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第五章 集成放大电路

第五章 集成放大电路. 5.0 集成运放简介 ( 补充 ). 5.1 比例电路. 5.2 基本运算电路. 5.3 对数和反对数电路. 5.4 有源滤波器. 5.5 电压比较器. 返回. u. +. u. 低阻输出级. 中 间 级. 高阻输入级. u. -. 输出. u. 偏置电路. 5.1 集成运放简介 ( 补充 ). 采用半导体制造工艺，把二极管、三极管、电阻、电容以及 连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完 整的电路。这样一种器件就叫做集成电路 。

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第五章 集成放大电路

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  1. 第五章 集成放大电路 5.0 集成运放简介(补充) 5.1 比例电路 5.2 基本运算电路 5.3 对数和反对数电路 5.4 有源滤波器 5.5 电压比较器 返回

  2. u + u 低阻输出级 中 间 级 高阻输入级 u - 输出 u 偏置电路 5.1 集成运放简介(补充) 采用半导体制造工艺，把二极管、三极管、电阻、电容以及 连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完 整的电路。这样一种器件就叫做集成电路。 特点:具有体积小、 重量轻、价格低廉和性能可靠等。 一.基本结构 返回

  3. 二.简单的集成运放 原理电路： 返回

  4. 同相输入端 输出端 反相输入端 u-－ － uo ＋ u+ 集成运算放大器符号 国内符号 集成运放的特点： 国际符号 • 电压增益高 • 输入电阻大 • 输出电阻小 返回

  5. 集成运算放大器的主要参数 1.输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。 2.输入失调电压温漂dUIO /dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 返回

  6. 3.输入偏置电流IIB： 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 4.输入失调电流IIO： 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 5.输入失调电流温漂dIIO /DT: 在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。 返回

  7. 6.最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。 返回

  8. 8.开环差模电压放大倍数Aod： 无反馈时的差模电压增益。 一般Aod在100～120dB左右，高增益运放可达140dB以上。 9.差模输入电阻rid： 双极型管输入级约为105～106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。 10.共模抑制比KCMR： KCMR=20lg(Avd / Avc )(dB) 其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。 返回

  9. 5.1 特殊集成运算放大器 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。 返回

  10. 什么是集成运算放大器？ 集成运算放大器——高增益的直接耦合的集成的多级放大器。 集成电路的工艺特点： （1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。 返回

  11. uo uo +Uom +10V ui ui 0 0 -1mV +1mV -10V -Uom +Uom +10V 非线性区 线性区 非线性区 -10V -Uom 预备知识：集成运放的两种工作状态 1. 运放的电压传输特性： 设：电源电压±VCC=±10V。 运放的Aod=104 │Ui│≤1mV时，运放处于线性区。 Aod越大，线性区越小， 当Aod →∞时，线性区→0 返回

  12. 1、开环电压放大倍数 Aod=∞ 2、差摸输入电阻 Rid=∞ 3、输出电阻 Ro=0 4、共摸抑制比 KCMR= ∞ 2.理想运算放大器： 3. 线性区 为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈： 理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！ 运放工作在线性区的分析方法： 虚短（u+=u-） 虚断（ii+=ii-=0） 返回

  13. uo ui 0 +Uom +10V -10V -Uom 4. 非线性区（正、负饱和状态） 运放工作在非线性区的条件： 电路开环工作或引入正反馈！ 运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论 返回

  14. 电压放大倍数: 5.1比例运算电路 反馈方式： 5.1.1. 反相比例运算 电压并联负反馈 虚地点 因为有负反馈， 利用虚短和虚断 u+=0 u－=u+=0（虚地） i1=if（虚断） 返回

  15. 例题1.R1=10k , Rf=20k , ui =-1V。求:uo、Ri。说明R0的作用， R0应为多大？ 特点： 共模输入电压=0 （u－=u+=0） 缺点： 输入电阻小（Ri=R1） R0为平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R0=R1//Rf 返回

  16. 返回 采用T型反馈网络的反相比例电路 目的：在高比例系数时，避免R1阻值太小，使输入电阻太小。 分析：u+=u-=0（虚短） i1=i2 （虚断）

  17. 电压放大倍数: 5.1.2. 同相比例运算电路 反馈方式： 电压串联负反馈 因为有负反馈， 利用虚短和虚断 u-= u+= ui i1=if （虚断） 特点： 输入电阻高 缺点： 共模输入电压≠0 （u－=u+=ui） 平衡电阻R=Rf//R1 返回

  18. 5.1.3.电压跟随器 此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。 因为有负反馈， 利用虚短和虚断： Au=1 ui=u+= u-= uo 返回

  19. 5.2 基本运算电路 5.2.1. 加法运算电路 1. 反相加法器： i1 + i2= if 虚地 若R1 =R2 =R, 平衡电阻 R0= R1// R2//Rf 返回

  20. 2. 同相求和运算： 当R1 = R2 = Rf = R时, u+=u- i1=if u-= 返回

  21. 则有： 5.2.2. 减法运算电路 综合： 1、差动减法器 uo=u’o+u’’o 叠加原理 ui1作用 ui2作用 返回

  22. 2、利用加法器和反相比例器 返回

  23. 5.2.3. 积分和微分电路 1. 积分电路 返回

  24. ui uo t t 0 0 TM -Uom 反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。 积分时间 求积到饱和值的时间： 设Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1F 返回

  25. 2 1 2 3 4 5 u02 uo t 0 ui -2 -4 u01 t -6 0 u03 u04 u05 练习: 画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。R=10K C=1uF 返回

  26. ui uo t t 0 0 应用举例：输入方波，输出是三角波。 返回

  27. u-= u+= 0 2. 微分电路： 返回

  28. 例： ,求uo。 ui uo t t 0 0 90° 返回

  29. *5.3 对数和反对数运算电路(选讲) 5.3.1. 对数电路 利用PN结的指数特性实现对数运算 返回

  30. 用三极管实现对数运算 BJT的发射结有 利用虚短和虚断，有 注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7V 返回

  31. 5.3.2. 反对数（指数）电路 返回

  32. 要求 用三极管实现反对数运算电路 利用虚短和虚断，电路有 uO是ui的反对数运算（指数运算） 以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路 返回

  33. *5.4 有源滤波电路 滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。 滤波器的分类： 低通滤波器（LPF） 高通滤波器（HPF） 带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（BEF） 返回

  34. 阻带 通带 |A| |A| |A| |A| A0 A0 通带 阻带 ω ω ω ω 0 0 0 0 ωC ωC A0 A0 通 阻 通 阻 阻 通 ωC1 ωC2 ωC1 ωC2 各种滤波器理想的幅频特性： （1）低通 （2）高通 （1）带通 （1）带阻 返回

  35. 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。 返回

  36. 截止频率： 幅频特性： 一. 低通有源滤波器 1. 一阶RC低通滤波器(无源) 传递函数： 返回

  37. 幅频特性： |A| 0.707 1 H 0 截止频率 此电路的缺点： 1、带负载能力差。 2、无放大作用。 3、特性不理想，边沿不陡。 返回

  38. 传递函数： 通带增益： 截止频率： 2.一阶有源低通滤波器 返回

  39. 传递函数： 幅频特性： |A| 0.707 1+Rf/R1 1+Rf/R1 0 H 幅频特性及幅频特性曲线 缺点：阻带衰减太慢。 返回

  40. 传递函数： 3.二阶有源低通滤波器 返回

  41. 幅频特性及幅频特性曲线 当 Ao＜3时，滤波器可以稳定工作 。 此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。 当f＞＞fL时，幅频特性曲线的斜率 为-40dB/dec。 当Ao≥3时，源滤波器自激。 返回

  42. 传递函数： 通带增益： 截止频率： 二. 高通有源滤波器 1.一阶有源高通滤波器 返回

  43. 传递函数： 幅频特性： |A| 1+Rf/R1 0.707(1+Rf/R1) 0 L 幅频特性及幅频特性曲线 缺点：阻带衰减太慢。 返回

  44. u0 U0M ui -U0M u0 U0M ui ui u0 u0 ui -U0M 5.5 电压比较器 5.5.1、过零电压比较器 5.5.2、单限电压比较器 5.5.3、滞回电压比较器 1、过零电压比较器 返回

  45. u0 (VZ+UD) ui1 u0 uR uR VZ -(VZ+UD) u0 R ui1 +(VZ+UD) R1 u0 uTH- ui uTH+ Rf +(VZ+UD) R2 VZ -(VZ+UD) 2、单限电压比较器 ui1 3、滞回电压比较器 返回

  46. u0 返回 (VZ+UD) uTH- ui uTH+ -(VZ+UD) R ui1 R1 u0 Rf +(VZ+UD) ２、当ui增大到使 时，电路状态发生翻转，输出低电 平，即 R2 VZ uo＝－（Vz＋UD） 此时同相输入端的电位为 Ｒf、R2将输出电压uo取出一部分反馈到同相输入端， 从而引入了正反馈。电路的工作原理如下： 1、当ui由小逐渐增大，开始时，由于u－＝ui＜u＋，故输出 高电平，即 uo＝＋（Vz＋UD） 此时同相输入端的电位为

  47. u0 (VZ+UD) R ui1 R1 u0 uTH- uTH+ Rf R2 VZ +(UZ+UD) ui -(VZ+UD) 返回

  48. 本章小结 1．集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。 2．集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的使用方法，是要求的重点。 3．有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。 返回

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