高频,集成电路部分课件第1章_集成运放的基础知识_Ⅲ

3.1 集成运放的等效电路模型
理想运放工作在饱和区的特点
+Uo(sat)
O
uo
电压传输特性
饱和区
u +– u –
–Uo(sat)
(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或–Uo(sat) 当 u+> u– 时， uo = + Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat) 不存在 “虚短”现象 (2) i+= i– 0,仍存在“虚断”现象
[例2] 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。

+ ui –
ud
+
–
–
+
A1+ u o1
–
R
+
A2 +

uo
RL
– u+ f
[解] 反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈； 反馈电压 uf 和 ui 输入电压分别加在的同相和反相两个输 入端，故为串联反馈； 设为 ui 正，则 uo1为负， uo 为正。 反馈电压 uf 使净输入电压 ud = ui – uf 减小，故为负反馈； 串联电压负反馈。
EOCM ：由共模引起的输出电压
图 3-2 运放的实际等效模型

I IB ：输入偏流
集成运放的实际模型比较全面地反映了集成运算放大器各个参数的影响。 应用中可根据需要分别进行直流特性、交流特性、瞬态特性、噪声特性等 的分析。在计算误差时，可分别计算每个或数个特性参数作用的结果，而 不必把数个参数放在一起分析。
实际工程计算中，可以进行合理的简化，突出主要问题。简化时应
(1) 对输入为交流信号的运放电路，可以将模型中电压源 Uos短
路，电流源IIB开路。
(2) 在反相输入的运放中， 运放反相输入端电压U-接近同相输入 端电压U+=0Ｖ，所以共模输入电压Uic≈0，CMRR引起的误差可以忽
略不计。
3.2 实际运放电路的误差分析
Rf Ui R1 ＋ Uid － －Auid Rid － ＋
＋ Ui －
图3-3 反相放大器
Uo
图 3-4 图3-3 所示电路的等效电路
3.2 实际运放电路的误差分析
由图可知 Uo=-AUid
Ui R1 ＋ Uid －
Rf
－Auid Rid － ＋ Uo
Uid是由Ui和Uo共同作用而产生
的，利用叠加原理不难求得
－u ＋ id
(a ) i－＝ 0 i＋＝ 0
－ u id ＝ 0 ＋
－ ＋ (c)
∞ ＋
uo
－ u id ＜ 0 ＋ (e)
(a) 符号； (b) 传输特性； (c) (d) 正向饱和区等效电路； (e) 负向饱和区等效电路
图 3-1 理想运放的等效模型
3.1 集成运放的等效电路模型
理想运放工作在线性区的特点:
u– u+
i–
∞ – + i+ +
因为 uo = Auo(u+– u– )
电压传输特性
+Uo(sat) 线性区

uo 所以(1) 差模输入电压约等于 0
即 u+= u– ,称“虚短” (2) 输入电流约等于 0 即 i+= i– 0 ,称“虚断”
uo u +– u – –Uo(sat)
Auo越大，运放的 线性范围越小，必 须加负反馈才能使 其工作于线性区。
集成电路原理及应用
Principle and Application of Integrated Circuits
李成军
武汉理工大学· 信息工程学院
第3讲：集成运放的基础知识_Ⅲ

集成运放的等效电路模型


实际运放与理想运放的误差分析
运算放大器电路中的负反馈 负反馈放大电路的基本方程 负反馈对放大电路性能的影响 负反馈放大电路的稳定问题
饱和工作区（非线性）
饱和工作恒压源 uu+
负饱和
uu+
UOM
uo
-UOM
uo
正饱和
3.1 集成运放的等效电路模型
3.1.2 集成运放的理想等效模型
uo u－ u＋ i－＝ 0 Usat － ＋ ∞ ＋ uo 正向饱和区 线性放大区 0 u id ＝ u ＋－ u － 负向饱和区 －Usat (b ) i－＝ 0 － u id ＞ 0 ＋ i＋＝ 0 (d ) uo Usat uo Usat
+Uo(sat) 理想特性
uo 线性区 u +– u – 饱和区 –Uo(sat)
线性区： uo = Auo(u+– u–)
实际特性
非线性区： u+> u– 时， uo = +Uo(sat) u+< u– 时， uo = – Uo(sat)
3.1 集成运放的等效电路模型
理想集成运算具有的特点:
(1) 开环电压放大倍数Aud=∞ (2) 差模输入电阻Rid=∞ (3) 输出电阻ro=0
3.3 运算放大器电路中的负反馈
首先用电位的瞬时极性判别 判别图示电路的反馈类型 1) 串联电压负反馈 RF –– u R1 d ++ + ui R2 – uf +
反馈的正、负。 设某一瞬时 ui 为正，则此时 uo
净输入信号 ud ui uf + 小于输入信号，即 u 的存在使净 f uo – 输入信号减小，所以为负反馈。 也为正，同时反馈电压 uf 也为正。
uo
+
– u f
A
F
uo
–
3.3 运算放大器电路中的负反馈
2) 并联电压负反馈 if RF 首先用电位的瞬时极性判别 反馈的正、负。
ii +
ui
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
id
R1 R2
设某一瞬时 ui 为正，则此时
–
+
uo 为负，各电流实际方向如图示。 + RL
+
–
净输入电流
id ii if
–
uo
小于输入电流，即 if 的存在使 净输入电流减小，所以为负反馈。
如果反馈信号使净输入信号增加，称为正反馈。如果 反馈信号使净输入信号减小，称为负反馈。
i X
A
o X
无负反馈放大电路方框图
3.3 运算放大器电路中的负反馈
带有负反馈放大 电路的方框图
比较环节 基本放大电路
i + X
A i — 输入信号 X – f o — 输出信号 X X f — 反馈信号 X F d — 净输入信号 X d X i X f 若三者同相，反馈电路 净输入信号 X Xd Xi Xf 则 X d X i ，电路为负反馈。 可见
3.1 集成运放的等效电路模型
理想与实际运算放大器比较
Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR
电压传输特性 uo= f (ui)
Auo 高: 80dB~140dB rid 高: 105 ~ 1011 ro 低: 几十 ~ 几百 KCMR高: 70dB~130dB
(4)
(5) 输入失调电压Uos=0; (6) 输入失调电流Ios=0;
(7) 共模抑制比CMRR=∞；
（8）转换速率为无限大，即SR= ∞ (9) 干扰和噪声都不存在。
3.1 集成运放的等效电路模型
3.1.1 集成运放的等效电路模型
线性工作受控源
uu+
Auo
线性工作区 uuo
u+
Auo(u+- u-) uo
3.2 实际运放电路的误差分析
Rf R1
Af (理想）
于是增益的相对误差：
10
Af (理想） A （实际）） 10 (9.988) f 0.12% Af (理想） 10
3.3 运算放大器电路中的负反馈
3.3.1 负反馈是集成运放线性应用的必要条件
由于集成运放的开环差模电压放大倍数很大（ Aud→∞），
+
RL
–
R1 u0 取自输出电压，并与之成正比， 反馈电压 uf RF R1 故为电压反馈。
uf 与 ui 在输入端以电压形式作比较，两者串联，故为串联
反馈。
3.3 运算放大器电路中的负反馈
RF – uf R1 +
串联电压负反馈方框图
ui + ud
+
ui
–
+ + R2
ud
– –
+
RL
3.1 集成运放的等效电路模型
3.1.3 集成运放的实际等效模型
eN
I IB
I IB
iN
ZCM
Zd 2
U os ：输入失调电压 eN ：等效输入噪声电压
iN ：等效输入噪声电流 ZCM：共模输入阻抗 Z d ：差模输入阻抗
EOCM
Eod
iN
Zd 2
Z o ：输出阻抗 Eod ：经差模放大的输出电压
u uo uo 反馈电流 if RF RF
反馈。
取自输出电压，并与之 成正比，故为电压反馈。
if 与 ii 在输入端以电流形式作比较，两者并联，故为并联
3.3 运算放大器电路中的负反馈
if ii R1 R2 id
RF ui
并联电压负反馈方框图
ii
+ – if
id
+
ui
– +
A
F
ud ui uf 为负反馈； uf 与 ui 在输入端以电压形式作