集成运算放大器及其应用

1、第二章 集成运算放大器及其应用,第二节 差动放大器,第一节 直接耦合放大器,第四节 集成运放电路中的负反馈,第三节 集成运算放大器简介,第六节 集成运放在信号处理电路中的应用,第五节 集成运放在信号运算电路中的应用,第八节 集成运放的选择与使用,第七节 集成运放在信号发生电路中的应用,第九节 集成运放应用实例,第一节 直接耦合放大器,优点：能放大直流信号或变化十分缓慢的交流信号,缺点：(1)前、后级静态工作点互相影响； (2)零点漂移,1、前后级静态工作点相互影响,RE2的接入，提高了V1基极电位，从而保证第一级有较高的静态电位，而不致于进入饱和区。但RE2的接入使第二级电压放大倍数大大降低,

2、2、零点漂移,指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象,1) 产生的原因,晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等,2) 评价零点漂移的指标,把输出漂移电压折算到输入端来衡量,3) 抑制零点漂移的措施,差动放大电路,例：若有两个放大电路的A、B，它们的电压放大倍数分别为1000和200，输出端的零点漂移电压均为1V。若要放大2mV的信号，应采用哪个放大电路,所以采用A放大电路,第二节 差动放大电路,一、差动放大电路的基本形式,差动放大电路的电路结构,电路结构对称， 两个输入、两个输出,1. 零点漂移的抑制,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 +

3、 VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,静态时：ui1 = ui2 = 0,当T ICVC （两管变化量相等,对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用,2. 有信号输入时的工作情况,共模信号,大小相等、极性相同 (uic1 = uic2,1) 共模输入,在共模信号输入下,VC1 = VC2 （集电极电位等向等量变化,uo= (VC1 + VC1) (VC2 + VC2 ) = 0,对共模信号没有放大能力,差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平,共模信号 需抑制,2)差模输入,差模信号,大小相等、极性相反 (uid1 = uid2,在差模信号输入下,VC1

4、 = VC2 (集电极电位一增一减，呈等量异向变化,uo= (VC1 VC1) (VC2 + VC2 ) = 2 VC1,对差模信号有放大能力,差模信号 是有用信号,3) 比较输入,ui1 、ui2 大小和极性是任意的,例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,共模分量,差模分量,放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号差动 放大电路,常作为比较放大来用,ui1 = uic1 + uid1,ui2 = uic2 + uid2,其中：共模分量,差模分量,3. 共模抑制比,衡量差动放大电路放大差模信号和抑

5、制共模信号的能力,共模放大倍数,差模放大倍数,共模抑制比,或,KCMR越大，说明差放电路放大差模信号的 能力越强，而受共模干扰的影响越小,若电路完全对称，理想情况下AC= 0， KCMRR,若电路不完全对称，则 AC 0,uo = AD (ui1ui2 ) = AD uid,uo = AC uic + AD uid 即共模信号对输出有影响,二、典型差动放大电路(长尾式差动放大电路,RE的作用,2)对差模信号无反馈作用,抑制零点漂移，稳定静态工作点,共模抑制电阻,UEE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的静态工作点,电位器RP：调零用的。在静态时调节RP，使uo为零。 一般几十欧几百欧之间,三、

6、差动放大电路的几种形式,1、双端输入-双端输出,1) 静态分析,前两项很小,可忽略,VE 0（虚短,2) 动态分析,由于RE对差模信号不起作用，则单管差模信号通路为,单管交流通路,微变等效电路,同理可得,双端输出电压为,双端输出电压放大倍数为,当两管之间接负载电阻 RL时,若是单端输出，电压放大倍数为,从V1集电极输出，反相输出,从V2集电极输出，同相输出,单端输出的电压放大倍数只有双端输出的一半,2、单端输入-单端输出,共模信号,差模信号,可把 ui分解成一对共模信号和一对差模信号,共模放大倍数AC,交流通路,微变等效电路,若RE足够大，AC 0,其差模放大倍数AD为,反相输出,同相输出,结

7、论：差动放大电路的电压放大倍数与输出形式有关，只要是双端输出，它的差模放大倍数与单管相同；若为单端输出，则为单管的一半,四种差分放大电路的比较,例1,某一双端输入、双端输出差动放大电路，已知差模电压增益为48dB，共模抑制比为67dB，ui1=5V，ui2=5.01V。试求输出电压uo,解,由已知得,则：AD -251,则：AC 0.11,uo = AC uic + AD uid =0.115.005+(-251)(-0.01)=3.06V,共模输入电压,差模输入电压,练习题,1、在直接耦合放大电路中，采用差动式电路结构的主要目的是( )。 (a) 提高电压放大倍数 (b) 抑制零点漂移 (c

8、) 提高带负载能力,b,2、具有发射极电阻的典型差动放大电路中，RE的作用是( )。 (a) 稳定静态工作点，抑制零点漂移 (b) 稳定电压放大倍数 (c) 提高输入电阻，减小输出电阻,a,第三节 集成运算放大器简介,一、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,特点,Auo 高：80dB140dB Ri 高：105 1011 Ro 低：几十 几百 KCMR高：70dB130dB,二、集成运算放大器的组成,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用差动放大电路。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。 输出级：要求输出电阻低，

9、带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成,常用的集成运放芯片F007,实物外形图,管脚图,调零端,调零端,反相输入端,同相输入端,输出端,负电源端,正电源端,空脚,外部接线图,三、集成运放的符号、外特性和电路模型,两个 输入端,u：反相输入端,u+：同相输入端,一个输出端： uo,为了简化起见，常将接地端省去,1、符号,Au：电压放大倍数,2、运放的外特性,ud= u+ u ：差动输入电压,uo= Au ( u+ u )= Aud,电压传输特性 uo= f (ud,线性区： uo = Au(u+ u,饱和区(非线性区)： ud 时， uo = +Uo(sat) ud 时，uo = Uo

10、(sat,线性区,饱和区,Uo(sat)：饱和电压，略小于直流偏置电压,饱和区,Au越大，运放的线性范围 越小，必须加负反馈(闭 环运行)才能使其工作于 线性区,3、运放的电路模型,Ri ：输入电阻（很高,Ro：输出电阻（较低,Au：开环电压放大倍数,四、主要参数(自学,1. 最大输出电压 UOM 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,五、理想运算放大器及其分析依据,1、

11、理想运算放大器的条件,Auo ， Rid ， Ro 0 ， KCMR,2、符号,3、电压传输特性 uo= f (ud,线性区： uo = Auo(u+ u,非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat,线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,4、理想运放工作在线性区的分析依据,1) Auo ，uo =Auo(u+ u ) uo为一有限值,u+= u ，称“虚短,i+= i 0 ，称“虚断,若u+或 u接地，则称“虚地,2) Rid ，两个输入端电流为零,5、理想运放工作在饱和区的分析依据,一般工作于开环或正反馈状态,1) 输出只有两种可能： +

12、Uo(sat) 或Uo(sat,当u+ u 时， uo = + Uo(sat) 当u+ u 时， uo = Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,2) i+= i 0，仍存在“虚 断”现象,例1,F007运算放大器的正、负电源电压为15V，Auo =2105 ，Uo(sat) =13V。今分别加下列输入电压，求输出电压及其极性。 (1) u+=+15V，u= 10V (2) u+= 5V， u= +10V (3) u+= 0， u= + 5mV； (4) u+=5mV，u=0,解,第五节 集成运放在信号运算电路中的运用,运放工作在线性区,一、比例运算电路,1. 反相比例运算,由运放工作于线性区

13、的两条分析依据： i+= i = 0，u=u+= 0,有： i1 if,要求静态时u+、 u 对地电阻相同 平衡电阻 R2 = R1/Rf,结论,1) Auf为负值，即 uo与ui 极性相反,2) Auf只与外部电阻R1与Rf有关，而与运放本身参数无关,3) | Auf |可能大于1，小于1或等于1。 当R1= Rf时， uo=ui,反相器,例1,电路如图所示，已知 R1=10k，Rf = 50k 。 求：(1) Auf、R2；(2) 若R1不变，要求 Auf为10，则 Rf、R2 应为多少,解：(1,R2 = R1 / Rf= 8.3 k,R2 = R1 / Rf=9.1 k,2. 同相比例

14、运算,由虚断 i+= i = 0,有： i1 if,平衡电阻 R2 = R1/Rf,由虚短 u= u+= ui,结论,1) Auf为正值，即 uo与ui 极性相同,2) Auf只与外部电阻R1与Rf有关，而与运放本身参数无关,3) Auf 1，不可能小于1。 当R1=或Rf=0 时， uo= ui,电压跟随器,例2,电路如图所示， 求uo的大小,解： uo=7.5V,电压跟随器起隔离作用,二、加法运算电路,1、反相加法运算,由运放工作于线性区的两条分析依据有： ii1+ ii2= if ，u=u+= 0,若Ri1=Ri2= Rf，则有： uo=(ui1+ ui2,平衡电阻： R2= Ri1 /

15、 Ri2 / Rf,2. 同相加法运算电路,方法一: 根据叠加原理,ui1单独作用(ui20)时,根据,同理，ui2单独作用时,若Ri1=Ri2= R1= Rf，则有： uo= ui1+ ui2,平衡电阻： Ri1 / Ri2 = R1 / RF,ui1单独作用(ui20)时,方法二,由于 u= u+ 可得,三、减法运算,由 u= u+ 得,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = Rf,R2 / R3 = R1 / Rf,常用作测量放大电路,方法2：利用叠加原理分析,例3,求uo 的表达式,uo1,uo2,ui1,ui2,解,四、积分运算,由虚断和虚断性质可

16、得： i1 = if,若输入信号电压为恒定直流量，即 ui= Ui 时，则,积分饱和,Uo(sat,ui = Ui 0,ui = Ui 0,输出电压随时 间线性变化,Ui,Ui,五、微分运算,由虚断和虚断性质可得： i1 = if,若输入信号电压为阶跃电压时，uo为尖脉冲电压,例2,解,VA=u_i1R3= i1R3,应用：由运放和稳压管组成的恒压源,1、同相输入恒压源,2、反相输入恒压源,改变 RF 即可调节恒压源的输出电压,第六节 集成运放在信号处理电路中的运用,运放工作于饱和区,一、电压比较器,运放处于开环状态,功能：用来比较ui和UR(参考电压)的大小,当 uiUR 时，uo = Uo

17、 (sat,电压传输特性：uo= f (ui,1、简单电压比较器,2. 过零比较器,电压传输特性,利用电压比较器将正弦波变为方波,3. 输出带限幅的比较器,当 uiUR 时，uo = Uo (sat,设稳压管的稳定电压为UZ， 忽略稳压管的正向导通压降 则 ui UR，uo = UZ,例1,电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，是分析并画出输出电压uo、uo和uo的波形,过零比较器,微分 电路,检波 电路,例2,电路如图所示，运放的最大输出电压uopp=12V，稳压管的稳定电压uZ=6V，其正向电压UD=0.7V，ui=12sint V，UR=3V。试画出传输特性和uo的波形,解,当 ui

18、UR 时，uo = 12V uo = 0.7V,当 ui UR 时，uo = +12V uo =6V,一、反馈的基本概念,反馈：将放大电路输出端的信号(电压或电流)的 一部分或全部通过某种电路引回到输入端,第四节 集成运放电路中的负反馈,通过RE 将输出电压 反馈到输入,通过RE 将输出电流 反馈到输入,反馈放大电路的方框图,输入量,输出量,反馈量,净输入量,按反馈极性分,正反馈,负反馈,反馈信号使净输入信号增大,反馈信号使净输入信号减少,用于振荡电路中产生波形,用于改善放大电路的性能,二、正反馈与负反馈的判别方法,ud =ui uf,uf 削弱了净输入电压 负反馈,例,ud =ui uf,u

19、f 增大了净输入电压 正反馈,三、反馈的类型,1、根据反馈信号所取自的输出信号不同,电压反馈,电流反馈,反馈信号取自输出电压,反馈信号取自输出电流,判断方法,反馈端直接从输出端引出，为电压反馈,反馈端从负载电阻的靠近“地”端引出的，为电流反馈,2、根据反馈信号与输入信号在输入端联接形式的不同,串联反馈,并联反馈,反馈信号以电压形式串接在输入回路中,反馈信号以电流形式并接在输入端,判断方法,反馈端与输入端加在同一输入端上，为并联反馈,以电流形式进行比较,反馈端与输入端加在两个输入端上，为串联反馈,以电压形式进行比较,负反馈的类型,负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负

20、反馈,四、运算放大器电路反馈类型的判别方法,1) 反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈； 从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈,2) 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,3) 反馈信号使净输入信号减少的是负反馈；否则是正反馈,放大器电路中的四种负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,uf =Rio,电流并联负反馈,例1,判断如图所示电路是何种类型的反馈,电压串联负反馈,例2,判断如图所示电路是何种类型的反馈,电压并联负反馈,例3,判别反馈类型,电压串联负反馈,电流并联负反馈,五、负反馈对

21、放大电路工作性能的影响,1. 降低放大倍数,则有,称为反馈深度，其值愈大，负反馈作用愈强,2. 提高放大倍数的稳定性,Af 的相对稳定性,A的相对稳定性,引入负反馈使放大倍数的稳定性提高(1+AF)倍,若AF 1，称为深度负反馈，此时,在深度负反馈的情况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关,例3,如图所示同相比例运算电路，R1=10k， RF=300k，Auo=104。 求闭环电压放大倍数Auf； 如果 ，求,解：(1,3. 对放大电路输入电阻的影响,串联反馈：使Ri提高 并联反馈：使Ri减小,与串联反馈还是并联反馈有关,4. 对放大电路输出电阻的影响,电压反馈：使Ro减小 电流反馈：使Ro

22、提高,与电压反馈还是电流反馈有关,5. 改善波形失真,加反馈前,加反馈后,大,略小,略大,略小,略大,负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真,小,接近正弦波,正弦波,6. 展宽通频带,引入负反馈使电路的通频带宽度增加,无负反馈,有负反馈,结论,1) 要想稳定静态工作点，应引入直流负反馈,2) 要想改善交流性能，应引入交流负反馈,3) 要想稳定输出电压，应引入电压负反馈； 要想稳定输出电流，应引入电流负反馈,4) 要提高Ri，应引入串联负反馈； 要减小Ri，应引入并联负反馈,5) 要提高Ro，应引入电流负反馈； 要减小Ro，应引入电压负反馈,练习题,运算放大

23、器电路如图所示， RL为负载电阻，则RF1和RF2引入的反馈分别为 ( ) 。 (a) 串联电流负反馈 (b) 并联电流负反馈 (c) 串联电压负反馈 (d) 正反馈,第七节 集成运放在信号发生电路中的运用,正弦波信号发生器（正弦波振荡器,用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。（从1Hz几百MHz,常用的有,LC振荡电路：输出功率大、频率高,RC 振荡电路：输出功率小、频率低,石英晶体振荡电路：频率稳定度高,应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等,一、自激振荡,放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象,开关合在“1”为无反馈放大电路,在反馈端有一反馈电压,开关打到“2”，去掉输入电压仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号,当 时,产生了自激