1、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_,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,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 ,Auo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百 KCMR高: 70dB130dB,电压传输特性 uo= f (
2、ui),线性区： uo = Auo(u+ u),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, (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；(4) 频带无限宽；(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。,理想集成运算具有的特点:,3.1.1 集成运放的等效电路模型线性工作区,3.1 集成运放的等效电路模型,(a) 符号； (b) 传输特性； (c) 线性
3、放大区等效电路； (d) 正向饱和区等效电路； (e) 负向饱和区等效电路,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,图 3-1 理想运放的等效模型,理想运放工作在线性区的特点:,电压传输特性,因为 uo = Auo(u+ u ),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”,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。,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,电压传输特性,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或Uo(sat),(2) i+
4、= i 0,仍存在“虚断”现象,当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,3.1 集成运放的等效电路模型,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,：输入失调电压 ：等效输入噪声电压 ：等效输入噪声电流 ：共模输入阻抗 ：差模输入阻抗,：输出阻抗 ：经差模放大的输出电压 ：由共模引起的输出电压 ：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
5、必把数个参数放在一起分析。,图 3-2 运放的实际等效模型,3.2 实际运放电路的误差分析,由图3-2所示运放的实际电路模型可以看出，将实际集成运放看成理想运放进行分析是存在误差的。分析实际运放引进的误差， 其目的不仅在于了解运放电路的精度，更重要的是了解运放参数对电路性能的影响，为设计电路选用元件提供理论依据。图3-2所示模型虽然比较全面， 但参数较多，致使计算繁琐，实际工程计算中，可以进行合理的简化，突出主要问题。简化时应注意以下几点：(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
6、+=0，所以共模输入电压Uic0，CMRR引起的误差可以忽略不计。,(3) 同相输入时，由于反相输入端电压U-和同相输入端电压U+接近相等，故共模输入电压UicUi，CMRR引入的误差就不可忽略。(4) 可以将失调误差(由Uos、Ios引起)和增益误差(由A、Rid、Ro和CMRR引起的)分别考虑，然后叠加组合，得到总误差。如果讨论某个(些)参数的影响，则其他参数可视为理想的。例1 反相放大器电路如图3-3所示，设运放的开环电压增益A=104, Rid=1 M, R1=100k, Rf=1 M，求与理想运放比较， 它的闭环电压增益是多少? 相对误差是多少?,3.2 实际运放电路的误差分析,解
7、由于输入为低频信号，Uos和 IIB均可不予考虑， RCM可认为开路，Ro可认为为零。于是图3-3 可简化为图3-4。,图 3-4 图3-3 所示电路的等效电路,图3-3 反相放大器,3.2 实际运放电路的误差分析,由图可知 Uo=-AUid Uid是由Ui和Uo共同作用而产生的，利用叠加原理不难求得,3.2 实际运放电路的误差分析,于是增益的相对误差：,3.2 实际运放电路的误差分析,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），而开环电压放大倍数受温度的影响，很不稳定。采用深度负反馈可以提高其稳定性，此外
8、运放的开环带宽很窄，例如F007只有7Hz。无法适应交流信号的放大要求，加负反馈后可将带宽扩展（1+AF）倍，负反馈还可以改变输入、输出电阻、减小失真、提高稳定性等。所以要求集成运放工作在线性区，采用负反馈是必要条件。,在放大电路中信号的传输是从输入端到输出端，这个方向称为正向传输。反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路，与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端。反馈信号的传输是反向传输。放大电路无反馈也称开环，放大电路有反馈也称闭环。,3.3.2 反馈的基本概念,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。,无负反馈放大电路
9、方框图,3.3 运算放大器电路中的负反馈,3.3 运算放大器电路中的负反馈,3.3 运算放大器电路中的负反馈,3.3.3 负反馈的类型,根据反馈电路与基本放大电路在输入、输出端的连接方式不同，负反馈有以下四种类型。,反馈量取自输出电压为电压反馈，,反馈量以电流的形式出现，与输入信号进行比较为并联反馈；,在输入端,反馈量以电压的形式出现，与输入信号进行比较为串联反馈。,在输出端,取自输出电流为电流反馈；,R1,R2,uo,RF,+,RL,设某一瞬时 ui 为正，则此时 uo 也为正，同时反馈电压 uf 也为正。,净输入信号,小于输入信号，即 uf 的存在使净 输入信号减小，所以为负反馈。,反馈电
10、压,取自输出电压，并与之成正比， 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。,判别图示电路的反馈类型,1) 串联电压负反馈,首先用电位的瞬时极性判别 反馈的正、负。,3.3 运算放大器电路中的负反馈,串联电压负反馈方框图,3.3 运算放大器电路中的负反馈,uo,R1,R2,RF,+,RL,设某一瞬时 ui 为正，则此时uo 为负，各电流实际方向如图示。,净输入电流,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。,反馈电流,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,反馈。
11、,2) 并联电压负反馈,首先用电位的瞬时极性判别 反馈的正、负。,3.3 运算放大器电路中的负反馈,uo,R1,R2,RF,+,RL,id,if,ii,并联电压负反馈方框图,3.3 运算放大器电路中的负反馈,为负反馈； uf 与 ui 在输入端以电压形式作,反馈电压,与输出电流成比，故为电流反馈；,3) 串联电流负反馈,串联电流负反馈方框图,比较，两者串联，故为串联反馈。,R2,uo,R,+,RL,ud,+,uf,+,3.3 运算放大器电路中的负反馈,图中,4) 并联电流负反馈,并联电流负反馈方框图,3.3 运算放大器电路中的负反馈,3.3 运算放大器电路中的负反馈,反馈电路直接从输出端引出的
12、，是电压反馈；从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈；(也可将输出端短路，若反馈量为零，则为电压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。) 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈； 对串联反馈，输入信号和反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈； 对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。,如何判别电路中反馈类型小结,例2 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。,uo,uo1,RL,R,A1,A2,解 反馈电路从 A2 的输出端引出，故为电压反馈；,
13、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。,uo,ui,R,uo1,ii,RL,A1,A2,id,if,a,例 3 判别图示电路从 A2 输出端引入 A1 输入端的反馈类型。,解 反馈电路从 RL 靠近“地”端引出，为电流反馈；,反馈电流 if 和 ii 输入电流加在 A1 的 同一个输入端，故为并联反馈；,设为 ui 正，则 uo1 为正， uo 为负。反馈电流实际方向如图所示，,净输入电流 id = ii if,减
14、小，故为负反馈；,并联电流负反馈。,闭环放大倍数 反馈深度 环路增益,3.4 负反馈放大电路的基本方程,闭环放大倍数的一般表达式,反馈网络的反馈系数,放大电路的闭环放大倍数,式中：,由于,称为环 路增益。,放大电路的开环放大倍数,反馈深度,称为反馈深度,相当于引入负反馈。,相当于引入正反馈。,相当于输入为零时仍有输出，故称为“自激状态”。,环路增益,环路增益 是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益，当 1时称为深度负反馈，相当于 1+ 1。于是闭环放大倍数,说明,在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数，与有源器件的参数基本无关。一般反馈网络是无源元件构成的，其稳定性优于有源器件
15、，因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定。,在此还要注意的是 、 和 可以是电压信号，也可以是电流信号。,1.当它们都是电压信号时， 、 、 无量纲， 和 是电压放大倍数。,2.当它们都是电流信号时， 、 、 无量纲， 和 是电流放大倍数。,3.当它们既有电压信号也有电流信号时， 、 、 有量纲， 和 也有专门的放大倍数称谓。,3.5 负反馈对放大电路性能的影响,对通频带 的影响,对输出 电阻的 影响,对输入 电阻的 影响,对增益 的影响,对非线性 失真的影响,对噪声、 干扰和温漂 的影响,负反馈是改善 放大电路性能的重要技术 措施，广泛应用于放大电路 和反馈控制系统之中。,负反馈对增益的影响,有
16、反馈时增益的稳定性比无反馈时提高了(1+AF)倍。,引入深度负反馈后，放大电路的增益由反馈网络决定，与基本放大电路无关。,负反馈对非线性失真的影响,负反馈可以改善放大电路的非线性失真，但是只能改善反馈环内产生的非线性失真，而对反馈环外产生的非线性失真不起作用。,开环传输特性,闭环传输特性,负反馈改善了波形失真,负反馈改善非线性失真,加入负反馈,无负反馈,F,uf,uo,略大,略小,略小,略大,接近正弦波,负反馈对噪声的影响,负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用。,负反馈对通频带的影响,加了负反馈之后，放大器的通频带变宽，但放大器的增益减小。即增益与通频带之积为常数。,负反馈对输入电阻的影响
17、,负反馈对输入电阻的影响与反馈加入的方式有关，即与串联或并联反馈有关，而与电压或电流反馈无关。,1.串联负反馈使输入电阻增加,式中Ri =rid 。,2.并联负反馈使输入电阻减小,负反馈对输入电阻的影响,负反馈对输出电阻的影响,电压负反馈可以使输出电阻减小，这与电压负反馈可以使输出电压稳定是相一致的。输出电阻小，带负载能力强，输出电压的降落就小，稳定性就好。以串联电压负反馈为例，有,(1) 电压负反馈使输出电阻减小,(2) 电流负反馈使输出电阻增加,电流负反馈可以使输出电阻增加。,电流并联负反馈为例，将负载电阻开路，在输出端加入一个等效的电压Vo，并令输入信号源为零，即VS =0。可得,负反馈
18、对输出电阻的影响,四种类型的负反馈放大电路,对放大电路输入电阻和输出电阻的影响,四种负反馈对 ri 和 ro 的影响,ri,ro,减低,增高,增高,增高,增高,减低,减低,减低,思考题：为了分别实现：(a) 稳定输出电压； (b) 稳定输出电流；(c) 提高输入电阻； (d) 降低输出电阻。 应引入哪种类型的负反馈？,3.6 负反馈放大电路的稳定问题,但如果反馈过深，有时放大电路就不能稳定工作，而产生震荡现象，称电路自激。,3.6.1负反馈放大电路的自激及稳定工作的条件,当 时，相当于放大倍数无穷大，电路无输入，放大电路也有输出，这时放大电路产生自激。,负反馈对放大电路性能的改善取决于反馈深度
19、 或环路增益 的大小， 值越大，电路的性能越好。,负反馈放大电路要稳定工作就要破坏上述两个条件。,产生自激的条件,3.6.2 用波特图判断负反馈放大电路的自激,波特图的绘制 放大电路自激的判断 环路增益波特图的引入 判断自激的条件,波特图的绘制,有效地判断放大电路是否能自激的方法，是用波特图。波特图的Y 轴坐标是20lgA，单位是分贝，X 轴是对数坐标，单位是赫兹。有一个三极点直接耦合开环放大电路的频率特性方程式如下,其波特图如图3.6所示，频率的单位为Hz。,图3.6 以20lg|Av |为Y坐标的波特图,根据给定的频率特性方程，放大电路在高频段有三个极点频率fp1、fp2和fp3。105代
20、表中频电压放大倍数（100dB），于是可画出幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线。总的相频特性曲线是用每个极点频率的相频特性曲线合成而得到的。,图3.6 以20lg|Av |为Y坐标的波特图,相频特性曲线的Y坐标是附加相移A。当A=180时，即图中的S点对应的频率称为临界频率fc。当f= fc时反馈信号与输入信号同相，负反馈变成了正反馈，只要信号幅度满足要求，即可自激。,放大电路自激的判断,加入负反馈后，放大倍数降低，频带展宽，设反馈系数F1=10-4，闭环波特图与开环的波特图交P点，对应的附加相移A=90，不满足相位条件，不自激。,进一步加大负反馈量，设反馈系数F2=10-3，闭环波特图与开环
21、的波特图交P点，对应的附加相移A=135，不满足相位条件，不自激。,此时A虽不是-180，但反馈信号的矢量方向已经基本与输入信号相同，已进入正反馈的范畴，因此当信号频率接近106Hz时，即P点时，放大倍数就有所提高。,再进一步加大反馈量，设反馈系数F3=10-2，闭环波特图与开环波特图交P“点，对应的附加相移A=-180。当放大电路的工作频率提高到对应P“点处的频率时，满足自激的相位条件。,此时放大电路有 40 dB 的 增 益，AF=10010-2=1，正好满足放大电路自激的幅度条件，放大电路产生自激。,环路增益波特图的引入,由于负反馈的自激条件是 ，所以将以 20 为Y坐标的波特图改变为以
22、20 为Y坐标的波特图，用于分析放大电路的自激更为方便。由于,相当在以20 为Y坐标的波特图上减去即可到以环路增益20 为Y坐标的 波特图了。如图3.7所示。,在图3.7中，当F3=0.01时，MN线为20lg =0 dB。20lg =0 dB这条线与幅频特性的交点称为切割频率f0。 此时 =1，A=180，幅度和相位条件都满足自激条件，所以20lg =0dB这条线是临界自激线。,图3.7 环路增益波特图,在临界自激线上，从S点向左达到对应R点的频率时，此时A=135， 距A=180有m=45的裕量，这个m称为相位裕度。一般在工程上为了保险起见，相位裕度m45。,图3.7 环路增益波特图,图3
23、.7 环路增益波特图,仅仅留有相位裕度是不够的，也就是说，当A=180时，还应使 1，即反馈量要比 F=0.01再小一些，例如F=0.001，相当于图中的MN这条线。此时距线MN有Gm=-20 dB的裕量，Gm称为幅度裕度。工程上为保险起见，幅度裕度|Gm | 10 dB。,判断自激的条件,根据以上讨论，可将环路增益波特图分为三种情况，如图3.8所示。,(a)稳定:fcf0 ,Gm0dB (c)临界状态: fc=f0, Gm=0dB,图3.8 判断自激的实用方法,说明：1、fo是 时的频率2、fc是=-180时对应的频率。,fcf0 ,Gm 0 dB。从A=180出发，得到的Gm 0 dB，即AF 1，不满足幅度条件。,判断自激的条件归纳如下：,fc 0 dB。从A=180出发，得到的Gm 0 dB，即AF 1，满足幅度条件。,fc=f0 ,Gm= 0 dB。从A=180出发，得到的Gm= 0 dB，即AF=1。,稳定状态：,自激状态：,临界状态：,1)方法原则： 破坏幅值或相位条件2)最简便的方法： 调整反馈电阻阻值使 F下降 下降，即fo下降，使 fo 1M）引起自激的补偿方法,图(b)中所接的RC为输入端补偿法,常用于高速集成运放。,3.6.3 自激振荡的消除方法,图3.9 相位补偿,
