计算机电路基础（第2版）集成运算放大器

计算机电路基础 集成运算放大器 教学提示： 随着集成技术的发展和制作工艺的日趋成熟，各种集成电路大量涌现和普遍运用，打破了传统的分立电路设计方法。了解集成电路的性能和掌握集成电路的使用方法是电子技术中不可缺少的知识。 教学目标： (1) 了解集成运算放大电路组成、主要参数和使用的注意事项； (2) 理解理想运算放大电路和电压传输特性； (3) 掌握理想运算放大电路的基本分析方法； (4) 理解比例、加、减、微分、积分的基本运算原理； (5) 理解比较器工作原理，了解有源滤波器的工作原理； (6) 理解正弦振荡电路的工作原理。 第 7章 集成运算放大器 集成运算放大器概述 基本运算电路 信号处理电路 信号产生电路 集成运算放大器概述 整个电路的元器件及其相互连接，同时集中制作在一块硅片上，组成一个不可分隔的整体，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。 集成电路简单分类 : 从元件集成度分有 :小规模、中规模、大规模和超大规模。 从导电类型的角度分有 :单极型、双极型和混合型。 按功能分有 :数字集成电路和模拟集成电路两类。 模拟集成电路种类繁多有 :集成运算放大器、集成功率放大 器、集成稳压电源电路、模数和数模转换集成电路、 宽带放大器电路和音响集成电路等。 本章主要介绍集成运算放大电路 (运算放大器或集成运放 ) 。 数字集成电路将在本书的最后两章中介绍。 运算放大器的组成 高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻的多级直接藕合的放大电 路。 可作为直流放大器，也可作为交流放大器使用。 集成运算放大器的类型很多，电路也不相同，但在结构上有共 同之处，图 输入级 :是差分放大电路 ， 输入电阻高 、 零点飘移小和能抑制干扰信号 。 它有两个输入端 ， 分别由同相输入端和反相输入端构成 。 电压放大级 :是对输入信号进行电压放大 。 具有高的电压放大倍数 . 输出级与负载相连接 ， 输出电阻低 ， 带负载能力强 (有一定的输出功率 ). 集成运算放大器只有一个输出端 偏置电路为上述各级提供合适和稳定的静态工作电流 ， 理想运算放大器的电路符号如图 集成运算放大器有两个输入端和一个输出端 。 集成运算放大器的外形有双列直插式和金属圆壳两种封装 。 在一个封装中含有一个或多个的集成运算放大器 。 图 集成运算放大器电路符号 双列直插式 图 输入端和输出端的电压相位关系有如下三种 。 (1)当从 “ +”端输入信号 u+时 ， 输出端输出电压与输入信号同相位 。 “ +”端称为同相输入端 。 (2)在从 “ -”端输入信号 输出端输出电压与输入信号反相位 。 “ -”端称为反相输入端 。 (3)从 “ +”和 “ -”两端输入差模信号 u+ - 输出端输出的电压相位与输入差模信号相位相反 。 图 ” 表示理想运算放大器 (开环电压放大倍数 )。 要参数 基极 )电流 放输入端是差分对管的基极 。 输入信号为零时 ， 两个输入端静态基极电流的平均值 ， 即 在信号内阻变化时所引起的输出电压的变化也就小 ， 其值 约为零点几个微安 。 想运放 ， 由于差分输入级元件参数不可能完全对 称等原因 ， 在输 入电压为零时 ， 输出电压不为零 。 此时 ， 若使输出电压为零 ， 则需在输入端加一个补偿电压 ， 称 为 输 入 失调电压 。 1 10 运放输入信号电压为零时 ， 放大器两个输入端的静态基极电流之差 ， 即= |输入失调电流 它反映了输入级差分管的对称性的程度 。 其值越小越好 。 运放在无反馈下 ， 输出信号电压 称为开环电压放大倍数表示为： 通常越大越好 。 单位常用： V/V； V/一般可达 104107。 开环电压放大倍数 (称增益 )还可以表示为： 单位用 贝 ),称增益 。 大输出电压是指不失真的最大输出电压 。 指运放反相输入端和同相输入端之间所能承受的最大电压值 。 超过此电压值 ， 输入级的某一个管的发射结将造成反向击穿 。 放对共模信号具有抑制能力 . 0UA 理想运算放大器 理想化运算放大器的主要条件是： 开环电压放大倍数 ； 差模输入电阻 ； 输入偏置电流 0； 共模抑制比 ； 有无限宽频带 。 实际运算放大器比较接近于理想化运算放大器的条件 ， 本章所讨论运算放大器 ， 都是依据理想化的条件进行处理 。 (1)线性工作状态 : 运放输出信号电压 u+ u )间满足线性放大关系： u+ (7由于 ， 而输出电压 因此 (u+ = 0 (7 得 u + = u - (7表明：运算放大器在线性区工作时 ， 其同相输入端与反相输 出端的电位相等 。 据式 (7明 ， 运算放大器两输入端的电压为零 ， 但两输入 端又 没有短路 ， 通常称为 “ 虚短 ” 。 由于运放的差模输入电阻 ， 而且 u+ = 所以有 i + = i -= 0 (7式 (7明：运放在线性区工作时 ， 流进运放两输入端的电 流为零 。但又没有开路 ， 通常称为 “ 虚断 ” 。 u + = u -和 i+ =i -=0 是判定和分析运放在线性区工作的两条重要依据 。 (2)非线性工作状态 当运放工作进入非线性的饱和区时 ， 不能满足式 (7 放大关系 : u+ (7由于运放 ， 只要输入端加入很小的电压 ， 都会使运算放大器进入非线性的饱和区 ， 输出端输出的是饱和电压 。 输入差模电压 ， 即 u + 有两种可能： 当 u+ 则 +当 u+ 70V， 运算放大器工作在饱和区 ,所以输出电压 14 如果 u+ = 0V， 1 则 14V。 图 基本运算电路 输入信号从运放的反相输入端加入的运算电路称为反相运算电路 ， 如图 1接到运放的反相输入端 ， 同相输入端经电阻 由于 ， 为使运放工作在线性区 ， 形成电压并联负反馈 。 运放在线性区工作的条件 ， 依据式 (7式 (7 u+， i+ = 0 则 u+ = i+ 0 图 因为 而 电压并联负反馈的反馈电流 所以 写成 (7式 (7明： 其比例系数为 1， 与运放的参数无关 。 从式 (7可获得反相比例运算电路的闭环电压放大倍数 (7如 1， 那么 - = 这时反相比例运算电路就是一个反相器 。 在实际电路中 ， 通常选取电阻 1/ 保证反相输入端和同相输入端对地的电阻相等 ， 处于平衡状态 ,避免输入偏置电流产生附加的差动输入电压 0 : 如图 从运放的同相输入端加入输入信号的运算称为同相比例运算电路 。 2接到运放的同相输入端 , 反相输入端经 为使运放工作在线性区 ， 形成电压串联负反馈 。 依据式 (7式 (7 运放在线性区工作的条件： u+ ， i+ = 0 所以 u+ = 其中 : 表明：输出电压 比例系数为 (1+1) ， 仅由电阻 同相比例运算电路的闭环电压放大倍数： 从式看出 ， 同相比例运算电路的闭环电压放大倍数 1。 保证两个输入端平衡 ， 应选取电阻 1/ 如果让 f = 0， 则 1。 这时 同相比例运算电路 就是一个电压跟随器 ， 如图 0 图 加、减法运算电路 求和 )运算电路 电路的输出量能反映多个输入量相加结果的电路称为加法运算电路 。 如图 在理想条件下 ， 由于虚短 ， u+ = 0， 并且流入运放的电流 0， 所以 ( 33221103322110 得表明：输出端的电压是各输入端电压不同的电阻比例进行加法运算 。 与运放的参数无关 。 当选取 R= f， 则 = -( (7 表明：输出端电压是输入端电压的负和 。 为了运算放大器两个输入端的对称 ， 通常选取 。 图 可得 输出端的电压是输入端电压的函数和 ， 图 减法运算电路 在运放的两个输入端同时都加上输入信号 ， 利用其同相和反相的输出关系实现减法运算 。 图 在理想条件下 ， 虚断 : 因为 虚短 : u+ = 果选择 上式可简化成 (7说明了 :输出电压与输入电压的差值成正比 。 减法运算电路的差模电压放大倍数为 : (7若 得 输出电压等于两输入电压的减法运算 。 1 112323100111323)1( 得)( 2110 1120120 ii 图 微、积分运算电路 积分运算是指运放的输出电压与输入电压成积分比例的运算 a) 理想条件下 : i+ =0 ， u+ = 0。 所以 (7反映出输出电压与输入电压的积分关系 ， 负号表示输出电压与输入电压反相 。 图 a) 10011解得 当输入是一个正向阶跃电压 时 ， 式 (7简化为： = 输出电压随时间线性变化 ， 如图 b)所示 。 图中 当 t ， E； 当 t ， u o( 这里 ， 在 - uO( , 输出的最大电压值受到供电电源电压的限制 ， 使运放进入饱和状态 ， 持不变 ， 积分停止 。 10图 b) 【 例题 图 设集成运算放大器是理想的 。 已知 0000-)=0， 输入电压如图 a)所示 。 试求出电压的稳态值和波形 。 【 解 】 已知 ， 电路的初始状态 t=0时 ， -)=0， 0)=0， 当 0 = -= 5(V) 当 00 uO( = 5 - = 0 输出电压波形如图 b)所示 。 图 0 0101010505)(1236110 0105 0 0 01010105055)()()(12361211020 微分运算是积分的逆运算 。 简单的微分运算电路如下图 在理想条件下： i+ =0 u+ = 0 而 =- 以 (7式 (7明 :输出电压是输入电压对时间的微分成正比 。 11 当输入为正向阶跃电压 时 ， 由于电源有一定的内阻 ， 在 t=0时 ， 随着电容 渐衰减 ， 直至趋近于零 。 如图 图 信号处理电路 电压比较器是一种用来比较输入信号电压 在两者的电压幅度不相等的时候 ， 运放进入非线性的饱和区工作 。 输出电压将产生跃变 ， 输出的电压有高 、 低电平两种状态 。 运放通常是在开环下工作 。 比较器的输出电压从一个电平跳到另一个电平时 ， 相应的输入电压值 阀值 )电压 只有一个门限电压的电压比较器 称为单门限电压比较器 。 图 考电压 称为过零比较器 。 图 图 参考电压 输入电压 集成运算放大器在开环下工作 ， 电压放大倍数很高 。 当输入电压 运放会进入饱和区工作 ， 即 低电平 。 如左图 输入信号电压是从反相端接入 ， 参考电压接在同相端 ， 称为反相单门限电压比较器 。 如果输入信号电压是从同相端接入 ， 参考电压接 在反相端 ， 则称为同相单门限电压比较器 。 【 例题 图 a)所示比较器电路 ,正弦输入电压 画出电路中 波形 。 【 解 】 这是过零比较器 ， 运算放大器的电压传输特性如图 b)所示 。 图 作过程 : (1)a)所示 ，比较器输出有正负极性的方波 如图 b)所示； (2)经过 由于 图 当 uO(电平 。 当 1导通 ， 反相输入端的电位高于同相输 入端 ， uO(电平 。 如图 若 且 则 - 图 图 从输出端通过 门限电压 比较器在工作时 门限电压 当 uO( 当 uO( 门限电压差 )(0222s a )(0222s a )(022 2s a 图 滞电压比较器的传输特性 ， 如图 当 时 ， 高电位 +uO( ， 从高电位 +uO(跳到低电位 与此同时 ， 门限电压也从 下跳到 ， 而 保持着低电位 变 。 当 只要不低于门限电压 U 保持着低电位 变 。 当 时 ， 从低电位 uO(跳到高电位 +uO( 图 信号产生电路 正弦信号产生电路 振荡 路在无输入信号下 ， 输出端有一定频率和幅度信号输出的现象 。 图 电路接成正反馈形式 ， 外接正弦信号 经基本放大电路放大后引回反馈信号 如果 这时除去如图 利用正反馈回来的信号维持放大器的输出 ， 就是自激振荡 。 图 振荡条件 : 在自激振荡情况下 ， 由于 放大电路的电压放大倍数为： 正反馈系数 所以有 (7即 = 1 (7 2 n =1,2,3 ) (7电路产生自激振荡两个条件：在正反馈下 (1)满足相位平衡条件 : 式 (7 i=f ； (2)满足振幅平衡条件 : 式 (7 =1 . 000:1 极座标形式为 起始振荡 电路与电源接通 ， 电路中就会产生各种频率的正弦和非正弦的扰动信号 ,经过放大后被反馈电路引回到放大器的输入端 。 其中只有符合 “ 电路频率特性 ” 的某一频率的正弦信号 ， 且满足自激振荡的两个条件 ， 则该正弦信号经放大后 ， 被反馈电路引回到放大器的输入端又被放大 (其他频率的信号则被衰减 )。 如此自动循环 ， 输出电压的幅度越来越大 ， 最后受到电路中的非线性元件的限制 ， 输出电压的幅度趋向一个稳定数值 ， 到达一个稳态平衡 ， 实现了自激振荡 。 “ 电路频率特性 ” 是选频网络的频率特性 。 选频网络通常由电阻 、 电感和电容组成 。 组成选频网络的振荡电路称为 组成选频网络的振荡电路称为 2. 图 由两部分组成： 同相比例运算电路和 (选频网络 :又起到正反馈网络的作用 )。 串联 1 : 并联 2 : 反馈系数 : 111112f3)1( 222021200图 (7由式 (7得选频网络的幅频特性和相频特性 : (7当自激振荡时 ， f = 则式 (7 F = 1/3 据式 (7相比例运算放大器的电压放大倍数 ， 并选取 2 有 = 1+(1) = 3 所以得 : = 1 (7式 (7 : f = 0 (7 )(3121000则3)()(31002002r ct f 由上分析可看出： f = 0 ， 说明 相位 ， 即 振荡电路起振时放大器电压放大倍数满足 。 稳定振荡时应满足 = 1； 如图 正弦振荡频率为 1/(2 只要通过改变 的数值 ， 可以实现对振荡频率的调整 。 方波产生电路 (多谐振荡电路 ) 如图 a)所示为一方波产生电路 。 电路由一个迟滞电压比较器和具有延时作用的 双向稳压管使输出电压幅度被限制在 图 波产生的过程 ,波形如图 b)所示 。 (1)电源接通瞬间 ， 电路中的扰动信号正反馈放大 。 运算放大器饱和输出的电压被双向稳压管限幅在 + u+ = (7(2)同时 ， 输出端电压 +向 当 = u+时 ， 运算放大器翻转 ， 输出电压为 当 电容上所充的电压又经过电阻 当 u+， 运算放大器又发生翻转 ， 输出电压为 + 输出端电压 +又向 开始新的一个周期充