第五章集成运算放大器.pptx

Integrated Operational Amplifier高增益的直流放大器高增益的直流放大器差分放大器多级放大器输出级输入级中间级输入端输出端5.1 Introduction偏置电路第1页/共57页中间级要求：较高的电压放大倍数，通常采用有源中间级要求：较高的电压放大倍数，通常采用有源 负载的共发射极放大电路。负载的共发射极放大电路。输出级输出级要求：输出电阻小，输出足够的功率，通常要求：输出电阻小，输出足够的功率，通常 采用互补对称推挽功率放大电路。采用互补对称推挽功率放大电路。偏置电路要求：偏置电路要求：为上述各级电路提供稳定、合适的为上述各级电路提供稳定、合适的 静态工作电流点，一般由各种恒流静态工作电流点，一般由各种恒流 源电路构成。源电路构成。输入级要求：零点漂移小、输入电阻高，通输入级要求：零点漂移小、输入电阻高，通输入级要求：零点漂移小、输入电阻高，通输入级要求：零点漂移小、输入电阻高，通常采常采常采常采 用差分放大电路。用差分放大电路。用差分放大电路。用差分放大电路。第2页/共57页-+u-u+uo Circuit Symbol第3页/共57页1.Current Source Circuit5.2 Bias Circuit Image Current Source作用提供稳定的直流偏置。作为有源负载，用于提高放大器的增益。第4页/共57页Rr由两个性能上完全配对的晶体管和一个电阻Rr组成2.Image Current SourceR2R1R2R1R3R4第5页/共57页5.3 Input Stage Differential AmplifiersUo2ReUO2T2RcUi2-UEE2ReRc+UccUi1T1UO1Ui双端输入双端输入单端输入单端输入双端输出双端输出单端输出单端输出Ui=0时，Uo=0。Ui1=-Ui2=Ui/2；放大差模信号。Ui1=Ui2=Uic；抑制共模信号。特点RW第6页/共57页-UEE2ReRc+UccUi1T1UO1Uo2ReUO2T2RcUi2Ui一一.DC Analysis加RbRbRb第7页/共57页二二.AC Analysis1.Differential-Mode SignalRcUid1T1UOd1RcUid2T2UOd2UOdUid差模信号 幅度相等、相位相反的一对输入信号即 Uid1=-Uid2，Uid=Uid1-Uid2=2Uid1=-2Uid2 第8页/共57页RcUid1T1UOd1RcUid2T2UOd2UOdUid加加 R RL LRL双端输出时,RL的中点电位为差模地端,每管负载为 RL/2第9页/共57页RcUid1T1UOd1RcUid2T2UOd2UOdUidRL加加 R Rb bRbRb加 RW1/2RW1/2RW第10页/共57页Conclusion1.双端输入时，双端输出的差模电压增益 与单管放大电路相同，是单端输出时的 两倍。2.双端输入时，二个单端输出的电压信号 的相位相反。第11页/共57页2.Common-Mode Signal共模信号 幅度相等、相位相同的一对输入信号即 UiC1=UiC2，UiC=UiC1=Uid2RcUiC1T1UOC1RcT2UOC2UiC2UiC2Re2ReUOC第12页/共57页3.Common-Mode Rejection Ration KCMRKCMR 是衡量差分放大器对差模信号的放大能力和对 共模信号的抑制能力。其定义为差模放大倍数 与共模放大倍数之比的绝对值。KCMR 越大，差分放大器分辨差模信号的能力越强，受共模信号的影响就越小。双端输出时:Auc=0，KCMR(一般在80120dB)。单端输出时：用dB表示第13页/共57页 用恒流源代替用恒流源代替Re，它具有，它具有小的直流电阻、小的直流电阻、大的交流电阻，可大大提高共模抑制比。大的交流电阻，可大大提高共模抑制比。RCRCR1R2R3等效Re第14页/共57页4.Arbitrary Signal 对任意数值的输入信号对任意数值的输入信号可看成是由一对差模信号和一对共模信号组成。可看成是由一对差模信号和一对共模信号组成。设任意信号为设任意信号为U Ui1i1，U Ui2i2分析四种形式差分放大器第15页/共57页Example 1 双端输入双端输入双端输入双端输入 双端输出差分放大器中，双端输出差分放大器中，双端输出差分放大器中，双端输出差分放大器中，已知：已知：已知：已知：U U U UCCCCCCCC=12V=12V=12V=12V，U U U UEEEEEEEE=12V=12V=12V=12V，R R R Rb b b b=20K=20K=20K=20K，Rc=10KRc=10KRc=10KRc=10K，=50=50=50=50，Re=10KRe=10KRe=10KRe=10K，R R R RW W W W=100=100=100=100，R R R RL L L L=20K=20K=20K=20K。试求电路静态工作点。试求电路静态工作点。试求电路静态工作点。试求电路静态工作点I I I ICQ1CQ1CQ1CQ1、U U U UCQ1CQ1CQ1CQ1，和双，和双，和双，和双端输出的差模增益端输出的差模增益端输出的差模增益端输出的差模增益A A A Audududud。第16页/共57页EWBEWB上的上的仿真仿真结果结果第17页/共57页Example 2 上例中设上例中设上例中设上例中设RL=10KRL=10KRL=10KRL=10K，并改为单端，并改为单端，并改为单端，并改为单端输入、单端输出，其它条件不变。试求电路的静输入、单端输出，其它条件不变。试求电路的静输入、单端输出，其它条件不变。试求电路的静输入、单端输出，其它条件不变。试求电路的静态工作点态工作点态工作点态工作点I I I ICQ1CQ1CQ1CQ1和单端输出的差模增益和单端输出的差模增益和单端输出的差模增益和单端输出的差模增益A A A Aud1ud1ud1ud1。ReTO1RWTRbRL-U2EEURb1Rc+UccRcUi第18页/共57页有源负载电路：以有源器件的动态电阻作为大 的负载电阻的电路。5.4 Middle Stage Active LoadV2、V3构成镜象恒流源电路，作为V1管的集电极负载。第19页/共57页T3T3、T4T4组成的组成的恒流源电路作恒流源电路作为为T1T1、T2T2组成组成的差动放大器的差动放大器的集电极电阻，的集电极电阻，并具有双端变并具有双端变单端的作用。单端的作用。第20页/共57页5.5 Output Stage要求：在保证功率管安全工作条件下，高 效率地输出尽可能大、失真在允许 范围的功率。FrequencyLF Power AMPLF Power AMPHF Power AMPHF Power AMPDeviceVacuum tubeVacuum tubeTransistorTransistorIC IC Operating State Class AClass AClass BClass BClass CClass CSwitch StateSwitch StateTransformerTransformerComplementaryComplementaryOCL OTL BTLTransistorTransistorClass BClass BLF Power AMPLF Power AMPComplementaryComplementaryPower Amplifier 第21页/共57页Operating State of AmplifieriC2IB1 0 uCE1iC1IB2IB4IB30AC Load lineQ1Q1 Class AQ2Q2 Class BQ3Q3 Class ABQ4Q4 Class C第22页/共57页一一.Basic Circuit Push-Pull Complementary Power AMPO C L CC Circuit假设UBE(on)=0O T LUU第23页/共57页二二.Properties 单电源供电计算公式中Ucc用Ucc/2代入第24页/共57页UCCQ-UCCQAC load LineAC load LineIcm0 T/2UomT1导通T/2 TT2导通IB1IB1 0 uCE1iC10 iC2uCE2IB2IB4IB3IB5IB2IB4IB3IB5T1截止T2截止第25页/共57页 DISCUSSION DISCUSSIONPO PDC PCPomax0.4Pomax0.63611.27Pomax每管第26页/共57页Example：在双电源供电的在双电源供电的OCLOCL电路中，已知电路中，已知U UCCCC=20V=20V，R RL L=8=8。试求。试求(1)(1)输入信号输入信号U Uimim=10V=10V时时的的P PO O、P PDCDC、。(2)U(2)UCESCES=1V=1V时的时的P PO O、P PDCDC、。(3)(3)电路最大的电路最大的P PO O、P PDCDC、。Po=6.25W(1)=0.5 PDC=15.92W =39.25%Po=25W(3)=1 PDC=31.75W =78.5%Po=22.56W(2)=0.95 PDC=30.25W =74.58%第27页/共57页三三.Safe operating of Power Transistor安全工作Example：3DD3D的参数为：PCM=1W，UCEO=30V，ICM=0.3A，用它组成乙类推挽功放电路，计算可输出的最大功率。最大可输出2.25W功率第28页/共57页四四.Main Parameters集电极最大允许电流ICM 1.电流放大系数：2.极间反向电流：ICM UCEOPCM4.频率参数：f103.极限参数：反向击穿电压UCEO UCBO 集电极最大允许功耗PCM时第29页/共57页四四.Practical Circuits管子配对充分激励过载保护交叉失真解决加偏置采用复合管交流负载大於直流负载二极管保护第30页/共57页Crossover Distortion+Ui-+Uo-信号幅度一致R并电容恒流源代R3温度稳定性R R恒压偏置二极管代R加负反馈第31页/共57页恒压偏置恒压偏置+Ui-+Uo-R1负反馈第32页/共57页Transistors Matching组成复合管的原则 必须保证两管的基极电流能流通。必须保证两管的基极电流能流通。两管的两管的CBCB和和CECE可接在一起，但它可接在一起，但它 们不能和们不能和BEBE接在一起。即第一级接在一起。即第一级 CECE可与第二级的可与第二级的CBCB相连，不能与相连，不能与 第二级的第二级的BEBE相连。相连。复合管类型以第一个管子为准，复合管类型以第一个管子为准，等效等效为两管为两管 相乘。相乘。第33页/共57页错误错误达林顿管NPNBECNPNBCEPNPBCEPNPBCE第34页/共57页Enough Excitation自举电路第35页/共57页Protection Circuits第36页/共57页Practical CircuitRW2=22RW2=132第37页/共57页5.6 Main Properties of OP-AMP TYPES使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。据。通用型通用型 低功耗型低功耗型 高精度型高精度型 高阻型高阻型 宽带型宽带型 高压型高压型第38页/共57页0u+-u uo-UOMUOM 5.7 Basic Applications of OP-AMP 一.Ideal OP AMPuo=Aud(u+-u-)I+运放电压传输特性理想特性A Audud=r ri id d=r ro o=0=0 K KCMRCMR=Ideal OP AMP第39页/共57页Analysis of Ideal OP AMP 非线性工作区正饱和电压负饱和电压状态反转线性工作区(深度负反馈)I+uo=Aud(u+-u-)虚短虚断第40页/共57页二二.Inverting AmplifierFEATURESn 信号加在反相输入端n 反馈网络接在反相输入端 n 虚地=R1/RF第41页/共57页APPLICATIONSZFZ1功能 Z1 ZF R2 Uo符号变换 R R R/2 -Ui比例运算 R1 RF R1/RF积分运算 R1 CF R1微分运算 C1 RF RF第42页/共57页三三.Non-inverting AmplifierFEATURESn 信号加在同相输入端n 反馈网络接在反相输入端n 共模输入第43页/共57页APPLICATIONS-+UiUo跟随器跟随器-+UoRFR1R2UR 可可 变变 电电 压压 源源第44页/共57页Example 1 由理想运算放大器组成的电路中，由理想运算放大器组成的电路中，当输入信号当输入信号ui=4Sint(V)时，画出输出信号时，画出输出信号u uo o的瞬态波形。的瞬态波形。6tuo(V)第45页/共57页Example 2 由理想运算放大器组成的电路中，由理想运算放大器组成的电路中，已知已知ui1=-2V，ui2=5V，ui3=5V，ui4=-10V，计，计算算u uo o。第46页/共57页5.8 Active Filter 滤滤波波器器是是一一种种频频率率选选择择电电路路，其其功功能能是是允允许许一一定定频频率率范范围围内内的的信信号号通通过过（称通带），而对不需要传递的频率范围的信号实现有效的抑制（称阻带）。（称通带），而对不需要传递的频率范围的信号实现有效的抑制（称阻带）。L PA PB RB PH P 滤波器以它能够通过和被抑制的相对频率范围来命名的。滤波器以它能够通过和被抑制的相对频率范围来命名的。第47页/共57页(b)Magnitude Versus-Frequency Au()Aum21Aum0o(a)Circuit R +RFR1 Cuoui一阶低通滤波器第48页/共57页第49页/共57页 高通滤波器和低通滤波器一样，有一阶和高阶滤波器。将低通滤波器中的电阻R和电容C对调即成为高通滤波器。二阶低通有源滤波器R +RFR1CuouiRC 一阶有源低通滤波器的滤波效果不够理想，采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤波效果。AuAum21Aum0o一阶二阶 幅频特性第50页/共57页高通滤波电高通滤波电路路33K第51页/共57页第52页/共57页 开关电容滤波器开关电容滤波器开关电容滤波器开关电容滤波器 开关电容是模拟开关与电容的组合，在时开关电容是模拟开关与电容的组合，在时钟信号控制下，完成电荷的存贮和转移。钟信号控制下，完成电荷的存贮和转移。时钟控制：S1、S2同时闭合，然后同时断开，S3、S4 同时闭合。开关电容相减器第53页/共57页开关电容积分器开关电容积分器 假定运算放大器是理想的，S1、S2分别受时钟1、2控制，在某一瞬间闭合，且初始状态Uc1=Uc2。第54页/共57页t=0t=0 时刻，时刻，S S1 1受时钟受时钟1 1 控制而合上，控制而合上，Ui 向电向电容容C1 充电，充电，U UC1C1充得充得电压为电压为 V V，然后，然后S S1 1，S S2 2 断开，断开，当当t t =5us5us 时，时，S S2 2受时受时钟钟2 2控制而合上。根控制而合上。根据据 可求出可求出 ，21第55页/共57页5.9 Selection and Uses of OP AMP 集成运算放大器的选择和使用调零单电源供电相位补偿输入、输出端保护第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页