1、第第3章章 集成运算放大电路集成运算放大电路3.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介3.3 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用3.5 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用3.6 集成运算放大器应用实例集成运算放大器应用实例3.2 集成运算放大器的输入级集成运算放大器的输入级差动放大电路差动放大电路3.3 集成运算放大器的输出级集成运算放大器的输出级功率放大电路功率放大电路将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上集成电路优点集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗
2、小集成电路分类集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路；模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；3.1 3.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介一、一、集成电路集成电路的概念的概念集集 成成 电电 路路:1.电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。2.输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。3.NPN管和管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能。管配合使用，从而改进单管的性能。
3、3.大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。特点：特点：二、二、集成运算放大器的原理电路集成运算放大器的原理电路T3T3T3T1T2IS与与uo反相反相 u+u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端与与uo同相同相输输入入级级中中间间级级输输出出级级对输入级要求对输入级要求：尽量减小零漂尽量减小零漂,提高提高KCMRR，输入阻抗输入阻抗ri 尽可能大尽可能大对中间级要求对中间级要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级要求对输出级要求：带负载能力强带负载能力强,有足够的输出电流有足够的输出电流io .输出
4、阻抗输出阻抗ro小小3.13.1三、三、集成运放芯片集成运放芯片四种封装形式：四种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装圆外壳封装、扁平管封装已经不用已经不用正在使用正在使用外外形形3.13.1双列直插式封装双列直插式封装贴片式封装贴片式封装双列直插式封装双列直插式封装贴片式封装贴片式封装uu+uo uo国际符号国际符号国内符号国内符号符号符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端u+u-u0 均为对地电压均为对地电压 u-u+u+u-uo1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数AdAd是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一般在是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一
5、般在 103 107之间。理想运放的之间。理想运放的Ad为为。2.共模抑制比共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。3.差模输入电阻差模输入电阻ridri1M,有的可达有的可达100M 以上。以上。3.输出电阻输出电阻roro=几几-几十几十。四、集成运放的主要参数四、集成运放的主要参数3.13.13.最大共模输入电压最大共模输入电压UIcmax6.最大差模输入电压最大差模输入电压UIdmax7.-3dB带宽带宽fH运放是直流放大器，运放是直流放大器，也可放大低频信号，也可放大低频信号，不适用于高频信号。不适用于高频信号。Ri 大大:几十几十k 几百几
6、百 k 1.理想运算放大器的概念理想运算放大器的概念KCMRR 很大很大 Ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大:103 107 uoidRu+u-ii1.理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件 Ri =KCMMRR =Ro =0 0Ao =uo2.电压传输特性电压传输特性uo实际传输特性实际传输特性理想传输特性理想传输特性线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区五、五、理想运算放大器及其重要结论理想运算放大器及其重要结论3.13.12.理想运算放大器的两个重要结论理想运算放大器的两个重要结论五、五、理想运算放大器及其重要结论理想运算放大器及其重要结论3.13.1 虚短虚短
7、虚断虚断 uoidRu+u-iiuu0ii运算放大器不取用电流运算放大器不取用电流问题问题 13.2 3.2 典型差动放大电路典型差动放大电路增加增加R2、RE2 前后级前后级Q点相互影响点相互影响3.2.1 直接耦合电路的特殊问题直接耦合电路的特殊问题解决办法？解决办法？#设置合适设置合适Q点点零点漂移零点漂移问题问题 2解决办法？解决办法？ui=0时，时，uo不等于零不等于零输入级采用差动放大电路输入级采用差动放大电路uot0有时会将有时会将信号淹没信号淹没)/(0CmVTAUUu零点漂移计算公式：零点漂移计算公式：一、结构一、结构特点：特点：结构对称结构对称3.2.2 典型差动放大器典型
8、差动放大器输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端双端输入双端输出双端输入双端输出双端输入单端输出双端输入单端输出二、输入输出方式二、输入输出方式单端输入双端输出单端输入双端输出单端输入单端输出单端输入单端输出共有共有3种种方式方式三、三、抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo=UC1-UC2 =0uo=(UC1+uC1 )-(UC2+uC2)=0当当 ui1=ui2=0 时：时：当温度变化时：当温度变化时：共模输入信号：共模输入信号：ui1=ui2=uC（大小相等，极性相同）（大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：（很小，（
9、很小，1)设设uC1=UC1+uC1，uC2=UC2+uC2。因因ui1=-ui2，uC1=-uC2 uo=uC1-uC2=uC1-uC2=2 uC1 差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：1212ioiioCuuuuuA+UCCidiciuuu2113.2.4 动态分析动态分析差模信号通路差模信号通路T1单边微变单边微变等效电路等效电路uod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E放大倍数放大倍数111iodduuA单边差模放大倍数单边差模放大倍数:11111)(beBCbeBbCbdrRRrRiRi
10、A21ddAAuod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib121221121ddiididiododdAAuuAuAuuuA若差动电路带负载若差动电路带负载RL(接在接在 C1 与与 C2 之间之间),对于差对于差动信号而言，动信号而言，RL中点电位为中点电位为 0,所以放大倍数：所以放大倍数：121)21(beBLCdddrRR/RAAA总差放倍数总差放倍数差模电压放大倍数差模电压放大倍数:iodduuA RRuodui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2Ero=2RC ri ri ro)/(21BbeiRrRr输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电
11、阻：2.输入输出电阻输入输出电阻RRuoui1+UCCRCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E思考题：思考题：电路去掉电路去掉RB能正常工作吗？能正常工作吗？RB的的作用是什么？作用是什么？(二二)共模输入共模输入RE对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于对共模信号有抑制作用（原理静态分析，即由于RE的负反馈作用，使的负反馈作用，使IE基本不变）基本不变）。uC ic1、ic2 iRE、uRE +UCCuocRCT1RBRCT2RBREUEEuC uoc2 uoc1ic1 ic2iREuRE共模信号通路共模信号通路:uocRCT1RBRCT2RB2REuc1
12、 uoc2 uoc1ic1 ic2uc22RE3.2.5 共模抑制比共模抑制比(CMRR)的定义的定义例例:Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1=66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR=KCMRR(dB)=(分贝分贝)cdAAcdAAlog20电路结构电路结构:RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCCIC3R2T3R1R3-UEE3.2.6 3.2.6 具有具有恒流源式差动放大电路恒流源式差动放大电路静态分析：静态分析：主要分析主要分析T3管管VB3VE3 IE3 IC3
13、恒流源恒流源T3:放大区放大区 rce3 1M 电路改进：电路改进：加入温度加入温度补偿三极管补偿三极管T3（BC短短接，相当于二极管）接，相当于二极管）IE3温度温度 IE3 温度温度 UBE3 UB3 IE3 结论结论：T3稳定稳定IE3。RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2E+UCCIC3R2T3R1R3-UEET32144RRUUIBEEEEIE3 UBE3 Q变化变化1.恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。2.恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。3.恒流源影响共模放大倍数，减小共模放大倍数，恒流源影响共模放大倍数，减
14、小共模放大倍数，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比为无穷。为无穷的电阻，所以共模抑制比为无穷。恒流源的作用恒流源的作用 3.3.1 概述概述什么是功率放大器什么是功率放大器 供给负载足够功率，控制它工作供给负载足够功率，控制它工作 一个能量转换器一个能量转换器，直流电源能量，直流电源能量 交流能量交流能量 通常处于设备末级通常处于设备末级打印机打印机电动机电动机小信号小信号u uo o电子设备框图电子设备框图输输入级入级中间中间级级电压电压放大放大末前末前级级小功率小功率输出级输出级功放级功放级ui负载负载3.3 集
15、成运放的输出级功率放大电路1.功放管放大电路的特点功放管放大电路的特点 1）大信号工作，极限运用大信号工作，极限运用 功放管的工作电流功放管的工作电流Ic接近于接近于ICM 电压电压Uce接近于接近于U(BR)CEO，损耗功率，损耗功率Pc接近于接近于PCM 损耗功率损耗功率Pc接近于接近于PCM 电流幅值最大时，处于临界饱合状态电流幅值最大时，处于临界饱合状态 2）功放管易损坏易失真）功放管易损坏易失真 因工作电流和电压大因工作电流和电压大 3）大信号工作，分析时采用图解法）大信号工作，分析时采用图解法 3.3.1 概述概述2、对功放的基本要求1）在失真允许的范围内 输出功率 Po足够大2）
16、尽可能高3）非线性失真要小4）充分考虑功放管的管耗和热保护，安全工作 3.3.1 概述概述1）按功放管的工作状态分）按功放管的工作状态分 甲类功放甲类功放 一个周期内功放管均导通（导电角为一个周期内功放管均导通（导电角为360度）度）乙类功放乙类功放 一个周期内功放管导通半周（导电角为一个周期内功放管导通半周（导电角为180度）度）甲乙类功放甲乙类功放 一个周期内功放管导通半周多（稍大于一个周期内功放管导通半周多（稍大于180度）度）上述功放特点上述功放特点 甲乙类功放甲乙类功放失真小失真小，但，但效率较低效率较低乙类功放乙类功放失真较大失真较大，但，但效率高效率高 3、功率放大器类型、功率放
17、大器类型2）按工作频谱分）按工作频谱分低频功放低频功放 高频功放高频功放 宽带功放宽带功放 脉冲功率放大器脉冲功率放大器3）按）按 制做工艺分制做工艺分：分立件功放分立件功放 集成功放集成功放4）按构成方式）按构成方式 ：分变压器耦合分变压器耦合 OCL型型 OTL型型 3.3.1 概述概述3、功率放大器类型、功率放大器类型甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类电路组成 由性能相同，极性相反（称互补管）的两只功率管组成。双电源供电。数值相同、极性相异 对每只管而言构成射极输出器 无直流工作点呈乙类工作状态。3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路+V+VCCCCui iuo o+-+V V1
18、 1R RL Le eV V2 2B B1 1B B2 2-V-VCCCC一、一、无输出电容无输出电容OCL型乙类功放型乙类功放二、工作原理 设输入信号ui=UimSimt(V)1ui=0时UBE=0V1、V2截止 uo=02ui到来后 两只管轮流导通各半周 在负载RL上合成一个完整正弦波.每只电源仅工作半周3工作波形 uo=uce io=ic输出电压最大幅度 Uom=ucem=VccUCES3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路三、参数计算三、参数计算 已知已知:Vcc:Vcc R RL L 求求:P:PO O/P/PE E/P/PC C/理论根据理论根据 ：电工课中有关正弦功
19、率计算知识电工课中有关正弦功率计算知识 计算公式汇集计算公式汇集 *最大不失真输出功率：最大不失真输出功率：P Pomom=(Vcc=(VccU UCESCES)2 2/2R/2RL L *最大理想输出功率：最大理想输出功率：P POMOM=(Vcc)=(Vcc)2 2/2R/2RL L “理想理想”是指是指U UCESCES=0=0 *每只管集电极最大损耗功率：每只管集电极最大损耗功率：P Pcmcm=0.2P=0.2POMOM*每只管每只管承受的最大反向电压：承受的最大反向电压：U URMRM=2Vcc=2Vcc3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路1 1、输出功率、输出功率
20、P Po o（负载上的）（负载上的）设设u uo o(u(ucece)和和i io o(i(ic c)是正弦波是正弦波 1 1）一般表达式：）一般表达式：P Po o=(I=(IomomU Uomom）/2=(U/2=(Uomom)2 2/2R/2RL L (因因I Iomom=U=Uomom/R/RL L)注意注意 I Iomom=I=Icmcm U Uomom=U=Ucemcem 2 2）求）求P Pomom 因最大不失真输出幅度为：因最大不失真输出幅度为：Uom=VccUom=VccU UCESCES 而而 Po=(Uom)Po=(Uom)2 2/2R/2RL L 所以得所以得 P Po
21、mom=(Vcc=(VccU UCESCES)2 2/2R/2RL L3 3）取）取 U UCESCES0 0，代入上式得，代入上式得 P POMOM=(Vcc)=(Vcc)2 2/2R/2RL L4 4）测量输出功率方法）测量输出功率方法 P PO O=(U=(UOLOL)2 2/2R/2RL L3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路2、直流电源供给功率PE 指两个电源供给的总功率 一般表达式：每个电源只工作半周，电流为iC，计算电源功率，应按iC平均值计算,PE=2VcciC(AV)=Icm/所以，PE=2Vcc(Icm/)i i0 0s si im mt td dt t()
22、2 21 1I Ic cm mA AV V)(C C3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路直流电源供给的最大功率 PEM=(4/)POM证明：因 Icm=Uom/RLVcc/RL 代入PE一般式得 PE=2Vcc(Vcc/RL)=（4/）（Vcc）2/2RL POM=（Vcc）2/2RL 得证3 3效率效率 （1 1）定义）定义=P=Po o/P/PDCDC （2 2）最大效率）最大效率 MAX MAX MAXMAX=P POMOM/P PDCMDCM=/4=78.5%/4=78.5%4 4求每只晶体管上集电极损耗功率求每只晶体管上集电极损耗功率PcPc 晶体管输出的交流功率晶体
23、管输出的交流功率PoPo是由直流电源供给的功是由直流电源供给的功率转换而来，这一过程中有一部分消耗在集电极上，以热率转换而来，这一过程中有一部分消耗在集电极上，以热的形式损失掉，称为集电极损耗功率的形式损失掉，称为集电极损耗功率PcPc(1)(1)定义定义 Pc=(PPc=(PDCDCPo)/2 Po)/2 (2)每只管集电极最大损耗功率每只管集电极最大损耗功率PcmPcm=0.2POM3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路3.4 3.4 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用1.反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路2.同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路2.同
24、相输入比例运算电路（带同相输入比例运算电路（带R3）iFuRRu10iFuRRu)1(10iFuRRRRRu32310)1(3.4 3.4 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用其他电路可利用上面的结论，使用叠加原理自行分析其他电路可利用上面的结论，使用叠加原理自行分析3.4 3.4 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用3.5 集成运算放大器集成运算放大器的非线性应用的非线性应用EDA仿真教学比较适用仿真教学比较适用电子设计与仿真技术第电子设计与仿真技术第2版版中有本章全部的仿真实例中有本章全部的仿真实例袁宏袁宏 李忠波等著李忠波等著 机械工业出版社机械工业出版社2010.03
