电子技术项目教程12集成运算放大器的认识课件

1、1主主 编：徐超明编：徐超明 李李 珍珍副主编：姚华青副主编：姚华青 王平康王平康2021-10-112知识目标： 了解集成运放的电路结构，熟知集成运放降低零点漂移的基本方法。 掌握集成运放组成的三种输入形式的放大器及信号运算电路的结构特点和主要性能。 掌握区分运放工作在不同区域的方法。 能按照输出电压与输入电压的关系要求，设计集成运放应用电路，并确定电阻的阻值。2021-10-113知识目标： 掌握典型三角波、方波产生应用电路。 了解振荡器的功能、电路结构、振荡条件。 熟知LC振荡的电路组成、理解电路工作原理，会判别电路是否振荡。 了解石英晶体振荡电路的基本形式，理解基本工作原理。 掌握函数

2、产生器8038的功能及其应用。2021-10-114技能目标： 掌握利用运放工作在不同区域的特点分析运放应用电路的方法。 能正确识读集成运放的引脚。 会用电阻测量法或电压测量法判断集成运放质量好坏。 初步具有排除集成运放常见应用电路故障的能力。 练习识读特色信号产生电路实例。 会用示波器观察振荡波形的频率和幅度；掌握振荡电路频率调整方法。 会用集成函数产生器8038设计实用信号产生电路，并掌握调试方法。2021-10-115工作任务： 比例运算电路制作与测试。 三角波、方波发生器设计与制作。 函数信号发生器设计与制作。2021-10-1163.1 集成运算放大器的认识 3.1.1 集成运算放大

3、器的基本组成 3.1.2 集成运算放大器的种类 3.1.3 集成运算放大器的主要性能指标 3.1.4 集成运算放大器使用中的几个具体问题2021-10-117集成电路是一种集成化的半导体器件，即以半导体单晶硅集成电路是一种集成化的半导体器件，即以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制极管、电阻等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，然后封装在一个外壳内，成为一个不可分的固作在一起，然后封装在一个外壳内，成为一个不可分的固定组件，使之具有特定功能。定组件，使之具有

4、特定功能。圆形式圆形式 双列直插式双列直插式 单列扁平式单列扁平式 单列直插式单列直插式 扁平式扁平式图图4-1 4-1 集成电路封装形式集成电路封装形式2021-10-118集成运算放大电路是一种双端输入、单端输出，具有高增集成运算放大电路是一种双端输入、单端输出，具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合放大电路。益、高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合放大电路。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围，它在通信、运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运

5、算的范围，它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。控制和测量等设备中得到广泛应用。 集成运放可以有集成运放可以有同相输入同相输入、反相输入反相输入及及差动输入差动输入三种输三种输入方式。入方式。 2021-10-119集成电路（英文简称集成电路（英文简称ICIC）是）是6060年代初发展起来的一种新型年代初发展起来的一种新型半导体器件。半导体器件。集成电路集成电路特点特点：体积小，密度大、功耗低、引线短、外接体积小，密度大、功耗低、引线短、外接线少，电子电路的可靠性与灵活性，组装和调整工作量少线少，电子电路的可靠性与灵活性，组装和调整工作量少，成本低。，成本低。集成运算放大器内部结构通常包含

6、四个基本组成部分：集成运算放大器内部结构通常包含四个基本组成部分：输输入级入级、中间级中间级、输出级输出级以及以及偏置电路偏置电路。2021-10-1110输入级输入级常利用差动放大电路的对称特性来提高整个电路的常利用差动放大电路的对称特性来提高整个电路的共模抑制比和电路性能；共模抑制比和电路性能；中间级中间级的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路组成；组成；输出级输出级常用电压跟随器或互补对称功率放大电路，以降低常用电压跟随器或互补对称功率放大电路，以降低输出电阻，提高带负载能力；输出电阻，提高带负载能力；偏置电路偏置电路为各级放大电路提供合

7、理的偏置电流。为各级放大电路提供合理的偏置电流。2021-10-11111.1.通用型运算放大器通用型运算放大器 通用型运算放大器是以通用为目的而设计的。这类通用型运算放大器是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。常见的型号有能适合于一般性使用。常见的型号有A741A741、LM386LM386、LM324LM324等。等。2.2.高阻型运算放大器高阻型运算放大器 高阻型运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，高阻型运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小。常使用场效应管作

8、为运算放大器的输入偏置电流非常小。常使用场效应管作为运算放大器的差分输入级，使其不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而差分输入级，使其不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但该类运算放大器输且具有高速、宽带和低噪声等优点，但该类运算放大器输入失调电压较大。常见的集成器件有入失调电压较大。常见的集成器件有LF356LF356、LF355LF355、LF347LF347（四运放）及更高输入阻抗的（四运放）及更高输入阻抗的CA3130CA3130、CA3140CA3140等。等。2021-10-11123.3.低温漂型运算放大器低温漂型运算放大器 低温漂型运算放大器具有失调电

9、压小且温度的变化低温漂型运算放大器具有失调电压小且温度的变化影响小特点，主要应用在精密仪器、弱信号检测等自动控影响小特点，主要应用在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有制仪表中。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-OP-0707、OP-27OP-27、AD508AD508及由及由MOSFETMOSFET组成的斩波稳零型低漂移器组成的斩波稳零型低漂移器件件ICL7650ICL7650等。等。 4.4.高速型运算放大器高速型运算放大器 高速型运算放大器的主要特点是具有较高的转换速率高速型运算放大器的主要特点是具有较高的转换速率和较宽的频率响应，主要应用于

10、快速和较宽的频率响应，主要应用于快速A/DA/D和和D/AD/A转换器、视转换器、视频放大器等器件中。常见的运放有频放大器等器件中。常见的运放有LM318LM318、A715A715等。等。 2021-10-11135.5.低功耗型运算放大器低功耗型运算放大器 电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须用低电源电，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须用低电源电压供电的低功率消耗运放，这类运放压供电的低功率消耗运放，这类运放TL-022CTL-022C、TL-060CTL-060C等等，其工作电压为，其工

11、作电压为2V2V18V18V，消耗电流为，消耗电流为5050250250A A。6.6.高压大功率型运算放大器高压大功率型运算放大器 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流放大器外部不需附加任何电路，

12、即可输出高电压和大电流。例如。例如D41D41集成运放的电源电压可达集成运放的电源电压可达150V150V，A791A791集成集成运放的输出电流可达运放的输出电流可达1A1A。2021-10-11141.1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数A Audud 其数值很高，一般约为其数值很高，一般约为10104 410107 7。该值反映了输出电。该值反映了输出电压压U U0 0与输入电压与输入电压U U和和U U之间的关系。之间的关系。2.2.差模输入电阻差模输入电阻r ridid 运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。兆欧。3.3

13、.输出电阻输出电阻r ro o 由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。 2021-10-11154.4.最大共模输入电压最大共模输入电压U Uicmaxicmax 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。比下降，甚至造成器件损坏。5.5.输入失调电压输入失调电压U UIOIO 指为使输出电压为零

14、而在输入端加的补偿电压，其指为使输出电压为零而在输入端加的补偿电压，其大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。6.6.共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR 反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力。其定反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力。其定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值。义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值。K KCMRCMR越大越好。越大越好。2021-10-11161.1.集成运放的选择集成运放的选择 在没有特殊要求的场合，尽量选用通用型集成运放，在没有特殊要求的场合，尽量选用通用型集成运放，这样即可降低成本，又容易保证货

15、源。这样即可降低成本，又容易保证货源。 当一个系统中使用多个运放时，尽可能选用多运放集当一个系统中使用多个运放时，尽可能选用多运放集成电路，例如成电路，例如LM324LM324、LF347LF347等都是将四个运放封装在一起等都是将四个运放封装在一起的集成电路。的集成电路。 实际选择集成运放时，除性能参数要考虑之外，还应实际选择集成运放时，除性能参数要考虑之外，还应考虑其他因素。例如信号源的性质，是电压源还是电流源考虑其他因素。例如信号源的性质，是电压源还是电流源；负载的性质，集成运放输出电压和电流的是否满足要求；负载的性质，集成运放输出电压和电流的是否满足要求；环境条件；环境条件, ,集成运

16、放允许工作范围、工作电压范围、功集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求等。耗与体积等因素是否满足要求等。2021-10-11172. 2. 集成运放参数的测试集成运放参数的测试以以A741A741为例，其管脚排列如图为例，其管脚排列如图3.43.4（a a）所示。）所示。 其中其中2 2脚为反相输入端，脚为反相输入端，3 3脚为同相输入端，脚为同相输入端，7 7脚接正电源脚接正电源15V15V，4 4脚接负电源脚接负电源-15V-15V，6 6脚为输出端，脚为输出端，1 1脚和脚和5 5脚之间应接调零电位器。脚之间应接调零电位器。 A741A741的开环电压增益的开环

17、电压增益A Audud约为约为94dB(594dB(510104 4倍倍) )。用万用表估测用万用表估测A741A741的放大能力的放大能力时，需接上时，需接上15V15V电源。万用表拨至电源。万用表拨至50V50V挡挡。2021-10-11183.3.集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项1 1）集成运放的电源供给方式）集成运放的电源供给方式 集成运放有两个电源接线端集成运放有两个电源接线端+V+VCCCC和和-V-VEEEE，但有不同的电源供给方，但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。（1 1）对称

18、双电源供电方式对称双电源供电方式 运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E+E）与负电源（）与负电源（-E-E）分别接于运放的）分别接于运放的+V+VCCCC和和-V-VEEEE管脚上。在这种方管脚上。在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。正负对称电源电压。（2 2）单电源供电方式单电源供电方式 单电源供电是将运放的单电源供电是将运放的-V-VEEEE管脚连接到地上。此时为了保证运放管脚连接到地上。此时为了保证

19、运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流电位。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。流电位。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。静态时，运算放大器的输出电压近似为静态时，运算放大器的输出电压近似为V VCCCC/2/2，为了隔离掉输出中的直，为了隔离掉输出中的直流成分要接入电容。流成分要接入电容。2021-10-11193.3.集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项2 2）集成运放的调零问题）集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组由于集

20、成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，对于没运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，对于没有内部调零端子的集成运放，只有采用外部调零方法。有内部调零端子的集成运放，只有采用外部调零方法。以以uA741uA741为例为例：2021-10-11203.3.集成运放使用注意事项集

21、成运放使用注意事项3 3）集成运放的自激振荡问题）集成运放的自激振荡问题 运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。自激振荡使放深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。自激振荡使放大器的工作不稳定。大器的工作不稳定。 为了消除自激振荡，有些集成运放内部已设置了消除为了消除自激振荡，有些集成运放内部已设置了消除自激的补偿网络，有些则引出消振端子，采用外接一定的自激的补偿网络，有些则引出消振端子，采用外接一定的频率补偿网络进行消振，如接频率补偿网络进行消振，如接RCRC补偿网络。另外，防止通补偿网络。另外，防止通

22、过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地之间并接入一电解电容（的正、负供电电源的输入端对地之间并接入一电解电容（1010F F）和一高频滤波电容（）和一高频滤波电容（0.010.01F F0.10.1F F）。）。2021-10-11213.3.集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项4 4）集成运放的保护问题）集成运放的保护问题 集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，使使PNPN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地地”或接电或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使运放安全工源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。因此，为使