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1、CHAP.5 Integrated Operational Amplifier and ApplicationsCHECKPOINT集成运算放大器的组成、特点集成运算放大器的组成、特点。分析差分放大器的性能。分析差分放大器的性能。分析分析OCL(OTL)OCL(OTL)功率放大电路的输出功率和效率。功率放大电路的输出功率和效率。集成运算放大器在线性和非线性应用时的基本概集成运算放大器在线性和非线性应用时的基本概念和分析依据念和分析依据。集成运算放大器的基本应用电路。集成运算放大器的基本应用电路。用集成运算放大器构成滤波电路。用集成运算放大器构成滤波电路。Integrated Operation
2、al Amplifier高增益的直流放大器高增益的直流放大器差分放大器差分放大器多级放大器多级放大器输出级输入级中间级输输入入端端输输出出端端5.1 Basic Circuit Structure偏置电路中间级要求：较高的电压放大倍数，通常采用有源中间级要求：较高的电压放大倍数，通常采用有源 负载的共发射极放大电路。负载的共发射极放大电路。输出级输出级要求：输出电阻小，输出足够的功率，通常要求：输出电阻小，输出足够的功率，通常 采用互补对称推挽功率放大电路。采用互补对称推挽功率放大电路。偏置电路要求：偏置电路要求：偏置电路要求：偏置电路要求：为上述各级电路提供稳定、合适的为上述各级电路提供稳定
3、、合适的为上述各级电路提供稳定、合适的为上述各级电路提供稳定、合适的 静态工作电流点，一般由各种恒流静态工作电流点，一般由各种恒流静态工作电流点，一般由各种恒流静态工作电流点，一般由各种恒流 源电路构成。源电路构成。源电路构成。源电路构成。输入级要求：零点漂移小、输入电阻高，通常采输入级要求：零点漂移小、输入电阻高，通常采 用差分放大电路。用差分放大电路。-+u-u+uo Circuit Symbol1.Current Source Circuit 5.1.1 Image Current Source作用作用提供稳定的直流偏置。提供稳定的直流偏置。作为有源负载，用于提高放大器的增益。作为有源负
4、载，用于提高放大器的增益。Rr由两个性能上完全配对的晶由两个性能上完全配对的晶体管和一个电阻体管和一个电阻RrRr组成组成2.Image Current SourceR2R1R2R1R3R4 .Input Stage Differential AmplifiersUoUo2R2Re eU UO2O2T T2 2RcRcU Ui2i2-U-UEEEE2R2Re eRcRc+Ucc+UccU Ui1i1T T1 1U UO1O1U Ui i双端双端双端双端输输入入入入单单端端端端输输入入入入双端双端双端双端输输出出出出单单端端端端输输出出出出Ui=0时，时，Uo=0。Ui1=-=-Ui2=Ui/2
5、 2；放大差模信号。放大差模信号。Ui1=Ui2=Uic；抑制共模信号。抑制共模信号。特点特点RW-U-UEEEE2Re2ReRcRc+Ucc+UccU Ui1i1T T1 1U UO1O1UoUo2R2Re eU UO2O2T T2 2RcRcU Ui2i2U Ui ia.a.DC Analysis加加RbRbRbb.AC Analysis1.Differential-Mode SignalRcUid1T1UOd1RcUid2T2UOd2UOdUid差模信号差模信号 幅度相等、相位相反的一对输入信号幅度相等、相位相反的一对输入信号即即 U Uid1id1=-U=-Uid2id2 ，U Uid
6、id=U=Uid1id1-U-Uid2id2=2U=2Uid1id1=-2U=-2Uid2id2 RcRcU Uid1id1T T1 1U UOd1Od1RcRcU Uid2id2T T2 2U UOd2Od2U UOdOdU Uidid加加 R RL LR RL L双端输出时双端输出时,R,RL L的中点电位为差模地端的中点电位为差模地端,每管负载为每管负载为 R RL L/2/2RcRcU Uid1id1T T1 1U UOd1Od1RcRcU Uid2id2T T2 2U UOd2Od2U UOdOdU UididR RL L加加 R Rb bRbRb加加 R RW W1/2RW1/2R
7、WConclusion1.双端输入时，双端输出的差模电压增益 与单管放大电路相同，是单端输出时的 两倍。2.双端输入时，二个单端输出的电压信号 的相位相反。2.Common-Mode Signal共模信号共模信号 幅度相等、相位相同的一对输入信号幅度相等、相位相同的一对输入信号即即 U UiC1iC1=U=UiC2iC2 ，U UiCiC=U=UiC1iC1=U=Uid2id2RcRcU UiC1iC1T T1 1U UOC1OC1RcRcT T2 2U UOC2OC2U UiC2iC2U UiCiC2R2Re e2R2Re eU UOCOC3.Common-Mode Rejection Ra
8、tion KCMRK KCMR CMR 是衡量差分放大器对差模信号的放大能力和对是衡量差分放大器对差模信号的放大能力和对 共模信号的抑制能力。其定义为差模放大倍数共模信号的抑制能力。其定义为差模放大倍数 与共模放大倍数之比的绝对值与共模放大倍数之比的绝对值。K KCMR CMR 越大，越大，差分放大器分辨差模信号的能力越强，受共模信号的影响就越小。共模信号的影响就越小。双端输出时双端输出时:Auc=0:Auc=0，K KCMRCMR(一般在一般在8080120dB)120dB)。单端输出时：单端输出时：用dB表示 用恒流源代替Re，它具有小的直流电阻、大的小的直流电阻、大的交流电阻，可大大提高
9、共模抑制比。交流电阻，可大大提高共模抑制比。RCRCR1R2R3等效等效ReRe4.Arbitrary Signal 对任意数值的输入信号对任意数值的输入信号可看成是由一对差模信可看成是由一对差模信可看成是由一对差模信可看成是由一对差模信号和一对共模信号组成。号和一对共模信号组成。号和一对共模信号组成。号和一对共模信号组成。设任意信号为设任意信号为U Ui1i1，U Ui2i2分析四种形式差分放大器Example 1 双端输入双端输入双端输入双端输入双端输出差分放大器中，已双端输出差分放大器中，已双端输出差分放大器中，已双端输出差分放大器中，已知：知：知：知：U U U UCCCCCCCC=1
10、2V=12V=12V=12V，U U U UEEEEEEEE=12V=12V=12V=12V，R R R Rb b b b=20K=20K=20K=20K，Rc=10K Rc=10K Rc=10K Rc=10K，=50=50=50=50，Re=10KRe=10KRe=10KRe=10K，R R R RW W W W=100=100=100=100，R R R RL L L L=20K=20K=20K=20K。试求电路静。试求电路静。试求电路静。试求电路静态工作点态工作点态工作点态工作点I I I ICQ1CQ1CQ1CQ1、U U U UCQ1CQ1CQ1CQ1，和双端输出的差模增益，和双端输
11、出的差模增益，和双端输出的差模增益，和双端输出的差模增益A A A Audududud。EWB上的仿真结果Example 2 上例中设上例中设上例中设上例中设R R R RL L L L=10K=10K=10K=10K，并改为单端输入、，并改为单端输入、，并改为单端输入、，并改为单端输入、单端输出，其它条件不变。试求电路的静态工作点单端输出，其它条件不变。试求电路的静态工作点单端输出，其它条件不变。试求电路的静态工作点单端输出，其它条件不变。试求电路的静态工作点I I I ICQ1CQ1CQ1CQ1和单端输出的差模增益和单端输出的差模增益和单端输出的差模增益和单端输出的差模增益A A A Au
12、d1ud1ud1ud1。ReTO1RWTRbRL-U2EEURb1Rc+UccRcUi有源负载电路：有源负载电路：以有源器件的动态电阻作为大 的负载电阻的电路。三三.Middle Stage Active LoadV2、V3构成镜象恒流源电路，作为V1管的集电极负载。T3T3、T4T4组成的组成的恒流源电路作恒流源电路作为为T1T1、T2T2组成组成的差动放大器的差动放大器的集电极电阻，的集电极电阻，并具有双端变并具有双端变单端的作用。单端的作用。四四.Output Stage要求：在保要求：在保证功率管安全工作条件下，高功率管安全工作条件下，高 效率地效率地输出尽可能大、失真在允出尽可能大、
13、失真在允许 范范围的功率。的功率。FrequencyLF Power AMPLF Power AMPHF Power AMPHF Power AMPDeviceVacuum tubeVacuum tubeTransistorTransistorIC IC Operating State Class AClass AClass BClass BClass CClass CSwitch StateSwitch StateTransformerTransformerComplementaryComplementaryOCL OTL BTLTransistorTransistorClass BClas
14、s BLF Power AMPLF Power AMPComplementaryComplementaryPower Amplifier Operating State of AmplifierIB1 0 uCE1iC1IB2IB4IB30AC Load lineQ1Q1 Class AQ2Q2 Class BQ3Q3 Class ABQ4Q4 Class C一一.Basic Circuit Push-Pull Complementary Power AMPO C L CC Circuit假设UBE(on)=0O T LUUUU二二.Properties 单电源供电单电源供电计算公式中计算公式
15、中U Ucccc用用U Ucccc/2/2代入代入UCCQ-UCCQAC load LineAC load LineIcmIcm0 T/20 T/2UomUomT1导通T/2 TT/2 TT2导通IB1IB1 0 uCE1iC10 iC2uCE2IB2IB4IB3IB5IB2IB4IB3IB5T1截止T2截止 DISCUSSIONPO PDC PCPomaxomax0.6360.6361 1omax每管每管Example：在双在双电源供源供电的的OCLOCL电路中，已知路中，已知U UCCCC=20V=20V，R RL L=8=8。试求求(1)(1)输出信号出信号U Uomom=10V=10V
16、时的的P PO O、P PDCDC、。(2)U(2)UCESCES=1V=1V时的的P PO O、P PDCDC、。(3)(3)电路最大路最大的的P PO O、P PDCDC、。(1)=0.5 P(1)=0.5 PDCDC =39.25%=39.25%Po=25W Po=25W(3)=1 P(3)=1 PDCDC =78.5%=78.5%(2)=0.95 P(2)=0.95 PDCDC =74.58%=74.58%三三.Safe operating of Power Transistor安安全全工工作作Example：3DD3D3DD3D的参数为：的参数为：P PCMCM=1W=1W，U UC
17、EOCEO=30V=30V，I ICMCM，用它组成乙类推挽功放电路，计算可输出的最大功率。用它组成乙类推挽功放电路，计算可输出的最大功率。最大可输出功率最大可输出功率四四.Main Parameters集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 1.1.电流放大系数电流放大系数：2.2.极间反向电流：极间反向电流：ICM UCEOPCM4.4.频率参数：频率参数：f1 10 03.3.极限参数：极限参数：反向击穿电压反向击穿电压UCEO UCBO 集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCM时时五五.Practical Circuits管子配对管子配对充分激励充分激励过载保护过载保护交叉失真交
18、叉失真解解决决加偏置采用复合管交流负载大于直流负载二极管保护Crossover Distortion+UiUi-+UoUo-信号幅度一致信号幅度一致R并电容并电容恒流源代恒流源代R3温度稳定性温度稳定性R R恒压偏置恒压偏置二极管代二极管代R加负反馈加负反馈恒压偏置+UiUi-+UoUo-R1负反馈Enough Excitation自举电路Protection CircuitsPractical CircuitR RW2W2=22=22R RW2W2=132=1320u+-u uo-UOMUOM 5.2 Basic Circuit of OP-AMP 5.2.1.Basic Character
19、s of OP-AMPuo=Aud(u+-u-)I I+运放电压传输特性理想特性A Audud=r ri id d=r ro o=0=0 K KCMRCMR=Ideal OP AMPAnalysis of Ideal OP AMP 非线性工作区非线性工作区正饱和电压正饱和电压负饱和电压负饱和电压状态反转状态反转线性工作区线性工作区(深度负反馈深度负反馈)I I+uo=Aud(u+-u-)虚短虚短虚断虚断5.2.2.5.2.2.三种基本运算三种基本运算电路路一一、Inverting AmplifierFEATURESn 信号信号加在反相加在反相输入端输入端n 反馈网络接在反相输入端反馈网络接在反
20、相输入端 n 虚地虚地=R1/RF二二.Non-inverting AmplifierFEATURESn 信号信号加在加在同相输入端同相输入端n 反馈网络接在反相输入端反馈网络接在反相输入端n 共模输入共模输入ui1uo +-R3R2RFi1R1减法电路ifui2三、差分比例运算电路三、差分比例运算电路 当两个输入端都有信号当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可输入时，即为差动输入，可进行减法运算进行减法运算 由于电路存在共模电压，为了由于电路存在共模电压，为了保证运算精度，应当选用共模抑制保证运算精度，应当选用共模抑制比较高的运算放大器。比较高的运算放大器。Example 1 由理想运
21、算放大器组成的电路中，当由理想运算放大器组成的电路中，当输入信号输入信号ui=4Sint(V)时，画出输出信号时，画出输出信号u uo o的瞬态的瞬态波形。波形。6t tu uo(V)o(V)Example 2 由理想运算放大器组成的电路中，已知由理想运算放大器组成的电路中，已知ui1=-2V，ui2=5V，ui3=5V，ui4=-10V，计算，计算u uo o。5.3 APPLIED Circuits of OP-AMP加法运算加法运算 i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路 在反相端输入若干路信在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路号，构
22、成反相加法运算电路 由此得当当时，时，再若再若，则，则5.3.2 5.3.2 积分和微分运算电路积分和微分运算电路 ui1uo +-R2CFi1R1积分电路ifuc当输入信号为阶跃电压时，当输入信号为阶跃电压时，uiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot1 1 积分运算电路积分运算电路 例例:画画出出在在给给定定输输入入波波形形作作用用下下积积分分器器的的输输出波形。出波形。(a)阶跃输入信号阶跃输入信号(b)方波输入信号方波输入信号 积分器的输入和输出波形图积分器的输入和输出波形图2.2.微分运算微分运算 ui1uo +-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，微分运算
23、是积分的逆运算，当输入信号为阶跃电压当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较分电路稳定性不高，用得较少。少。(波形如右图)uiUuooottuoui1 +-R2C1icPD调节器iRRF 右图是在控制系统中使右图是在控制系统中使调节过程加速的比例调节过程加速的比例微分微分调节器（调节器（PDPD调节器）。调节器）。5.3.3 5.3.3 电压电压-电流变换器电流变换器电压电压-电流变换器电流变换器电压电压-电流变换器图电流变换器图由图可知由图可知所以输出电流与输入电压成比例所以输出电流与输入电压成比例。电电压压-电电流流和和电电流流-电电压压
24、变变换换器器广广泛泛应应用用于于放放大大电电路路和和传传感感器器的的连连接接处处，是是很很有有用的电子电路。用的电子电路。电流电流-电压变换器电压变换器由图可知：由图可知：可可见见输输出出电电压压与与输输入入电电流流成成比比例例，输输出出端端的的负负载电流：载电流：若若 R RL L 固固定定，则则输输出出电电流流与与输输入入电电流流成成比比例例，此此时时该电路也可视为电流放大电路。该电路也可视为电流放大电路。电流电流-电压变换电路图电压变换电路图5.3.4 5.3.4 交流放大电路交流放大电路（a a）反相输入交流放大电路）反相输入交流放大电路 （b b）同相输入交流放大电路。）同相输入交流
25、放大电路。5.3.5 5.3.5 精密整流流电路精密整流流电路半波精密整流电路 输入、输出波形 传输特性 5.3.6 5.3.6 有源滤波器有源滤波器滤波电路的基础知识滤波电路的基础知识作用：选频。作用：选频。一、滤波电路的种类：一、滤波电路的种类：低通滤波器低通滤波器LPF高通滤波器高通滤波器HPF带通滤波器带通滤波器BPF带阻滤波器带阻滤波器BEF 有源滤波器的频响有源滤波器的频响 滤波器也可以滤波器也可以由无源的电抗性元由无源的电抗性元件或晶体构成，称件或晶体构成，称为无源滤波器或晶为无源滤波器或晶体滤波器。体滤波器。滤波器的用途 滤滤波波器器主主要要用用来来滤滤除除信信号号中中无无用用
26、的的频频率率成成分分，例例如如，有有一一个个较较低低频频率率的的信信号号，其其中中包包含含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。滤波过程滤波过程uiuo +-RC有源低通滤波器ucRFR1如图为有源低通滤波器。有源低通滤波器。o幅频特性(b)Magnitude Versus-Frequency Au()Aum21Aum0o(a)Circuit R +RFR1 Cuoui1.一阶低通滤波器一阶低通滤波器 高通滤波器和低通滤波器一样，有一阶和高阶滤波器。将低通滤波器中的电阻R和电容C对调即成为高通滤波器。二阶低通有源滤波器R +RFR1CuouiRC 一
27、阶有源低通滤波器的滤波效果不够理想，采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤波效果。AuAum21Aum0o一阶二阶 幅频特性2.2.高通滤波电路高通滤波电路33K 开关电容滤波器开关电容滤波器开关电容滤波器开关电容滤波器 开关电容是模拟开关与电容的组合，在时钟信开关电容是模拟开关与电容的组合，在时钟信号控制下，完成电荷的存贮和转移。号控制下，完成电荷的存贮和转移。时钟控制：时钟控制：S S1 1、S S2 2同时闭合，然后同时断开，同时闭合，然后同时断开，S S3 3、S S4 4 同时闭合。同时闭合。开关电容相减器开关电容相减器开关电容积分器开关电容积分器 假定运算放大器是理想的，假定运算放大
28、器是理想的，S S1 1、S S2 2分别受时钟分别受时钟1 1、2 2控制，在某一瞬间闭合，且初始状态控制，在某一瞬间闭合，且初始状态UcUc1 1=Uc=Uc2 2。t=0t=0 时刻，时刻，S S1 1受时钟受时钟1 1 控制而合上，控制而合上，Ui 向电容向电容C1 充电，充电，U UC1C1充得电压充得电压为为 V V，然后，然后S S1 1，S S2 2 断开，断开，当当t t =5us5us 时，时，S S2 2受时钟受时钟2 2控制而合上。根据控制而合上。根据 可求出可求出 ，215.4.1 集成运放的非线性工作区集成运放的非线性工作区+UOMuOuP-uN NO-UOM集成运
29、放的电压传输特性集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。状态，就是工作在正反馈。5.4 电压比较器电压比较器uRuo +-R2电压比较器R1ui 运放工作于开环状态，运放工作于开环状态，u uR R是参考电压，当输入与参考电是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非会达到饱和，即运放工作于非线性线性饱和区。饱和区。参考电压等于零时，称为参考电压等于零时，称为过零比较器过零比较器。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuR单限比较器单限比较器当
30、当 uI 0 时，时，uO=-UOM；UOM 为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sat)o比较器将正弦波变换为矩形脉冲uotuRuo +-R2有限幅电压比较器R1uiDzUzo传输特性uouiuR-Uz 有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的接在输出端的数字电路的电平配合，可在比较器的输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管输出端与反相端之间跨接一个双向稳压管DzDz，作双，作双向限幅用。向限幅用。5.4.3
31、滞回比较器滞回比较器 从从输输出出引引一一个个电电阻阻分分压压支支路路到到同同相相输输入入端端，电电路路如图所示。当输入电压如图所示。当输入电压vI从零逐渐增大，且从零逐渐增大，且:时，时，称为称为上限阈值上限阈值(触发触发)电平电平。当输入电压当输入电压 时，时，此此时时触触发发电电平平变变为为 ，称称为为下限阈值下限阈值(触发触发)电平电平。滞回比较器电路图滞回比较器电路图 当当 逐逐渐渐减减小小，且且 以以前前，始始终终等等于于 ，因此出现如图所示的滞回特性曲线。因此出现如图所示的滞回特性曲线。回差电压 ：滞回比较电路滞回比较电路 的传输特性的传输特性 Selection and Uses of OP AMP 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 1、开环电压增益、开环电压增益A Aod 2 2、输入失调电压、输入失调电压UOS及其温漂及其温漂 U UOS/T T 3、输入失调电流、输入失调电流IOS及其温漂及其温漂 I IOS/T T 4 4、输入偏置电流、输入偏置电流I IiBiB 5 5、最大差模输入电压、最大差模输入电压Vidm 调调零零单电源供电单电源供电相位补偿相位补偿输入、输出端保护输入、输出端保护5.5.2 5.5.2 集成运算放大器的选择和使用集成运算放大器的选择和使用