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1、第三章第三章 集成运算放大电路集成运算放大电路v集成运放的基本单元电路集成运放的基本单元电路集成运放的组成和电路符号集成运放的组成和电路符号差分输入级差分输入级中间级中间级输出级输出级v集成运放的典型电路和参数集成运放的典型电路和参数典型电路分析典型电路分析主要参数主要参数v集成运放基本电路集成运放基本电路理想运放的特性理想运放的特性基本电路基本电路v基本运算电路基本运算电路加、减法运算电路加、减法运算电路积分和微分运算电路积分和微分运算电路主要内容主要内容集成电路：在一块硅片上集成出包括有源元件和无源元件构成集成电路：在一块硅片上集成出包括有源元件和无源元件构成的整体电路。的整体电路。分类：
2、数字集成电路和模拟集成电路。分类：数字集成电路和模拟集成电路。集成运放：集成运算放大器，模拟电路的通用器件。集成运放：集成运算放大器，模拟电路的通用器件。3.1集成运放的基本单元电路集成运放的基本单元电路集成运放的符号集成运放的符号AV0 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 vo=AV0(v+v)3.1.1 集成运放的组成和电路符号集成运放的组成和电路符号集成运放的组成：集成运放的组成：（1 1）输输入入级级：高高性性能能差差放放电电路路；输输入入电电阻阻大大、共共模模抑抑制制比大、静态电流小。比大、静态电流小。（2 2）中间级：复合管共射电压放大电路；提供电压放大。）中间级：复合管共射
3、电压放大电路；提供电压放大。（3 3）输出级：互补对称输出电路。带载能力强、失真小。）输出级：互补对称输出电路。带载能力强、失真小。（4 4）偏置电路：电流源电路；提供合适的静态工作点。）偏置电路：电流源电路；提供合适的静态工作点。3.1.2 集成运放输入级：集成运放输入级：采用差分输入级采用差分输入级普通差分放大器：输入电阻小，最大差模输入电压低，普通差分放大器：输入电阻小，最大差模输入电压低，放大倍数不够高。放大倍数不够高。改进方法：改进方法：共集共基差分放大器共集共基差分放大器超超 管输入级管输入级共集共基差分放大器：共集共基差分放大器：特点：特点：输入电阻高；输入电阻高；一定的电压放大
4、倍数；一定的电压放大倍数；高差模输入电压。高差模输入电压。共集共基差分放大器共集共基差分放大器有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路电路的输入、输出方式？电路的输入、输出方式？如何设置静态电流？如何设置静态电流？静态时静态时iO约为多少？约为多少？动态时动态时iO约为约为多少？多少？使单端输出电路使单端输出电路的差模放大倍数近的差模放大倍数近似等于双端输出时似等于双端输出时的差模放大倍数。的差模放大倍数。静态：静态：动态：动态：3.2.2中间级中间级v一至二级直接耦合放大电路构成，提供足够大的电压放大一至二级直接耦合放大电路构成，提供足够大的电压放大倍数；输出双端变单端；电平移动。倍数；输出
5、双端变单端；电平移动。v有源负载复合管放大电路，提供电压放大倍数有源负载复合管放大电路，提供电压放大倍数,很高的输很高的输入电阻。入电阻。3.2.3输出级输出级v输出足够大的功率信号；输入电阻大；输出电阻小。输出足够大的功率信号；输入电阻大；输出电阻小。v工作在大信号下，多采用甲乙类互补对称电路。工作在大信号下，多采用甲乙类互补对称电路。v有过载保护电路有过载保护电路有保护电路的甲乙类互补对称电路有保护电路的甲乙类互补对称电路VBE倍增电路消倍增电路消除交越失真除交越失真。过载保护电路过载保护电路小节本节内容：v集成运放的组成：输入级，中间级，输出级，偏置电路集成运放的组成：输入级，中间级，输
6、出级，偏置电路v复合管复合管v有源负载有源负载v互补对称电路互补对称电路3.2集成运放的典型电路和参数集成运放的典型电路和参数3.2.1 集成运放典型电路分析集成运放典型电路分析集成运放集成运放LM741 的电路原理图的电路原理图若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。偏置电路偏置电路输入级输入级双端输入、单端输双端输入、单端输出差分放大电路出差分放大电路 T3、T4为横向为横向PNP型管，输型管，输入端耐压高。共集形式，输入入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输
7、入电压电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。幅值大。共基形式频带宽。共集共集-共基形式共基形式T1和和T2从基极输入、射极输出从基极输入、射极输出T3和和T4从射极输入、集电极输出从射极输入、集电极输出 中间级是主放大器，它中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。了增大放大倍数。LM741的中间级是以复的中间级是以复合管为放大管、采用有源合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。全部流入输出级。中间级中间级输出级：准
8、互补输出级，输出级：准互补输出级，VBE倍增电路消除交越失真。倍增电路消除交越失真。准互补输出级准互补输出级VBE倍增电路倍增电路过载保护电路过载保护电路集成运放的主要参数集成运放的主要参数1、开环差模电压放大倍数、开环差模电压放大倍数AVO（100dB=105）2、最大差模输入电压、最大差模输入电压VIDM（30V）3、最大输出电压、最大输出电压VOPP（13V）4、最大共模输入电压、最大共模输入电压VICM（15V）5、输入失调电压输入失调电压 V IO（1.0mV）使使 VO=0，输入端施加的补偿电压，输入端施加的补偿电压6、输入偏置电流、输入偏置电流 I IB（80nA）VI=0 时，
9、时，集成运放的主要参数集成运放的主要参数7、输入失调电流输入失调电流 IIO（20nA）输出电压为零时：输出电压为零时：8、转换速率、转换速率SR(0.5V/s)9、差模输入电阻、差模输入电阻rid（2M）10、共模输入电阻、共模输入电阻ric3.3 集成运放的基本电路3.3.1 理想运放的特性理想运放的特性理想集成运放的性能指标理想集成运放的性能指标 实实际际集集成成运运放放的的特特性性很很接接近近理理想想集集成成运运放放，我我们们仅仅仅仅在在进进行行误误差差分分析析时时，才才考考虑虑理理想想化化后后造造成成的的影影响响，一一般般工工程计算其影响可以忽略。程计算其影响可以忽略。F 开环差模增
10、益：开环差模增益：F 差模输入电阻：差模输入电阻：F 输出电阻：输出电阻：F 共模抑制比：共模抑制比：F 上限截止频率：上限截止频率：F 失调电压、电流及其温漂：失调电压、电流及其温漂：均为均为0。理想集成运放工作于线性区理想集成运放工作于线性区 “虚虚短短”：运运放放的的同同相相输输入入端端和和反反相相输输入入端端的的电电位位“无穷无穷”接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。“虚虚断断”：运运放放的的同同相相输输入入端端和和反反相相输输入入端端的的电电流流趋趋于于0，好象断路一样，但却不是真正的断路。，好象断路一样，但却不是真正的断路。理理想想运运放
11、放工工作作于于线线性性区区，因因其其放放大大倍倍数数趋趋于于无无穷穷大大，所所以以在在输输入入端端只只要要加加一一个个非非无无穷穷小小的的电电压压，其其输输出出就就会会超超出出其其线线性性工工作作区区，因因此此，只只有有电电路路引引入入负负反反馈馈，才才能能使使其其工工作于线性区。作于线性区。理想集成运放工作于非线性区理想集成运放工作于非线性区 电电路路中中没没有有引引入入负负反反馈馈或或引引入入的的是是正正反反馈馈，理理想想运运放放工工作作于于非非线线性性区区。因因其其放放大大倍倍数数趋趋于于无无穷穷大大，所所以输出电压只有两种可能：以输出电压只有两种可能：3.3.2 由集成运放组成的基本电
12、路由集成运放组成的基本电路 为为了了保保持持运运放放差差放放输输入入级级的的对对称称性性，同同相相输输入入端端的的电电阻阻RP为为vi=0时时反反相相输输入入端端的的等等效效电电阻阻：RP=R1/RF，称称为为补补偿电阻或平衡电阻。偿电阻或平衡电阻。电电路路处处于于深深度度负负反反馈馈条条件下，虚短和虚断成立。件下，虚短和虚断成立。一、反相放大器一、反相放大器反相放大器反相放大器电压并联电压并联负反馈负反馈“虚地虚地”反相放大器的特点：反相放大器的特点：v运放的反相输入端虚地，其共模输入电压可视为零，因此，运放的反相输入端虚地，其共模输入电压可视为零，因此，电路对运放的共模抑制比要求不高。电路
13、对运放的共模抑制比要求不高。v由于并联负反馈的作用，使反相放大器的输入电阻减小。由于并联负反馈的作用，使反相放大器的输入电阻减小。v虽然实际运放的输出电阻不为零，但由于电压负反馈的作虽然实际运放的输出电阻不为零，但由于电压负反馈的作用，使反相放大器的输出电阻很小，近似为零。因此，反用，使反相放大器的输出电阻很小，近似为零。因此，反相放大器的带负载能力很强。相放大器的带负载能力很强。思思考考：如如何何提提高高图图示示电电路路的的输输入入电电阻阻？会会带带来来什什么么问题？直接增大反馈电阻可否？问题？直接增大反馈电阻可否？采用采用T形反馈网络的反相放大器形反馈网络的反相放大器采用采用T形反馈网络的
14、反相放大器形反馈网络的反相放大器采用采用RF1、RF2和和RF3组成组成T形网络取形网络取代反馈电阻代反馈电阻RF。因反相端虚地，有：因反相端虚地，有：采用采用T形网络后，只要将形网络后，只要将RF1/RF3或或RF2/RF3选大，选大，不用采用高值反馈电阻就能获得很大的闭环放大倍数。不用采用高值反馈电阻就能获得很大的闭环放大倍数。二、同相放大器二、同相放大器电压串联电压串联负反馈负反馈 电电路路处处于于深深度度负负反反馈馈条条件下，虚短和虚断成立。件下，虚短和虚断成立。同相放大器同相放大器两个特例（电压跟随器两个特例（电压跟随器 ）：）：有限流电阻有限流电阻RF的电压跟随器的电压跟随器简单的
15、电压跟随器简单的电压跟随器同相放大器的特点：同相放大器的特点：v运放的输入端加有共模信号，电路对运放的共模运放的输入端加有共模信号，电路对运放的共模抑制比要求较高，且输入电压不能大于运放允许抑制比要求较高，且输入电压不能大于运放允许的共模输入电压值。的共模输入电压值。v由于串联负反馈的作用，使同相放大器的输入电由于串联负反馈的作用，使同相放大器的输入电阻可高达阻可高达100M以上以上。v电压负反馈的作用，使同相放大器的输出电阻很电压负反馈的作用，使同相放大器的输出电阻很小，近似为零。因此，同相放大器的带负载能力小，近似为零。因此，同相放大器的带负载能力很强。很强。三、差分输入放大器三、差分输入
16、放大器差分输入放大器差分输入放大器信号分别加在运放的两个输入端。信号分别加在运放的两个输入端。电电路路处处于于深深度度负负反反馈馈条条件件下下，虚短和虚断成立。虚短和虚断成立。电压并联电压并联负反馈负反馈差分输入放大器的特点：差分输入放大器的特点：v运放的输入端加有共模信号，共模抑制能力差。运放的输入端加有共模信号，共模抑制能力差。v由于并联负反馈的作用，输入电阻仅为由于并联负反馈的作用，输入电阻仅为2R1。v电压负反馈的作用，输出电阻很小，近似为零。电压负反馈的作用，输出电阻很小，近似为零。本节主要内容本节主要内容:理想运放的特性；理想运放的特性；理想运放工作于线性区的理想运放工作于线性区的
17、“两虚两虚”的现象；的现象；三种基本放大器。三种基本放大器。3.4 基本运算电路基本运算电路3.4.1 加、减法电路加、减法电路一、加法电路一、加法电路反相加法电路反相加法电路 类类似似反反相相放放大大器器，电电路路处处于于深深度度负负反反馈馈条条件件下下，虚虚短短（虚虚地）和虚断成立。地）和虚断成立。一般取一般取R1R2 R3，补偿电阻，补偿电阻RPR1/R2/R3/RF。同相放大器也可构成加法电路。同相放大器也可构成加法电路。二、减法电路二、减法电路A1组成同相放大器，其输出电压为：组成同相放大器，其输出电压为：A2组成差分输入放大器，有组成差分输入放大器，有一般可取：一般可取：则：则：为
18、使电路平衡，取：为使电路平衡，取：RP1RF1/R1RP2RF2/R2电路特点：电路特点：输入电阻高，共模抑制输入电阻高，共模抑制比高；比高；共模输入信号允许范围共模输入信号允许范围小。小。三运放运算电路实例分析：三运放运算电路实例分析：结论：结论：三运放电路是差动放大三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。此电路的输入电阻高。一、电容元件和电路的暂态、稳态一、电容元件和电路的暂态、稳态电容器：电容器：3.4.2积分和微分运算电路积分和微分运算电路 当电容上的电量或电压变化时，产生电流：当电容上的电量或电压变化时，产生
19、电流：两边积分：两边积分：式中式中：v0是电容电压初始值，若初始值为零，则：是电容电压初始值，若初始值为零，则：电压值与时间电压值与时间t有关，是电容上流过电流的积分；反之，电容有关，是电容上流过电流的积分；反之，电容上流过的电流是电压的微分。上流过的电流是电压的微分。电路的暂态和稳态电路的暂态和稳态任何事物的运动，在一定条件下有一定任何事物的运动，在一定条件下有一定的稳定状态，条件改变，事物通过过渡的稳定状态，条件改变，事物通过过渡达到新的问题。电路也一样，有过渡状达到新的问题。电路也一样，有过渡状态（暂态）和稳定状态（稳态）。态（暂态）和稳定状态（稳态）。惰性电路受激励信号的冲击后，由原来
20、惰性电路受激励信号的冲击后，由原来的稳态经历一段时间过渡到新的稳态，的稳态经历一段时间过渡到新的稳态，这一变化过程，称为暂态。这一变化过程，称为暂态。开关合上的瞬间，开关合上的瞬间，vc0，电路中有电流，电路中有电流i流过，对电容进行流过，对电容进行充电，充电，vc增大，电流增大，电流i减小，最后减小，最后vcVs，i0，电路从暂，电路从暂态到达稳态。态到达稳态。二、积分电路二、积分电路简单的简单的RC积分电路：当突然接入积分电路：当突然接入直流电压时，电容被充电。直流电压时，电容被充电。但电流不是一个常数，充电电流随时间增长而不断减小。有但电流不是一个常数，充电电流随时间增长而不断减小。有：
21、称为时间常数。称为时间常数。仅在充电曲线的初始部分，积分关系存在。仅在充电曲线的初始部分，积分关系存在。为了实现比较理想的积分运算，必须使充为了实现比较理想的积分运算，必须使充电电流维持恒定，利用集成运放可解决此电电流维持恒定，利用集成运放可解决此问题。问题。时间常数的选取：时间常数远远大于输入时间常数的选取：时间常数远远大于输入信号的脉宽。信号的脉宽。集成运放积分电路集成运放积分电路由虚地，有：由虚地，有：为时间常数。为时间常数。电路讨论：电路讨论：“积分漂移积分漂移”现象；现象；平衡电阻的选择；平衡电阻的选择；电容的选择。电容的选择。三、微分电路三、微分电路v微分电路是电子线路中的一种简微
22、分电路是电子线路中的一种简单的波形变换电路，它可将矩形单的波形变换电路，它可将矩形脉冲电路变换为正负极性相间的脉冲电路变换为正负极性相间的尖顶脉冲，输出电压与输入电压尖顶脉冲，输出电压与输入电压有近似的微分关系。有近似的微分关系。v简单的微分电路简单的微分电路电路要求：时间常数远远小于信电路要求：时间常数远远小于信号脉宽。号脉宽。积分常数小，电阻取值小，输出积分常数小，电阻取值小，输出电压幅度小。电压幅度小。v集成运放微分电路集成运放微分电路 由虚地，虚断，有：由虚地，虚断，有：为时间常数。为时间常数。电路讨论：电路讨论：对高频信号敏感，抗干扰能力差；对高频信号敏感，抗干扰能力差；RC网络对反馈电压有滞后作用，易引起网络对反馈电压有滞后作用，易引起自激振荡；自激振荡；输入阻抗小，特别是对高频信号。输入阻抗小，特别是对高频信号。实用的微分电路实用的微分电路本章主要内容本章主要内容v集成运放的基本单元集成运放的基本单元差分放大输入级；差分放大输入级；带恒流源负载的中间级；带恒流源负载的中间级；互补对称输出级；互补对称输出级；恒流源偏置电路。恒流源偏置电路。v典型电路和主要参数典型电路和主要参数v集成运放的基本电路（三种）集成运放的基本电路（三种）v基本运算电路（加法、减法、积分、微分）基本运算电路（加法、减法、积分、微分）本章小结本章小结