第三章集成运算放大器.ppt

第三章第三章 集成运算放大器集成运算放大器3-1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍3-2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用3-3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用3-5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题3-4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用将整个电路的各个元件以及相互之间的连接做在将整个电路的各个元件以及相互之间的连接做在同一个半导体芯片上同一个半导体芯片上集成电路优点集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小集成电路分类集成电路分类：按功能分：模拟、数字集成电路；按功能分：模拟、数字集成电路；按导电类型分：单极型、双极型集成电路；按导电类型分：单极型、双极型集成电路；按集成规模分：小、中、大、超大规模集成电路；按集成规模分：小、中、大、超大规模集成电路；3.13.1 集成运算放大器芯片集成运算放大器芯片3.1.1集成电路集成电路的概念的概念集集 成成 电电 路路:特点：特点：1.电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。2.输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。3.NPN管和管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能。管配合使用，从而改进单管的性能。4.大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。3.1.2 集成运算放大器的原理电路集成运算放大器的原理电路T3T4T5T1T2IS与与uo反相反相 u+u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端与与uo同相同相输输入入级级中中间间级级输输出出级级对输入级要求对输入级要求：尽量减小零漂尽量减小零漂,提高提高KCMRR，输入阻抗输入阻抗ri 尽可能大尽可能大对中间级要求对中间级要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级要求对输出级要求：带负载能力强带负载能力强,有足够的输出电流有足够的输出电流io .输出阻抗输出阻抗ro小小3.1.3 集成运放芯片集成运放芯片uu+uo uo国际符号国际符号国内符号国内符号三种封装形式：三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装已经不用已经不用正在使用正在使用反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端u+u-u0 均为对地均为对地电压电压 u-u+u+u-uo1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数AuoAd是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一般在是在开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。一般在 104 107之间。理想运放的之间。理想运放的Ad为为。2.最大输出电压最大输出电压UOPP能使输出电压和输入电压保持不失能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。真关系的最大输出电压。3.输入失调电压输入失调电压UIO理想运放，当两输入接地时，输出电理想运放，当两输入接地时，输出电压为压为0，但实际中由于元件参数的不对，但实际中由于元件参数的不对称型，输入为称型，输入为0时输出并不为时输出并不为0.即若要即若要输出为输出为0，必须在输入端加一个很小的，必须在输入端加一个很小的补偿电压，这就是输入失调电压。补偿电压，这就是输入失调电压。UIO一般为几毫伏，其值越小越好。一般为几毫伏，其值越小越好。3.1.4 集成运放的主要参数集成运放的主要参数4.输入失调电流输入失调电流IIO3.1.4 集成运放的主要参数集成运放的主要参数5.输入偏置电流输入偏置电流IIB6.共模输入电压范围共模输入电压范围UICM当两输入为当两输入为0时，两个输入端静态基极时，两个输入端静态基极电流之差。电流之差。IIO一般为零点零几到零点一般为零点零几到零点几微安级，其值越小越好。几微安级，其值越小越好。当两输入为当两输入为0时，两个输入端静态基极时，两个输入端静态基极电流的平均值。电流的平均值。IIB一般为零点几微安一般为零点几微安级，其值越小越好。级，其值越小越好。运放对共模信号具有抑制的性能，但运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内这个性能是在规定的共模电压范围内才具备，如超出这个电压，运放的共才具备，如超出这个电压，运放的共模抑制比性能就大为下降，甚至造成模抑制比性能就大为下降，甚至造成器件损坏。器件损坏。ri 大大:几十几十k 几百几百 k 3.1.5 理想运算放大器的概念理想运算放大器的概念KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A o 很很大大:104 107 uou+u-1.理想运算放大器的条件理想运算放大器的条件 ri =KCMMRR =ro =0 0Ao =uo2.电压传输特性电压传输特性uo实际传输特性实际传输特性理想传输特性理想传输特性线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区线性区非线性区 在电路的分析中，用理想运放取代实际运放后的计算误差大约是万分之几。虚短路及虚断路是电路的分析的入手点。运放工作在线性区时，两个重要假设运放工作在线性区时，两个重要假设：虚短路虚短路虚断路虚断路因 为有限值，且因 uo例：例：F007运放的正负电源电压为运放的正负电源电压为15 V，开环电压放大倍，开环电压放大倍数为数为Auo=2*105，输出最大电压为，输出最大电压为13 V，分别加下列输，分别加下列输入电压，求输出电压及其特性入电压，求输出电压及其特性(1)u+=+15V,u-=-10V(2)u+=-5V,u-=+10V(3)u+=0V,u-=+5mV(4)u+=5mV,u-=0V思路：运放工作在线性区还是非线性区思路：运放工作在线性区还是非线性区3.2.1 比例运算电路比例运算电路3.2 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。虚短路虚短路放大倍数与负载无关，可以放大倍数与负载无关，可以分开分析。分开分析。虚断路虚断路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点理想运放理想运放在线性工在线性工作区：引作区：引入（深度）入（深度）负反馈负反馈i1=i2uo_+R2R1RPuii1i2 放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚断路虚断路一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP=R1 /R2uo_+R2R1RPuii1i2当当R1=R2时，反相器，时，反相器，此时此时uo=ui作用：消除静态基作用：消除静态基极电流对输出电压极电流对输出电压的影响的影响_+10kR2uii1i1例：求开关断开闭例：求开关断开闭合时的电压放大倍合时的电压放大倍数数uo1k1k1kif二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui虚短路虚短路虚断路虚断路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。同相比例电路的特点：同相比例电路的特点：1.Au为正，并且总是大于等于为正，并且总是大于等于1，不会小于，不会小于12.R1=（断开）或（断开）或RF=0时，电压跟随器时，电压跟随器_+uiuo三、电压跟随器三、电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。求求uo的大小的大小_+15Vuo15k15k7.5k例16.2.3，见书P1003.2.2 加减运算电路加减运算电路作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为 0二、同相求和运算二、同相求和运算-R1RF+ui1uoR21R22ui2R三、加减运算电路三、加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：解出：加减运算电路的特例：差分比例运算电路加减运算电路的特例：差分比例运算电路例题例题：设计一个加减运算电路，设计一个加减运算电路，RF=240k，使使uo=10ui1+8ui2-20ui3解解:(1)画电路。画电路。系数为负的信系数为负的信号从反相端输号从反相端输入，系数为正入，系数为正的信号从同相的信号从同相端输入。端输入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)求各电阻值。求各电阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui33.2.3 微分运算电路与积分运算电路微分运算电路与积分运算电路u=u+=0uit0t0uou i+uoRR2i1iFC若输入：若输入：则：则：一、微分运算一、微分运算i1iFtui0tui0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。ui-+RR2Cuo二、积分运算二、积分运算应用举例应用举例1 1：tui0tui0U-UomTM积分时限积分时限应用举例应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，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输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。饱和。思考：思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。自己计算。3.3 集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 运放工作在开环、正反馈时，其输出电压与输入电压是非运放工作在开环、正反馈时，其输出电压与输入电压是非线性关系。线性关系。此时，需要对集成运放进行必要的保护。此时，需要对集成运放进行必要的保护。输入端的两个反并联的二极管使输入端的两个反并联的二极管使 ，输出端的两个反串联的稳压管使输出电压限制在输出端的两个反串联的稳压管使输出电压限制在 范围内范围内。输出端的电阻输出端的电阻 起到限流的作用，防止输出短路。起到限流的作用，防止输出短路。3.3.1 有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种选频电路。滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。外的信号不易通过，衰减很大。无源滤波器：无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。由电阻、电容和电感组成的滤波器。有源滤波器：有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。含有运算放大器的滤波器。缺点：缺点：低频时体积大，很难做到小型化。低频时体积大，很难做到小型化。优点：优点：体积小、效率高、频率特性好。体积小、效率高、频率特性好。按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。带阻等。1.有源低通滤波器有源低通滤波器uiuoRFuCCR+R1+设输入为正弦波信号设输入为正弦波信号,则有则有故：故：若频率若频率 为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数其模为其模为 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O 当当 0时，时，|T(j)|衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的信号的信号顺利通过，衰减很小，而使高于顺利通过，衰减很小，而使高于 0的信号不易通过，衰减很大，的信号不易通过，衰减很大，称一称一 阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，时信号衰减得更快些，常将两节常将两节RC滤波环节串接起滤波环节串接起来，来，组成二阶有源低通滤波组成二阶有源低通滤波器。器。uoRFCR+R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O2.有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故：可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。若频率若频率若频率若频率 为变量，则为变量，则为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数电路的传递函数电路的传递函数其模为其模为 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号1.1.电路电路3.3.2 采样保持电路采样保持电路 SuC+ui+uo+采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模-数转换电路（数转换电路（A/D）之前之前。由。由于于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。用于数字电路、计用于数字电路、计算机控制及程序控制算机控制及程序控制等装置中。等装置中。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器2.工作原理工作原理17.3.2 采样保持电路采样保持电路1.电路电路采样阶段采样阶段：uG为高电平，为高电平，S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)，ui对存储电容对存储电容C充电，充电，uo=uC=ui。保持阶段保持阶段：uG为为 0，S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样脉冲采样脉冲采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+ui+uo+电压比较器输出电压与输入电压的关系为电压比较器输出电压与输入电压的关系为u u0=0=f f(u uI I)。1.单限比较器 单限比较器中的集成运放工作在非线性区，所以电路不是工作在开环状态，就是引入了正反馈。使输出电压发生高、低电平变化的输入电压值称为阀值电压或转折电压，记作UT。功能：比较两个电压的大小，根据结果的不同输出两个不同的功能：比较两个电压的大小，根据结果的不同输出两个不同的电平。电平。3.3.3 电压比较器电压比较器ui UR，uo=+UOMui UR，uo=UOMURuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+U UOMOM+U UOMOMuiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性电压传输特性 U UOMOM +U UOMOMuiuoOURURuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+Ot+UOM UOMuo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot+UOM UOMt1t2过零比较器构成限幅电路若集成运放输出电压的最大幅值为UOM，则且当时，正向导通，稳压，所以当时，正向导通，稳压，所以 从以上分析可知，为求解电压传输特性，必须求出以下三个要素：(1)输出高电平UOH 和输出低电平UOL，由限幅电路决定(2)阀值电压UT ，它是使集成运放的净输入电压为零时 的输入电压，即使 u+=u-时的uI(3)当uI 变化经过UT 时，u0的越变方向是从U0L变化到 U0H，还是从U0H 变化到U0L，这取决于输入信号是作 用于同相输入端，还是作用于反向输入端。例：画出例：画出u0、u0及及uL的波形，设的波形，设ui=Umsinwt2.滞回比较器 单限比较器的抗干扰性较差，而滞回比较器可克服此缺陷。因为引入了正反馈，所以其工作在非线性区。可见，u0从+UZ越变为-UZ和从-UZ越变到+UZ的阀值是不同的。例:如图所示中，uI如图所示，试画出u0波形。解：可见，滞回比较器将任意波形按照阀值电压UT转换成了矩形波。-2 0 2 4 6 8例:如图所示中，试求电压传输特性。解：63-3-6当当3.4 运放在波形产生方面的应用运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。三角波、锯齿波等）。特点：特点：不用外接输入信号，即有输出信号。不用外接输入信号，即有输出信号。3.4.1 矩形波发生器矩形波发生器1.1.电路结构电路结构电路结构电路结构 由滞回比较器、由滞回比较器、由滞回比较器、由滞回比较器、RCRC充放电电路组成，充放电电路组成，充放电电路组成，充放电电路组成，电容电压电容电压电容电压电容电压u uC C 即是比较器即是比较器即是比较器即是比较器的输入电压，的输入电压，的输入电压，的输入电压，电阻电阻电阻电阻R R2 2两端的电压两端的电压两端的电压两端的电压U UR R即是比较器即是比较器即是比较器即是比较器的参考电压。的参考电压。的参考电压。的参考电压。2 2、工作原理、工作原理门限电压门限电压产生方波产生方波时时使使又使又使时，时，时，时，A A1 1：滞回比较器滞回比较器滞回比较器滞回比较器 因因因因 u u =0 =0，所以当所以当所以当所以当 u u+=0 =0 时时时时，A A1 1状态改变状态改变状态改变状态改变3.4.2 三角波发生器三角波发生器电路结构电路结构电路结构电路结构A A2 2：反相积分电路反相积分电路反相积分电路反相积分电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1 工作波形工作波形工作波形工作波形3.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器 电路电路电路电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1三角波发生器三角波发生器三角波发生器三角波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R 4 4D D在三角波在三角波在三角波在三角波发生器的发生器的发生器的发生器的电路中，电路中，电路中，电路中，使积分电使积分电使积分电使积分电路的正、路的正、路的正、路的正、反向积分反向积分反向积分反向积分的时间常的时间常的时间常的时间常数不同，数不同，数不同，数不同，即可使其即可使其即可使其即可使其 输出锯齿输出锯齿输出锯齿输出锯齿波。波。波。波。2.2.波形波形波形波形3.4.3 锯齿波发生器锯齿波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R4 4 D D1.1.电路电路电路电路t tU UZ Z U UZ Zu uo ou uo1o1Ou uo o在分析集成运放应用电路时应注意以下几点：在分析集成运放应用电路时应注意以下几点：1.1.一般情况下均将集成运放看作理想元件；一般情况下均将集成运放看作理想元件；2 2.集集成成运运放放只只有有两两个个工工作作区区域域，凡凡是是工工作作在在线线性性区区的的均均可可用用表表达达式式来来描描述述输输入入输输出出信信号号的的运运算算关关系系，凡凡是是工工作作在在非非线线性性区区的的均均可可用用关关系系曲曲线线来来描描述述输输入入输输出出的的函函数数关关系系；3 3.复复杂杂电电路路是是由由简简单单电电路路组组合合而而成成的的，在在分分析析复复杂杂电电路路时时，应应首首先先将将其其分分解解成成若若干干简简单单电电路路，分分别别分分析析每每个个集集成成运运放放的的工工作作状状态态、输输入入输输出出关关系系和和主主要要功功能能，然然后后找找出出各各部部分分电电路路之之 间间 的的 相相 互互 关关 系系，最最 终终 找找 到到 整整 个个 电电 路路 的的 工工 作作 原原 理理。第三章第三章 总结总结1、运算放大器的传输特性曲线、运算放大器的传输特性曲线2、运算放大器在线性区和非线性区的特点、运算放大器在线性区和非线性区的特点3、运放放大器在线性方面的应用：比例运算、加减法运、运放放大器在线性方面的应用：比例运算、加减法运算、积分运算和微分运算。算、积分运算和微分运算。4、运算放大器在非线性方面的应用：电压比较器、运算放大器在非线性方面的应用：电压比较器例例1 1：写出如图所示电路的输出电流：写出如图所示电路的输出电流i i0 0与与E E的关系式，并说的关系式，并说明其功能。当负载电阻明其功能。当负载电阻R RL L发生变化时，输出电流有无发生变化时，输出电流有无变化？变化？例例2 2：如如图图是是监监控控报报警警装装置置，如如需需对对某某一一参参数数（如如温温度度、压压力力等等）进进行行监监控控时时，可可由由传传感感器器取取得得监监控控信信号号u ui i，U UR R是是参参考考电电压压，当当u ui i超超过过正正常常值值时时，报报警警灯灯亮亮，是是说说明明其其工工作作原原理理。二二极极管管D D和和 电电 阻阻R R3 3在在此此起起何何作作用用？运放处于开环工作状态，为比较器。当运放处于开环工作状态，为比较器。当u ui iUUUR R时，时，u u0 0=U=UOMOM,T,T处于饱和状态，处于饱和状态，I IC C很大，报警很大，报警指示灯亮，此时报警。指示灯亮，此时报警。R R3 3为限流电阻，使为限流电阻，使T T饱和时，饱和时，I IB B不至于过大，不至于过大，D D为保护二极管，当为保护二极管，当T T处于截止时，不至于使处于截止时，不至于使T T发发射结反向电压过大。射结反向电压过大。