2009第三章集成运算放大器

2、理想集成运放工作在线性区的电路特征 理想集成运放工作在线性区的电路特点就是引入负反馈。
vo vo Aod vP vN vi
vo Aod (vP vN ) Aod vi
vO
Vom V
理想特性
vN vP O
vO vi= vPvN
Vom V
vN
vP
线性区
二、理想运放的工作特点 1、理想集成运放在线性工作区的特点 iN vO
Vom V
Aod=∞
vN
vP iP vO O
理想特性 实际特性
vi= vPvN
Vom V
vo vo Aod vP vN vi
非线性区 线性区
非线性区
集成运放工作于线性区，输出电压与输入的差模电压成线性关 系。 vP≈ vN 所谓“虚短路”是指理想集成运放两个输入端的电位无穷接近， 但又不是真正短路的特点。
(2)、集成电路按功能分为： 数字电路： 模拟电路：集成运放、集成功放、集成稳压电源电路
(3)、集成电路按晶体管性质分为： 晶体管-晶体管-逻辑电路（(Transistor—Transistor Logic)， 简称TTL电路）获双极型晶体管集成电路。 金属-氧化物-半导体场效应管集成电路（MOS电路）或单极型 场效应管集成电路。
理想集成运放工作在线性区的必要条件
3、理想集成运放的非线性工作区 集成运放工作在开环状态（即没有引入负反馈）或只引入了正 反馈时，输出电压与输入电压不再成线性关系，称集成运放工作在 非线性区。 特点：输出电压只有两种状态，正饱和 vO 电压＋VOM，负饱和电压－VOM。 Vom （1）当vP> vN时，vo=＋VoM； 当vP < vN时，vo=－VoM。 vi= vPvN （2）“虚断路”，iP=iN=0。 iN vN Vom vO vP iP
反相输入端N没有真正 接地，却具有“地”电 位。 vo和vi成比例关系，比例系数 是-RF/R1，负号表示vo、vi反相。比 例系数可以是大于1、等于1或小于 1的任何数值。
RF vO vi R1 vo RF Av vi R1
vi iR P RP
vO
反相比例放大电路的电压放大倍数仅取决于反馈电阻RF和输入 电阻R1之比。
iR iF v N 0 vO v N R1 RF RF vO vN vN R1 RF RF RF vO (1 )v N (1 )vP (1 )vi R1 R1 R1
vi
iR RP P
vO
RF RF RF vO (1 )vN (1 )vP (1 )vi R1 R1 R1
vi iR
vO
虚短路--- vP=vN=0， N节点“虚地”点。 虚断路--- iP=iN=0， RP中电流为零； N节点应用基尔霍夫电流定律：iR=iF；
P
RP
iR iF vi v N v N vO R1 RF vi 0 0 vO R1 RF RF vO vi R1
第三章 集成运算放大电路
由晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等元器件根据不同 连接方式组成的电路，称为分立元件电路。 3.1集成运算放大电路概述
一、集成电路（Itegrated Circiut简称IC ）定义 集成电路 -----是采用专门的半导体制造工艺，将大量晶体管、 场效应管、二极管、电阻、电容等元件及它们间的连线所组成的 完整电路制作在一块单晶硅片上，形成具有特定功能的单元电路。
一、集成运放的电压传输特性
vN
vP
vO
集成运放输出电压vo与输入电压vi（同相输入端和反相输入端的 差值电压）之间的关系曲线称为电压传输特性。 vo = f ( vp-vN ) v
O
+VOM
Δvo
vi= vPvN
-VOM
vo vo Δ vo Aod vP vN vi Δ vi
Δvi
3.4 理想集成运放的参数和工作区 性能指标理想化的集成运放称为理想运放。 3.4.1 理想化集成运放的性能指标
1、开环差模放大倍数（开环差模增益）Aod=∞ 任何信号不管信号有多小，都能进行放大，且放大倍数无穷大。
开环差模放大倍数Aod ---集成运放没有外加反馈电路时本身的差模放大倍数。
ΔVo Aod Δ(V V )
6、最大共模输入电压VIcmax VIcmax为输入级能正常工作的情况下允许输入的最大共模信号。 当共模输入信号超过此值时，集成运放就不能正常工作（不 能对差模信号进行放大，抑制共模信号的能力显著下降）甚至造成 器件损坏。 vP vO
vN
7、共模抑制比KCMR ---指集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍 数之比。 KCMR = Aod / Aoc KCMR越大，集成运放抑制共模信号的能力越强。
输入电阻是从电路输入端和地之间看进去的等效电阻。
vi ri R1 ii
理想集成运放输出电阻 ro ≈ 0。
反相比例运算电路的特点： 输出电压vo与输入电压vi成比例关系，且相位相反； 电压放大倍数Av仅取决于反馈电阻RF和输入电阻R1之比。
RF vO vi R1 vo RF Av vi R1
该值越大，构成的运放电路越稳定，运算精度越高。 vP
vN vO
2、差模输入电阻rid= ∞ 可以跟前面的任何信号源连接，信号源不受影响。 3、输出电阻ro=0 vP 任何负载（无论负载大小）都能带。 vN 4、共模抑制比KCMR= ∞ 共模抑制比KCMR ---指集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模电压放 大倍数之比。 KCMR = Aod / Aoc KCMR越大，集成运放抑制共模信号的能力越强。 vO
vP vN
vO
3、输入偏臵电流IIB。 输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。 ( I BN I BP ) I IB 2 该值越小，温度漂移越小，信号源内阻变化引起的输出电压就越小。 4、开环差模放大倍数Aod ---集成运放没有外加反馈电路时本身 的差模放大倍数。 ΔVo Aod Δ(V V ) 该值越大，构成的运放电路越稳定，运算精度越高。 5、最大输出电压(输出峰-峰电压)Vopp ------指输出不失真时的最大输出电压值。
4、偏置电路 采用电流源电路为各级提供合适又稳定的静态工作电流，从而 确定合适而稳定的静态工作点。
3.3集成运放原理电路和理想集成运放的参数 3.3.1集成运放原理电路分析
若将集成运 放看成一个 “黑盒子”， 则可等效为 一个双端输 入、单端输 出的差分放 大电路。
vP vN成运放的主要参数
vi iR P RP 当R1=RF时,
vO
vO vi
输入电压与输出电压大小相等，相位相反-----称为反相电压跟 随器(反相器) 。
二、同相比例运算电路 电路存在负反馈，集成运放 工作于线性区，用“虚短” 和“虚断”分析。
vi
iR
RP P
vO
“虚断”---iP=iN=0， 有iR=iF；vP=vi “虚短”--- vP=vN =vi
4、集成运放中所用的晶体管常采用复合管结构来改善性能。
3.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用
vP
两个 输入端
vO 一个 输出端
vN
vP vN
vO
vO vP vN 集成运放原理框图
输入电阻高，差模电压放大倍数 大，抑制共模信号能力强（共模 抑制比大），静态电流小。
1、输入级（前置级） 是一个双端输入、有良好对称性的高性能差分放大电路。
集成放大电路是一种高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电 阻的多极直接耦合放大电路，最初多用于各种模拟信号的运算（如 比例、求和、求差、积分、微分…），故被称为集成运算放大器， 简称集成运放。
二、分类
(1)、集成电路按集成度(每一片硅片中所含元、器件数)大小分为： 小规模集成电路 中规模集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路
vO
vO
正反馈网络
3.2 集成运放在信号运算方面的应用（线性应用） 当接入线性负反馈，可完成放大、加法、减法、微分、积分等 数学运算； 当接入非线性负反馈，可完成对数、反对数、乘法、除法等数 学运算及其他非线性变换； 当接入线性或非线性正反馈或者将正、负两种反馈结合使用， 可完成各种模拟信号的产生和变换等功能。
－ β（RC //RL） 稳Q共射放大电路 rbe (1 β ) RE1
Vo

－β I（ RC //RL） b


Vi
I b rbe (1 β ) I b RE1
+VCC
vs
vi
vo
有源负载用于共射放大电路 3、输出级 集成运放的输出级多采用射极输出器或互补对称输出电路，具 有输出电压线性范围宽、输出电阻小（即带负载能力强）、非线性 失真小等特点。
正反馈网络
对工作于非线性区的理想运放应用电路---采用vP、vN电压比较方法
综述，分析具体的集成运放应用电路时，首先判断集成运放 工作在线性区还是非线性区，再运用线性区和非线性区的特点分 析电路。 理想运放工作在线性区，采用“虚断”和“虚短”的 方法。 “虚短路” vP≈ vN。 “虚断路” iP=iN=0 理想运放工作在非线性区，采用vP、vN电压比较方法 （1）vP> vN时，vo=＋VoM； （2）vP< vN时，vo=－VoM。 （3） “虚断路” iP=iN=0 iN vN vN vP vP iP
负反馈网络
vN vP iN
vO
iP
3.2.1比例运算电路 一、反相比例运算电路
vi
N
vi
vO
vO
P
RP
RP
RP是同相输入端P对地的总等效电阻； RN是vi=0时，反相输入端N对地的总等效电阻。 RP=RN RP= RN =R1//RF,