运放的常见应用方法.ppt

山西财贸职业技术学院应用电子系:薛香娥,电工电子,第8章集成运算放大器,教学目的要求,了解差动放大器，放大电路中的负反馈，理解集成运放构成及特点，理想运放及其分析依据(理想化条件)，掌握运放应用电路:比例放大、加减法，微积分运算电路。,集成运算放大器,第一节集成运算放大器基本组成,1、集成运算放大器基本组成2、差动放大电路结构、零点漂移的概念,集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；,集成概念,集成运放的组成,集成运算放大器实质上是一种双端输入、单端输出，具有高增益，高输入阻抗、低输出阻抗的多极直接耦合放大电路。当给他施加不同的反馈网络时，就能实现模拟信号的多种数学运算功能（如比例、求和、求差、积分、微分），故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。,集成运放内部组成框图,图8-1集成运放内部组成框图,输入级输入级又称前置级，它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。中间级中间级是整个放大电路的主要放大电路。其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载。其电压放大倍数可达千倍以上。,输出级输出级具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强），非线性失真小等优点。多采用互补对称发射极输出电路。偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分立元件不同，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。,电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,二极管一般用三极管的发射结构成。,集成电路内部结构的特点,反相输入端,同相输入端,原理框图,UEE,+UCC,u+,uo,u,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗ro小。,集成运放的结构,采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,零点漂移,图8-直接耦合放大电路的零点漂移,当放大器的环境温度或电源电压发生变化时，晶体管的静态工作点也要随之发生变化，即使在输入信号为零时，输出端也会出现缓慢的不规则变动，如图8所示，这种现象称之为“零点漂移”。,产生零点漂移的原因,产生零点漂移的原因很多，如温度的变化（包括环境温度的变化及三级管工作时由于管耗引起的结温变化），电源电压的波动以及电路元件以及电路元件参数的变化等，都会引起放大电路的零点漂移。其中又以温度的变化使三级管参数随之变化引起的漂移最为严重。当温度上升时，将引起ICBO及增大，Ube减小。从而使静态工作点Q上移，集电极电流IC增加，产生零点漂移现象。,基本差分式放大电路,基本差分式放大电路如图8-3所示。,图8-3基本差分式放大电路,工作原理静态分析UO=UC1-UC2=0动态分析,抑制零点漂移的原理,由于差分放大电路与普通的单端输入、单端输出的放大电路不同，其输入、输出都可能是双端，为了更好的分析差分放大电路的特性，我们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。,所谓差模信号，是指两个输入信号之差，用uId表示,它在差分放大管T1、T2的基极接入的是幅值相等、相位相反的一对信号，即uI1=-uI2,所谓共模信号，是指两个输入信号的算术平均值，用uIC表示,它在差分放大管T1、T2的基极接入的是幅值相等，相位相同的一对信号。即uI1=uI2。当输入共模信号时：uI1=uI2，理想双端输出时差分放大电路的输出电压uOC=Au（uI1-uI2）=0。可见，差分放大电路能抑制共模信号输出。,抑制零漂的原理,主要技术指标的计算,差模电压放大倍数,双端输入，双端输出的差模电压放大倍数在图8-3所示的电路的交流通路如图4-4所示。,图8-4基本差分式放大电路的交流通路,当集电极C1、C2两点间接入负载电阻RL时其中,双端输入，单端输出的差模电压放大倍数,如输出电压取自其中一管的集电极（uo1或uo2），则称为有单端输出，此时由于只取一管的集电极电压变化量，所以这时的电压放大倍数只有双端输出时的一半，即,差模输入电阻和输出电阻,根据输入、输出电阻的定义，从图8-4可以看出,单端输出时，差模输出电阻为,共模抑制比,共模抑制比定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值，即,差模电压放大倍数越大，共模电压放大倍数越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望KCMR值越大越好。共模抑制比有时也用分贝（dB）数来表示：,输入信号分类,差模(differentialmode)输入,ui1=-ui2=ud,共模(commonmode)输入,ui1=ui2=uC,任意输入的信号ui1,ui2，都可分解成差模分量和共模分量。,比较输入,ui1=uC+ud；ui2=uC-ud,例:ui1=20mV,ui2=10mV,则：ud=5mV,uc=15mV,差模分量:,共模分量:,ui1=15mV+5mV；ui2=15mV-5mV,共模电压放大倍数AC,共模输入信号：ui1=ui2=uC（大小相等，极性相同）,理想情况：ui1=ui2uC1=uC2uo=0,共模电压放大倍数：,（很小，1),设uC1=UC1+uC1，uC2=UC2+uC2。因ui1=-ui2，uC1=-uC2uo=uC1-uC2=uC1-uC2=2uC1,差模电压放大倍数：,共模抑制比(CMRR)的定义,例:Ad=-200Ac=0.1KCMRR=20lg(-200)/0.1=66dB,CMRRCommonModeRejectionRatio,KCMRR=,KCMRR(dB)=,(分贝),差放电路的几种接法,对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。,第二节集成运算放大器的基本特性,1、运算放大器的符号2、运算放大器的主要参数3、理想运算放大器特性,运算放大器的符号,集成运放的主要参数,传输特性参数,开环差模增益Aud在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模增益共模抑制比KCMR共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值差模输入电阻Rid集成运放在输入差模信号时的输入电阻。输出电阻Ro集成运放开环状态下的输出电阻。,直流参数,输入失调电压UIO及其温漂dUIO/dT理想集成运放，当输入为零时，输出也为零。但实际集成运放的差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输出电压可能不为零。为使其输出为零，人为的在输入端加一补偿电压，称此补偿电压为输入失调电压，用UIO表示输入失调电流IIO及其温漂dIIO/dT集成运放在常温下，当输出电压为零时，两输入端的静态电流之差，称为输入失调电流，用IIO表示，,输出信号的响应参数,ri大:几十k几百k,运放的特点,KCMRR很大,ro小：几十几百,Auo很大:104107,运放符号：,理想运算放大器特性,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|UR时,uo=+Uom当uiUT+,就有u-u+,uo立即由UZ变成UZ。,在ucUT+时，,u-u+,设uC初始值uC(0+)=0,uo保持+UZ不变,u,+,A,+,-,u,+,u,1,R,f,R,Z,R,Z,D,O,R,C,u,C,此时，C向uO放电,再反向充电,当uo=-UZ时，,u+=UT-,uc达到UT-时，uo上跳。,当uo重新回到UZ后，电路又进入另一个周期性的变化。,u,+,A,+,-,u,+,u,1,R,f,R,Z,R,Z,D,O,R,C,u,C,完整的波形：,u,+,A,+,-,u,+,u,1,R,f,R,Z,R,Z,D,O,R,C,u,C,三角波发生器,工作原理：,若uo1=+UZ，uo2，u+。,当u+0时，uo1翻转为-UZ。,若uo1=-UZ，uo2，u+。,当u+0时，uo1翻转为+UZ。,u,+,R,+,A1,+,R,Z,-,2,Z,D,u,4,R,o2,+,+,R,1,R,3,5,R,C,u,u,o1,A2,波形图,振荡周期：,u,R,-,+,Z,+,u,R,R,+,1,2,A1,u,4,R,+,C,A2,R,Z,D,5,+,u,o1,o2,解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。,例1：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。,注意电容的“隔直通交”作用！,交、直流反馈,交流反馈,u,u,+,1,A,+,R,f,R,o,i,C,2,2,R,1,C,例题,本级反馈反馈只存在于某一级放大器中,级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中,例2：判断下图中的本级反馈与级间反馈,级间反馈,本级反馈,本级反馈,V,V,f,L,+V,CC,+,T,R,be,+,e2,R,c2,c1,-,O,-,u,R,f,u,R,R,C,b1,b1,R,b2,C,u,+,-,2,T,1,+,i,u,-,R,e1,电流并联负反馈,例3：判断以下各图的反馈类型,电流并联负反馈,u,-,u,R,+,1,f,-,o,f,o,+,L,i,R,R,R,i,+,+,i,d,A,i,i,i,R,c1,c2,R,+V,c2,i,-,R,O,s,R,-,f,f,1,2,+,+,u,T,i,s,R,R,T,i,CC,i,b,i,u,L,e2,电压并联负反馈,电流串联负反馈,+,T,L,R,-,c,u,i,-,b,+,i,CC,+,s,R,i,+V,O,u,u,-,s,s,R,R,f,f,i,+,_,+V,-,+,cc,i,u,u,O,1,R,R,2,3,R,R,4,R,5,6,R,电压串联负反馈,电流串联负反馈,u,-,u,R,+,1,f,-,o,+,L,R,R,+,+,i,A,+,-,d,u,+,-,f,u,o,i,电流并联负反馈,例4：判断反馈类型，及电路的工作过程,u,u,-,1,A,i,i,R,+,i,+,o,i,d,i,f,i,o,f,R,R,L,R,+,+,-,+,-,R,c1,c2,R,R,f,R,e2,R,s,L,R,1,T,2,T,i,c2,i,f,s,i,u,s,-,u,+,O,+,-,u,i,CC,+V,i,b,例5:图所示电路中，运放A是理想运放，写出电压uo的表达式。,解：由虚断知，运放同相输入端的电压为uI。又依据虚短，运放反相输入端的电压也是uI。由于等电位，所以流过电阻R的电流为0，又根据虚断，流过2R的电流与前者相等，也为0，所以有：uo=uI,讨论：在利用“虚短”、“虚断”条件分析电路时要注意：“虚短”是指运放的同相端和反相端之间的净输入电压近似为0。“虚断”是指流入运放同相端和反相端的净输入电流近似为0。容易出现的问题是，误认为运放输出端的电流也是0。,例6：Rf=10k，R2=10k，UZ=6V，UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。,上下限：,u,u,u,A,+,R,-,Z,u,+,D,O,+,f,u,R,Z,i,REF,R,1,R,2,u,u,u,A,+,R,-,Z,u,+,D,O,+,f,u,R,Z,i,REF,R,1,R,2,例7：在下图所示电路中，写出输出电压uO与输入电流i1和i2之间的关系式。,解：设运放A1的输出信号为u1，运放A1的反相输入端信号为uN1，运放A2的反相输入端信号为uN2。两级运放均构成了负反馈，满足“虚短”、“虚断”。,例8：运放组成的有源滤波