集成运算放大器的非线性应用电路课件.ppt

理想运放工作于线性区，因其放大倍数趋于无穷大，所以在输入端只要加一个非无穷小的电压，其输出就会超出其线性工作区，因此，只有电路引入负反馈，才能使其工作于线性区。,（3）理想集成运放工作于非线性区,电路中没有引入负反馈或引入的是正反馈，理想运放工作于非线性区。因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：,1. 比例运算电路,7.3 基本运算电路,为了保持运放差放输入级的对称性，同相输入端的电阻R2为uI=0时反相输入端的等效电阻： R2= R1/ Rf 。,电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。,（1）反相比例运算电路,思考题：如何提高图示电路的输入电阻？会带来什么问题？,T型网络反相比例运算电路,（2）同相比例运算电路,电压跟随器,反相求和运算电路,（1）求和运算电路,2.加减运算电路,同相求和运算电路,（2）加减运算电路,（提示：用叠加原理）,（解答：P321）,3.积分运算电路,4.微分运算电路,仿真,仿真,U,积分时限,应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。,积分电路的主要用途：,1. 在电子开关中用于延迟。2. 波形变换。例：将方波变为三角波。3. A/D转换中，将电压量变为时间量。4. 移相。,7.4 运放的非线性应用电路电压比较器,电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，输出为数字量 ；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”。,由于比较器的输出只有高、低电平两种状态，故其中的运放常工作在非线性区。从电路结构来看，运放常处于开环状态或加入正反馈。根据比较器的传输特性不同，可分为单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。,1、单限比较器单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。,图1 单限比较器电路和其传输特性,比较器输出电压由一种状态跳变为另一种状态时，所对应的输入电压通常称为阈值电压或门限电压，用UTH表示。可见，这种单限比较器的阈值电压UTH=UR。若UR=0，即运放反相输入端接地，则比较器的阈值电压UTH=0。这种单限比较器也称为过零比较器。利用过零比较器可以将正弦波变为方波，输入、输出波形如图2所示。,图2 简单过零比较器电路和输入、输出波形,2、 滞回比较器（迟滞比较器）单限比较器电路简单，灵敏度高，但其抗干扰能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复跳变，如图3所示。若用此输出电压控制电机等设备，将出现误操作。为解决这一问题，常常采用滞回电压比较器。,图3 存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形,滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，以获得正确、稳定的输出电压。电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回形状 。,图4 反相滞回电压比较器,滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回电压比较器两个门限电平UTH1和UTH2的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变，如图5所示。,图5 存在干扰时， 滞回比较器的输入、输出波形,小结:1、集成运算放大器的线性应用积分电路和微分电路2、集成运算放大器的非线性应用电压比较器和滞回比较器,第 7 章 集成运算放大电路基础,7.1 集成运放的基本组成 7.2 集成运放中的偏置电路 7.3 差动放大电路 7.4 功率放大电路 7.5 集成运算放大电路,7.1 集成运放的基本组成,图7-1-1 集成运算放大电路组成框图,一、输入级,差分电路，大大减少温漂。,二、中间级,采用有源负载的共发射极电路，增益大。,三、输出级,互补对称 电路，带负载能力强,四、偏置电路,电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。,实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,偏置：offset（平衡、中和或补偿）,7.2集成运放中的偏置电路,集成运放电路中的晶体管除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。偏置：offset（平衡、中和或补偿）,7.2.1 镜像电流源 (电流镜 Current Mirror),由于UBE1 = UBE2，V1与V2 参数基本相同，基准电流为IR，则由KCL,当满足 2 时，则,图 7-2-1,7.2.2 微电流源,在镜像电流源的基础上接入电阻 RE2。,引入Re使 UBE1 UBE0，且 IC1 IC0 ，即在 Re 值不大的情况下，得到一个比较小的输出电流 IC2 。,图7-2-2 微电流源,在共射放大电路中，为提高电压放大倍数的数值，可以增大RC，但为了维持晶体管的静态电流不变，增大RC的同时要提高电源电压。 可用电流源电路取代RC，则可在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，可得到很大的等效RC，称为有源负载。,7.2.3 电流源用作有源负载,图7-2-3 电流源用作有源负载,镜像电流源,放大管,一、 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象。,7.3差动放大电路,直接耦合放大电路的零点漂移现象,图 零点漂移现象,原因：电路中参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化等。 阻容耦合放大电路中，缓慢变化的漂移电压将降落在耦合电容上。 直接耦合放大电路中，漂移电压会逐级放大。放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。 采用高质量的稳压电源和使用经老化实验的元件可减少这类漂移，则温度就是产生零点漂移的主要原因。放大器件的参数受温度影响而使 Q 点不稳定。也称温度漂移。,二、抑制温度漂移的方法（1）引入直流负反馈以稳定 Q 点；,（2）利用热敏元件补偿放大器的零漂,图 利用热敏元件补偿零漂,（3）采用差分放大电路： 即采用特性相同的管子，使其温漂相互抵消。,差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。,一、电路的组成,利用射极电阻稳定Q点但仍存在零点漂移问题,T的UCQ变化时，直流电源V始终与之保持一致。,差动放大电路分析,采用与图（a）所示电路参数完全相同，管子特性也相同的电路,图 差动放大电路的组成(c),电路以两只管子集电极电位差为输出，可克服温度漂移。,共模信号输入信号uI1和uI2大小相等，极性相同。输出uo=uc1-uc2=0,差模信号输入信号uI1和uI2大小相等，极性相反。,差动放大电路也称差分放大电路（输入有差别输出才有变化量）。,差分放大电路的改进图,将发射极电阻合二为一、对差模信号RE中电流变化为零，相当短路，提高电压放大倍数。,典型差分放大电路,长尾式差分放大电路,便于调节静态工作点，电源和信号源能共地,1、对共模信号的抑制作用,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模放大倍数,电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。,射极电阻Re对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极的电位的变化。,7.3.1 长尾式差动放大电路,图7-3-3直流等效单边电路,2、静态分析,由于Rb较小，其上的电压降可忽略不计。,差分放大电路的四种接法, 双入、双出, 双入、单出, 单入、双出, 单入、单出,基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。,所谓“单端”指一端接地。,3、动态分析,图3.3.5差分放大电路加差模信号（a),分析时注意二个“虚地”,E点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。,负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。,输入差模信号uId时，经分压后，加在两个三极管分别为,1）双端输入双端输出电路,差模信号作用下的等效电路,图3.3.5差分放大电路加差模信号（b),动态参数,Rid=2(RB +rbe),Rod=2RC,共模抑制比,双端输出，理想情况,静态工作点,2）双端输入单端输出电路,注意：由于输出回路的不对称性，UCEQ1UCEQ2。,IEQ=(VEEUBEQ)2Re,IBQ=IEQ/(1+ ),图 双端输入、单端输出差分放大电路,图上图电路对差模信号的等效电路,动态分析,Rid=2(RB +rbe),Rod=RC,如输入差模信号：,共模电压增益：,如输入共模信号：,图3.3.10 共模信号作用下的双入单出电路,增大RE是改善共模抑制比的基本措施,2、单端输入、双端输出（射极耦合）,与双入双出的一样,图 单端输入、双端输出电路,动态分析,运用叠加定理：,与双入双出的一样,图 单端输入、双端输出等效电路(b),与双入单出的一样,3、单端输入、单端输出,图 单端输入单端输出电路,动态分析：与双入单出的一样。,7.3.2 恒流源式差动放大电路 为提高共模抑制比，可增大RE，但电阻太大不易制作，且为了保证同样的静态工作点，电源的电压也要较高。 为了采用较低的电源电压，以能有较大的等效电阻，可采用恒流源电路来取代RE。 恒流管，工作在放大区时，iC仅由iB决定，基本不变。,用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路,1、电路组成,V3，V4：恒流管，工作在放大区，iC仅由iB决定，基本不变。作用：能使iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。,复习,1、差分放大电路的类别,基本差分放大电路,长尾差分放大电路,恒流源式差分放大电路,2.差分放大电路的接法,FET差分放大电路,多级放大电路的输出级要驱动一定的负载，则要求最后一级不仅有大的电压输出，还要有较大的电流，即要求有足够的功率，用来向负载提供功率的电路为功率放大电路。OCL：正负双电源供电的互补对称功率放大电路。,7.4功率放大电路,基本OCL电路及输入输出波形，存在交越失真,在输入信号的正半周，V1导通，iC1流过负载；负半周，V2导通，iC2流过负载。 在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上 iL和UO基本上是正弦波。,静态时，输入输出电压均为零。,7.4.1 乙类双电源互补对称功率放大电路,电路工作状态甲类放大：输入正弦电压整个周期都有电流流过三极管，静态工作点Q大致在交流负载线中央。因有直流损耗，传输效率低于50；乙类放大：三极管只在输入正弦电压的半个周期内导通，通过两个管子交替工作完成对正弦信号的传递，每个管子只导通半个周期。上图又称乙类互补对称功率放大电路。,为减少交越失真，在两管的发射结提供一个微小的偏置电压，使管子在静态时处于临界导通或微导通状态，当加正弦电压时，可以即刻导通，则三极管的导通角度略大于半个周期，称为甲乙类放大，电路称为甲乙类互补对称功率放大电路（OCL电路）。,7.4.2 甲乙类双电源互补对称功率放大电路,为获得更大的功率输出，常提高电路的电流放大倍数，将两个三极管直接耦合起来，形成复合管即可,7.4.3 采用复合管的OCL电路,复合管互补对称 准互补对称（V2与V4同类型）,复合NPN,复合PNP,OTL电路：output transformerless，无输出变压器。,7.4.4 单电源互补对称功率放大电路,7.5集成运算放大电路,集成电路简称 IC (Integrated Circuit),集成电路按其功能分,数字集成电路,模拟集成电路,模拟集成电路类型,集成运算放大器；集成功率放大器；集成高频放大器；集成中频放大器；集成比较器；集成乘法器；集成稳压器；集成数/模或模/数转换器等。,集成电路的外形,集成电路的外形,(a)双列直插式,(b)圆壳式,(c)扁平式,集成运放的电路结构特点,一. 对称性好，适用于构成差分放大电路。,二. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。,三. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替电阻(特别是大电阻)。,四. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。,五. 集成电路中的 NPN、PNP管的值差别较大，通常PNP的 10 。常采用复合管的形式。,一、输入级,差分电路，大大减少温漂。,二、中间级,采用有源负载的共发射极电路，增益大。,三、输出级,互补对称 电路，带负载能力强,四、偏置电路,电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。,集成运放电路的组成及其各部分的作用,实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。,图 4.1.1集成运算的基本组成,7.5.1 集成运放电路,典型的集成运放,双极型集成运放 F007,CMOS 集成运放 C14573,一、引脚,4.3.1双极型集成运放 F007,F007 的引脚及连接示意图,(a),(b)连接示意图,二、电路原理图,图 F007 电路原理图,简化集成运算放大电路内部线路图,1. 偏置电路,至输入级,至中间级,基准电流：,基准电流产生各放大级所需的偏置电流。,各路偏置电流的关系：,IREF,I11,IC10,I3, 4,IC9,IC8,IC12,IC13,微电流源,镜像电流源,输入级,镜像电流源,中间级,输出级,图 4.3.1-1F007 的偏置电路,2. 输入级,T1、T2、T3、T4 组成共集 - 共基差分放大电路；T1、T2 基极接收差分输入信号。,T5、T6 有源负载；,T4 集电极送出单端输出信号至中间级。,uO,RW 调零电阻，R 外接电阻。,T7 与R2 组成射极输出器。,图 4. 3. 1-2,若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为：,(1). T1、T2 共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。(2). 共基组态的 T3、T4，与有源负载 T5、T6 组合，可以得到很高的电压放大倍数。,(3). T3、T4 共基接法能改善频率响应。(4). 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。,图 4.3.1.2 简化示意图,3. 中间级,输入来自 T4 和 T6集电极；,输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极。,中间级 T16、 T17 组成复合管， T13 作为其有源负载。,8、9两端外接30pF 校正电容防止产生自激振荡。,4. 输出级,图 4.3.1-4F007 输出级原理电路,T14、 T18 、T19 准互补对称电路；,D1、 D2 、R9、R10 过载保护电路；,T15 、R7、R8 为功率管提供静态基流。,调节 R7、R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为 UBE 倍增电路。,7.5.2 集成运放的主要参数,一、开环差模电压增益 Aod,一般用对数表示，定义为,单位：分贝,理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 140 dB。,二、输入失调电压 UIO,三、输入失调电压温漂 UIO,定义：,为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。,一般运放：UIO 为 1 10 mV；,高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。,定义：,一般运放为 每度 10 20 V；,高质量运放低于每度 0.5 V 以下；,四、输入失调电流 IIO,五、输入失调电流温漂 IIO,当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即,定义：,一般运放为 几十 一百纳安；高质量的低于 1 nA。,定义：,一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。,六、输入偏置电流 IIB,七、差模输入电阻 rid,八、共模抑制比 KCMR,定义：,输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。,定义：,一般集成运放为几兆欧。,定义：,多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。,九、最大共模输入电压 UIcm,输入端所能承受的最大共模电压。,十、最大差模输入电压 UIdm,反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。,十一、 - 3 dB带宽 fH,表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。,集成运放的低频等效电路,考虑各种失调因素时等效电路图,不考虑各种失调因素的电路图,7.5.3理想运放,一、理想运放的性能指标,开环差模电压增益 Aod = ；,输出电阻 ro = 0；,共模抑制比 KCMR = ；,差模输入电阻 rid = ；,UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；,输入偏置电流 IIB = 0；,- 3 dB 带宽 fH = ，等等。,理想运放工作区：线性区和非线性区,二、理想运放在线性工作区,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,理想运放工作在线性区特点：,1. 理想运放的差模输入电压等于零,即,“虚短”,2. 理想运放的输入电流等于零,由于 rid = ，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,图 集成运放的电压传输特性,理想运放工作在非线性区特点：,当 uP uN时，uO = + UOM当 uP uN时, uO = - UOM,1. uO 的值只有两种可能,在非线性区内，(uP - uN)可能很大，即 uP uN。 “虚地”不存在,2. 理想运放的输入电流等于零,