第7章 正弦波信号发生器的设计,7.1 集成运放电路概述,7.2 差分式放大电路,7.3 集成运算放大电路的主要参数,7.4 集成运算放大电路的应用,7.5 正弦波振荡电路,7.6 RC桥式振荡电路,7.7 LC正弦波振荡电路,7.8 石英晶体振荡电路,7.9 正弦波信号发生器的设计,7.1 集成运算放大电路概述,1 集成运算放大器的特点,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,集成电路分类,模拟集成电路:,数字集成电路,集成运算放大器、集成,功率放大器、集成稳压电源、集成A/D,D/A等。,在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采,（1）级间采用直接耦合方式,用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。,（2）电路结构和参数具有对称性,集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为10030K，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。,由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好,（3）用有源器件代替无源器件,2、集成运算放大器电路组成,输入级：采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小 零点漂移和抑制干扰信号。,中间级：主要进行电压放大，一般由共发射极放大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。,输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，提高带负载能力。,偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为以上三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。,3、集成运算放大器的符号,运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。,运算放大器外形图,7.2、差分式放大电路,7.2.1. 基本差分式放大电路,集成运算放大器实质上就是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路。直接耦合放大电路的主要缺点是存在零点漂移问题。,所谓零点漂移，指的是当无信号输入时，由于工作点不稳定被逐级放大，在输出端出现静态电位缓慢不规则地变化的现象。,产生零点漂移的原因:如电源电压的波动、元件参数随温度的变化、元器件的老化等。在多级放大电路中，第一级的漂移影响尤为重要，必须采取措施有效地抑制零点漂移。为此，集成运放的输入级常采用差分放大电路来有效地抑制零点漂移。 差分放大电路又称差动放大电路，是放大两个输入信号之差。由于它在电路和性能方面有很多优点，因而成为集成运放的主要组成单元。,注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。,7.2.1 差动放大电路的工作原理,(Differential Amplifier),1、电路组成,特点： a.两只完全相同的管子； b.两个输入端， 两个输出端； c.元件参数对称；,（2）负电源VEE的作用。射极电阻Re越大，其抑制零点漂移的作用就越强，但Re取值太大会使其上直流压降也增大，若仅靠VCC供电，就会使IC减小，使管子的静态工作点下降，进而导致管子动态范围减小，甚至影响放大电路正常工作。引入负电源VEE，可以补偿Re上的直流管压降，使电路有合适的静态工作点，不会导致管子的动态范围太小，并且由于负电源VEE直接为两管设置偏置电流，因此也可去掉偏置电阻Rb。,（1）射极电阻Re的作用。引入直流负反馈，抑制每只管子产生的漂移，从而抑制温度变化对静态工作点的影响，稳定电路的静态工作点，并且Re越大，静态工作点越稳定。,2. 工作原理,静态时，ui1=ui20，由于电路完全对称，因此UBE1UBE2，IBQ1IBQ2，ICQ1ICQ2，UCEQ1=UCEQ2，而UoVC1VC20，即静态时输出电压为零。,当环境温度变化时，两管的参数发生变化，则差动放大电路的两管的静态工作点也发生变化。由于T1、T2两管的特性和温度特性完全相同，温度变化相同，因此两管的集电极电流变化相等，即IC1IC2，两管的集电极电位变化也相等，即UC1UC2，则输出电压为Uo(UC1UC1)(UC2UC2)0。,因此，当温度变化时，输出电压仍为零，可有效抑制零点漂移。 由以上分析可知，在理想情况下，由于电路的对称性，输出信号电压采用从两管集电极间提取的双端输出方式，对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。,为了更好地分析差分放大电路的特性，定义差分放大电路的输入信号为两种形式：差模信号和共模信号。 差模信号：即在电路的两个输入端加上一对大小相等、极性相反的信号，即ui1=ui2； 共模输入：就是在电路的两个输入端加上一对大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2。 设差分放大电路的两个输入信号分别为ui1和ui2，两个单边放大器的放大倍数分别为Au1、Au2，则两个集电极之间的输出电压为uo=uo1uo2=Au1ui1-Au2ui2 由于电路对称，Au1=Au2ui2=Au，因此 uo=Au(ui1ui2) 表明，差分放大电路只放大差模信号，抑制共模信号。差分放大电路也因此而得名。 在差分放大电路中，无论是温度变化还是电源电压波动，都会引起两管集电极电流及相应集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加了共模信号，差分放大电路抑制共模信号，也就是抑制了零点漂移。,3. 动态分析,4. 主要技术指标的计算,（1）差模电压放大倍数Aud。 若输入为差模信号，即 ，则因一只管子的电流增加，另一只管子的电流减小，在电路对称的情况下，iC1的增加量等于iC2的减少量，所以流过Re电阻的电流ie不变， ，故其交流通路如图所示。,当从两管集电极作双端输出时，其差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同，即,上式表明，在电路完全对称，双端输入、双端输出的情况下，差分放大电路对差模信号的电压放大倍数等于单边电路的放大倍数。差分放大电路是用成倍的元器件来换取抑制零点漂移的能力。 当集电极c1、c2两点间接入负载电阻RL时，由于输入的是差模信号，两管输出信号电压大小相等，相位相反，即RL的中点相当于零电位，即每管的交流负载电阻是RL/2,Rod =2Rc,（2）差模输入电阻Rid和输出电阻Rod。,从微变等效电路可知，差模输入电阻和差模输出电阻分别为,Rid =2 rbe,（3）共模抑制比 差动放大器的差模放大倍数与共模放大倍数的比值定义为共模抑制比，即,KCMR越大，表明电路抑制共模信号的能力越强。在理想情况下，基本差分放大电路如由双端输出，Auc=0，KCMR=。实际上差分放大电路很难做到完全对称，即，其共模抑制比KCMR为60dB80dB。 若采用单端输出时，输出信号中将既有差模信号，又有共模信号。此时基本差分放大电路主要依靠公共发射极电阻Re引入负反馈，来稳定静态工作点，减小零点漂移，达到提高共模抑制比的目的。,7.2.2具有恒流源的差动放大电路,基本差分放大电路引入Re后，可以提高共模抑制比，Re的阻值越大，对共模信号的负反馈作用就越强，共模抑制比越大。但是Re上的直流压降也随着Re阻值的增加而增大，在管子和元件确定后，阻值增加，必然使管子的静态工作点降低，若要保证管子的静态工作点不变，则必须加大电源电压VEE。这样做在实际中很不经济，而且在集成电路中不易制作高阻值的电阻。为此，人们希望有一种可变电阻来替代Re，这种电阻应具有直流电阻小，而交流电阻大的特点。由晶体管构成的恒流源电路正好具有这个特性，如图7-6所示为带恒流源的差分放大电路。,IC3为恒流源的输出电流，当VEE、R1、R2、R3、VT3选定后，IC3就恒定，恒流源的输出电阻Ro3就等效于Re。,7.3、集成运算放大器的主要参数,1. 开环差模电压增益 Aud,Aud是指集成运放在没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数，也称开环电压增益。,Aud一般在80140dB，即104107。,2最大输出电压Uopp,集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电源电压有关。,3输入失调电压UIO,要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为几毫伏，理想集成运放的UIO为零。,4输入失调电流IIO,输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极电流之差，一般在零点零几微安级， IIO越小越好。,5输入偏置电流IIB,输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。,6最大共模输入电压UICM,允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于UICM时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。,7最大差模输入电压UIDM,两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过UIDM，将引起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。,8共模抑制比KCMR,主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。,7.4、理想运算放大电路的应用,1理想运算放大电路的主要条件,开环差模电压放大倍数无穷大 Auo ， 差模输入电阻无穷大 rid ， 开环输出电阻为零 Ro 0 ， 共模抑制比无穷大 KCMR ,2运算放大器传输特性与基本工作方式,线性区,理想特性,实际特性,饱和区,线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),理想运算放大器,3. 理想运放工作在线性区的两条分析依据,1)由于Auo，而输出电压uo是一个有限的数值,uo = Auo(u+ u ),称为“虚短”。,2) rid，且u+u-0,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。,7.4.2 基本运算电路,集成运算放大器引入适当的反馈，可以使输出和输入之间具有某种特定的函数关系，如比例、加法、减法、积分、微分、对数与反对数、乘除等运算。,一、比例运算,1反相输入比例运算电路,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。,因要求静态时u+、 u 对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 / RF,反相比例运算,因虚短, 所以u=u+= 0，称反相输入端“虚地”,因虚断，i+= i = 0 ，,所以 ii if,2.同相比例运算电路,输出电压,同相比例运算电路,根据虚断 I-= I+ 0,根据虚短 V+ V- Vi,Ii,If,3、加法运算,（1）反相加法运算,R3 = R1 / R2 / Rf,iF i1 + i2,若 Rf = R1= R2,则 uO = (uI1+ uI2),R2 / R3 / R4 = R1/ Rf,若 R2 = R3 = R4 ，,则 uO = uI1+ uI2,Rf = 2R1,（2）同相加法运算,法 1：利用叠加定理,uI2 = 0,uI1 使：,uI1 = 0,uI2 使：,一般,R1 = R1； Rf = Rf,uO = uO1 + uO2,= Rf / R1( uI2 uI1 ),法 2：利用虚短、虚断,uo = Rf /R1( uI2 uI1 ),减法运算实际是差分电路,3