运放原理及典型芯片电路

1、运算放大器及其应用运算放大器及其应用 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多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。是发展最早、应用最广泛的级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟各类型号集成芯片各类型号集成芯片 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；

2、源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的发射结代替。一、电路的基本组成一、电路的基本组成输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源要求电压放大倍数高。常采用带恒流源

3、的共发射极放大电路构成。的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b)(a) 符号符号; (b)引脚引脚 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输

4、出输出集成运放集成运放 741的的电路原理图电路原理图同相输入同相输入输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+UCCuo+- -UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相输入同相输入输出输出二、主要参数二、主要参数 1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。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。运放没有接反馈电路时的差模电

5、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。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2. 开环输入电阻开环输入电阻3. 开环输出电阻开环输出电阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于实际运算放大

6、器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。三、理想运算放大器及其分析依据三、理想运算放大器及其分析依据 ouA idr0or CMRRK 在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的想的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， u

7、o = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ 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的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f0

8、21uA 0| Auf0 | T(j ) | OuiuoRFCR+ R1+ 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O SuC+ui+uo+ 模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 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）之之前前。由于。由于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 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保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，以满足存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号

9、电压跟随器电压跟随器 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 。 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。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+ 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变

10、成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 1. 输出只有两种可能输出只有两种可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 当当 u+ u 时，时， uo = + Uo (sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR， uo= +UOM，T 导通。导通。 KA 动作，动作，切断电源。切断电源。 温度未超过规定值，温度未超过规定值，Ui 1, 一般应选取一般应

11、选取 RF略大略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。311 RRAFuRFCRoUzDZR2R1动画动画 z2 1 2RURRRU RFCRoUzDZR2R1RFCRoUzDZR2R1 Z2 1 2RURRRU 2 RCtcccceuuutu 0Z212U RRR 1uo ,uC Z212U RRR UZ+UZ1 1 2F2121ln2RRCRTTT 1 2F21ln211RRCRTf = RC Z2 1 2R2ZZ2 1 2 R0URRRUtuUuURRRUuccc Z2 1 2R3ZZ2 1 2R0URRRUtuUuURRR

12、Uuccc 12i1i212o1o2RuuRRuu )(2o1o46ouuRRu )21 (12462i1ioiofRRRRuuuuuAu ui1+R2+uo2uo1uoR6R6R4R4+R2R1+ui2ui+A2A1A3 +)(2 2i1i12146ouuRRRRRu 所所以以 5. 集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，同时还应注意以下问题。同时还应注意以下问题。 3. 调零调零 为了提高集成运放的精度为了提高集成运放的精度,消除因失调电压和失调消除因失调电

13、压和失调电流引起的误差电流引起的误差,需要对集成运放进行调零。需要对集成运放进行调零。 集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，集集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，集成运放设有外接调零电路的引线端成运放设有外接调零电路的引线端, 按说明书连接即按说明书连接即可，如常用的可，如常用的 741，其中电位器，其中电位器RP可选择可选择10k的的电位器电位器, 如图所示。如图所示。1. 选用元件选用元件2. 消振消振3. 调零调零 (1)输入端保护输入端保护 当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输输入

14、端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以内。入电压限制在二极管的正向压降以内。4. 保护保护 A741的调零电路的调零电路RPVui20k 20k uO10k (1)输入端保护输入端保护 输入端保护输入端保护 ui1uORRui2 (2)输出端保护输出端保护 为了防止输出电压过大为了防止输出电压过大,可利用稳压管来保护，如图可利用稳压管来保护，如图所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制在稳压管的稳压值在稳压管的稳压值UZ的范围内。的范围内。uiuoR1R2RfDZ输出端保护输出端保护 4. 保护保护 (3)电源保护电源保护 为了防止正负电源接反，可用二极管保护，若电为了防止正负电源接反，可用二极管保护，若电源接错，二极管反向截止，集成运放上无电压，如图源接错，二极管反向截止，集成运放上无电压，如图所示。所示。 ui2 U EEU CCD1uOui1D2电源保护电源保护 5. 相位补偿相位补偿 集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，如图所示。其中，图这就是相位补偿，如图所示。其中，图