o 很 大 : 104 ? 107 理想運放： ri ? ? KCMRR ? ? ro ? 0 Auo ? ? * 運放符號： － ＋ ＋ u－ u+ uo ? Ao 實際運放的符號 理想運放的符號 _ + ? + ? u+ u u0 * ＋ － u－ u+ uo 國際符號 國內(nèi)符號 10 運放的三種基本信號輸入方式 － ＋ ＋ 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，運放處于線性區(qū)。 Ao越大，運放的線性范圍越小，必須 在 輸出與輸入之間 加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。 運放是直流放大器， 也可放大低頻信號，不適用于高頻信號。 飽和區(qū) 飽和區(qū) 11 由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的 理想運放 。 理想運放的條件 ??oA??ir0?or)uu(Au oo ?? ??虛短路 ?? ? uu0?iI放大倍數(shù)與負載無關(guān)。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。 虛開路 運放工作在線性區(qū)的特點 關(guān)鍵 電路分析時，理想運放的處理方法 12 運算放大電路中的負反饋 目的： 改善放大電路的工作性能 構(gòu)成： 反饋電路 難點 凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號迭加，就稱為 反饋 。 若引回的信號削弱了輸入信號，就稱為 負反饋 。若引回的信號增強了輸入信號，就稱為 正反饋 。 這里所說的信號一般是指交流信號，所以判斷正負反饋，就要判斷反饋信號與輸入信號的相位關(guān)系，同相是 正反饋 positive feedback ，反相是 負反饋 negative feedback 。 13 放大器 輸出 輸入 取 + 加強輸入信號 正反饋 用于振蕩器 取 削弱輸入信號 負反饋 用于放大器 開環(huán) 閉環(huán) 負反饋的作用： 穩(wěn)定靜態(tài)工作點；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴展通頻帶。 反饋網(wǎng)絡(luò) 177。 疊加 反饋信號 實際被放大信號 反饋框圖 14 反饋電路的三個環(huán)節(jié)： 放大： doo XXA???反饋： ofXXF???疊加： fid XXX ??? ??輸出信號 輸入信號 反饋信號 差值信號或凈輸入信號 負反饋框圖 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 ,?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 ,負反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無關(guān) ,只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。 深度負反饋 15 交流反饋： 反饋只對交流信號起作用。 直流反饋： 反饋只對直流起作用。 若在反饋網(wǎng)絡(luò)中 串接隔直電容 ，則可以隔斷直流，此時反饋只對交流起作用。 在起反饋作用的電阻兩端 并聯(lián)旁路電容 ，可以使其只對直流起作用。 有的反饋只對交流信號起作用；有的反饋只對直流信號起作用；有的反饋對交、直流信號均起作用 。 負反饋 交流反饋 直流反饋 電壓串聯(lián)負反饋 電壓并聯(lián)負反饋 電流串聯(lián)負反饋 電流并聯(lián)負反饋 作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點 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： 反饋信號取自輸出電壓信號。 電流反饋 current feedback： 反饋信號取自輸出電流信號。 電壓負反饋 ： 可以穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻。 電流負反饋 ： 可以穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻。 根據(jù)反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。 根據(jù)反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。 串聯(lián)反饋 series feedback ： 反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋電壓信號與輸入信號電壓比較。 并聯(lián)反饋 parallel feedback ： 反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號電流與輸入信號電流比較。 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（以電壓信號形式進行比較） 并聯(lián)反饋（以電流信號形式進行比較） 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？ 輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端（同相和反相）上的， 是串聯(lián)反饋（以電壓信號形式進行比較） ；加在同一個輸入端（同相或反相）上的， 是并聯(lián)反饋（以電流信號形式進行比較） ； 3. 電壓 /電流反饋？ 從輸出端直取回的反饋， 是電壓反饋； 從輸出負載串聯(lián)的電阻上取回的反饋， 是電流反饋； 4. 正 /負反饋？ 反饋使得凈輸入信號減小，為 負反饋 ，反之，為 正反饋 。 瞬時極性法 反饋類型的判別方法和步驟 是否負反饋？ 19 1. 有反饋和無反饋的判斷：“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“瞬時極性法”判斷。 瞬時極性法： 給定 的瞬時極性 判斷 的極性 判斷 的極性 判斷 上升還是下降 下降，負反饋； 上升，正反饋 。iX。OX。fX。dX? Ao + + － － ui uo du+ － F ＋ － ????Fu20