chapter16集成运算放大器(电工电子技术)

1、上一章知识点回顾o放大电路的“放大”本质以及性能指标。o典型电路n共发射极放大电路。特点：n分压式偏置放大电路n射集输出器。特点：n差分放大电路。特点：n互补对称功率放大电路。特点：o存在问题：n非线性失真：静态工作点Q的稳定分压式偏置放大电路n零点温漂：两个差分对称管，具有RE“长尾”式差动放大电路。o放大电路的分析方法：n静态分析（静态工作点）：1.估算法，2.图解法：直流负载线n动态分析：1.微变等效电路，2.图解法：直流负载线，交流负载线。o多级放大电路：直接耦合和阻容耦合第第1616章集成运算放大电路章集成运算放大电路16.2 运算放大器在信号运算方面的应用16.3 运算放大器在信号

2、处理方面的应用16.5 使用运算放大器应注意的几个问题16.1 集成运算放大器的简单介绍16.1 集成运算放大器的简单介绍o 集成电路概念o 集成电路的优缺点o 集成运算放大器的组成o 集成运算放大器的特点及符号o 运算放大器的传输特性集成电路概念o 相对于分立电子电路而言的，利用一定的生产工艺把整个电路的各个元器件及它们之间的连线集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的固体器件。集成电路的优缺点：集成电路的优缺点：优优 点点1.使用方便、体积小、重量轻、功耗小。2.减少了电路的焊点，提高了工作的可靠性。3.同一个硅片上的元器件相互离得很近，性能和温度特性较一致

3、，容易建立相同特性的对称晶体管。4.实现了元件、电路和系统的三者统一。缺缺 点点1.电阻太高或太低都不易制造。10030 k2.电感难于制造。3.大电容不易制造，电容一般不超过200 pF。4.必须使用这些器件的场合，大多采用外接的方法。集成运算放大器的组成电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路通常采用互补对称功率放大电路，带负载能力强，通常采用互补对称功率放大电路，带负载能力强，给出足够的输出电流给出足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小小。采用共发射集放大电路，放大管采用复合管，采用共发射集放大电路，放大管采用复合管，具有足够大的电压放大倍数。具

4、有足够大的电压放大倍数。通常采用差动放大电路，能够尽量抑制零点漂移通常采用差动放大电路，能够尽量抑制零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。采用恒流源电路，给各级电路提供稳定和合适采用恒流源电路，给各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级静态工作点。的偏置电流，决定各级静态工作点。集成运算放大器特点及符号集成运放集成运放理想运放理想运放A o很很大大: 80140 dBAo KCMRR很大很大：90 dBKCMMRR ri高高: 几十几十k 几百几百k ri ro小：几十小：几

5、十 几百几百 ro 0运放符号运放符号 u u+ uo A0 u u+ uo u u+ uo 集成运算放大器的封装形式金属壳封装金属壳封装双列直插式双列直插式贴片式贴片式F006（5G24）引脚和接线图A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+ +1 15 5V V- -1 15 5V V接线图接线图顶视图顶视图CCVOUTININEEV 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端输出端输出端运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性)(ioufu )(uuAuuoo+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou运算放大器的传输特性运算放大器的传

6、输特性例例 F006F006运算放大器的正、负电源电压为运算放大器的正、负电源电压为15V15V，开环电压，开环电压放大倍数放大倍数AU0=2 105, ,输出最大电压（即输出最大电压（即Uo(sat)为为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：V;10V,15) 1 (uuV;10V,5)2(uumV;50V,)3(uuV;0mV,5)4(uu u u+ uo 运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性V651021360uoAuuu解只要两个输入端之间的电压绝对值超过只要两个输入端之间的电压绝对值超过6565V V，输出电，输出

7、电压就达到正或负的饱和值。压就达到正或负的饱和值。5VV10)1015(10265ouV;10V,15)1 (uu输出电压3VV10)105(10265ou(2)5 V,10 V;uu输出电压3V1oumV;50V,)3(uu输出电压3V1ouV;0mV,5)4(uu输出电压运算放大器线性应用时的特点o 线性区很窄（微伏级），即使 输入毫伏级信号 ，也可能使输出饱和，如果存在干扰也使开环工作不稳定。o 运放在线性区工作， 通常引入深度电压负反馈。f11AAAFF 放大电路放大电路AdX oX 反馈回路反馈回路FfX iX + 3. 3. 如果信号从反向端输入，同相端接地，由虚断，如果信号从反向

8、端输入，同相端接地，由虚断， 根据虚短，根据虚短， ，反相端近于，反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。工作在线性区时的分析依据1. 1. 差模输入电阻差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可认为是零，可认为是零， ，即，即虚断虚断。idr2. 2. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 ，输出电压是一个输出电压是一个有限值，有限值，0uA 00uoAuuu uu即即虚短虚短。,0u0u0ii工作在线性区时的分析依据o注意：注意：“虚短，虚断，虚地虚短，虚断，虚地”概念的概念的“虚虚”的含义的含义n虚短：虚短： ， “ “虚虚”的含义是输入电流很小，几乎为的含义是输入电流很

9、小，几乎为“0”0”，但不等于，但不等于“0”0”，否则就没有输入电流了。，否则就没有输入电流了。虚假的短路虚假的短路n虚断：虚断： ， “ “虚虚”的含义是输入电压很小，两端电位几乎相等，因的含义是输入电压很小，两端电位几乎相等，因此不能将反相输入端和同相输入端直接相联，否则就没有输入电压了。此不能将反相输入端和同相输入端直接相联，否则就没有输入电压了。虚假虚假的开路。的开路。n虚地：虚地： ， “ “虚虚”的含义是电位几乎为的含义是电位几乎为“0”0”，但不等于，但不等于“0”0”，因此，反相端和同相端因此，反相端和同相端虚假接地虚假接地，否则就没有输入电压了。，否则就没有输入电压了。o“

10、虚虚”的目的就是为了分析计算带来的便利，按照这些依据可以的目的就是为了分析计算带来的便利，按照这些依据可以带来很精确地带来很精确地“估算估算”。0iiuu0uu工作在饱和区时的分析依据当当 时时，uuuuo(sat)Uou 当当时，时，其饱和值接近正负电源电压值，在饱和区的应用其饱和值接近正负电源电压值，在饱和区的应用通常在比较器和波形发生器电路，是集成放大器通常在比较器和波形发生器电路，是集成放大器的开环应用。的开环应用。o(sat)Uou 16.2运算放大器在信号运算方面的应用o 比例运算电路o 加法运算电路o 减法运算电路o 积分运算电路o 微分运算电路反相比例运算反相比例运算 反相比例

11、运算电路反相比例运算电路A1RFRRUIUO+_+_虚断虚断II IF虚短U- U+ 0 1I1IIRURUUIF1IFFORRURIU电压增益 1F1IFFIOuRRRIRIUUA虚短I II F虚地注意：平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等。平衡电阻：1F/RRR基尔霍夫电压定律U- 0 I_0I_0 20URII同相比例运算同相比例运算 虚断UI = U+ 虚短U+=U- = UI电压增益 I+= I-0 1OI1FRUUURRI1FIOu)1 (URRUUA 同相比例运算电路同相比例运算电路 AOUIU电压跟随器作用：输入电阻大 输出电阻小 隔离缓冲请思考：当当1R0FR或或此电路此

12、电路 有什么特点？有什么特点？A1RFRRUIUOIIIFi313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu加法运算加法运算12i212Rui11i111Rui13i313Ruif111213123111213iiiiiiiuuuRRRFfoRiu反相加法运算电路反相加法运算电路平衡电阻：F1312112/RRRRR 11i12i13ifi虚地U- 0 虚断基尔霍夫oi1i2i3uuuuF111213RRRR11i12i13ifii313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu加法运算加法运算反相加法运算电路反相加法运算电路利用叠加原理单独作用时单独作用时i1u11i12i13ifi注意

13、：注意：加法运算电路与运算放大器本身的参数无关，只要电阻阻值足够精加法运算电路与运算放大器本身的参数无关，只要电阻阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性确，就可保证加法运算的精度和稳定性.反相比例运算电路反相比例运算电路差动减法运算差动减法运算 A1R1RFRFRUIUIUO差动减法运算电路差动减法运算电路 反相输入端 F1IO1F1FRRUUURRRR同相输入端 FI1FRUURR虚短 ：UU)(II1OUURRUF1FIIOuRRUUUA两个输入端都有信号输入，则为差动输两个输入端都有信号输入，则为差动输入，在测量和控制系统应用较多。入，在测量和控制系统应用较多。差动输入：1OII1

14、11(1)FFFRRRUUURRRR11FFRR RR, 平衡电阻：OII()UUU 差动减法运算差动减法运算 A1R1RFRFRUIUIUO差动减法运算电路差动减法运算电路 注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用这种输入方式存在较大的共模电压，应选用K KCMRRCMRR较大的运放，较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。并应注意电阻阻值的选取。运用叠加原理，由同相输入及反相输入的结运用叠加原理，由同相输入及反相输入的结论进行计算。论进行计算。Foi1RuuR 1oI11(1)FFRRuURRRooouuu1OII111(1)FFFRRRUUURRRR运用戴维宁，开路电压，去源等效电阻。运

15、用戴维宁，开路电压，去源等效电阻。1I1iFRuURR1/FRRR虚断虚地U- U+ 0 COuuiRu IIOCCI1111dd=dduuuititu tCCCRRC 当输入信号是阶跃直流电压UI时 tRCUtuRCuuIICOd1积分运算电路积分运算电路 CuARR+_+_CCIuiiOu+_CC1duitCCii 输出电压是输入电压的微分 ARRIO+_+_CCR+_uCuuii微分运算电路微分运算电路 tuRCRiRiuddCCROtuRCuddIO 输出电压是输入电压的微分 积分电路中的电容和电阻交换位置 CRii 0UUCIuu 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的

16、功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。判别输入信号的大小和极性。 电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转换及越限报警等。换及越限报警等。 集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正反馈的工作状态，即工作在非线性区。反馈的工作状态，即工作在非线性区。16.3 16.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用 将运放任一输入端加上输入信号。而另一输入将运放任一输入端加上输入信号。而另一输入端加入

17、参考电压，即可构成端加入参考电压，即可构成电压比较器电压比较器，如图所示。，如图所示。电压传电压传输特性输特性Ui 为输入电压，为输入电压， UR 为参考电压为参考电压当当 ui UR 时，时， uo = Uo(sat)ui UR 时，时， uo = +Uo(sat)ui = UR 时，时， uo 发生跃变发生跃变uoiuouoR1R2ui+UR+uR+ 当当 UR = 0 时，即输入电压和零电平比较，称为时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器过零比较器。电压传电压传输特性输特性uoiuouo 若图中若图中 ui 为正弦波，为正弦波，画出画出 uo 的波形的波形。oiutR1R2ui+UR

18、+uoot 在输出端与地之间接在输出端与地之间接一个一个双向稳压管，即可把双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。电平匹配。电压传输特性电压传输特性uoRR1R2+DZui+uoiuo限幅电压比较器限幅电压比较器16.5 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题1. 选用元件 根据实际要求来选用运算放大器根据实际要求来选用运算放大器, ,主要是根据主要是根据使用条件及运放的参数进行选择使用条件及运放的参数进行选择。2. 消振 这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响和其他寄生参数的影响, ,使电路产生自激振荡，即外使电路产生自激振荡，即外加消振的方法。加消振的方法。3. 调零 由于运放内部参数不可能完全对称由于运放内部参数不可能完全对称, ,输入信号输入信号为零为零, ,输出可能不为零输出可能不为零, ,为此为此, ,在使用时必须调零。在使用时必须调零。4. 保护(1) (1) 输入保护输入保护输入电压将限