运放的常见应用方法

1、山西财贸职业技术学院应用电子系: 薛香娥第八章 集成运算放大器第8章 集成运算放大器集成运算放大器基本组成8.1集成运算放大器的基本特性8.2放大电路中的负反馈8.3集成运算放大器的应用8.4第八章 集成运算放大器教学目的要求 了解差动放大器，放大电路中的负反馈，理解集成运放构成及特点，理想运放及其分析依据(理想化条件 )，掌握运放应用电路:比例放大、加减法，微积分运算电路。集成运算放大器第八章 集成运算放大器第一节 集成运算放大器基本组成1、集成运算放大器基本组成2、差动放大电路结构、零点漂移的概念第八章 集成运算放大器第八章 集成运算放大器集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基

2、片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 集成概念第八章 集成运算放大器集成运放的组成 集成运算放大器实质上是一种双端输入、单端输出，具有高增益，高输入阻抗、低输出阻抗的多极直接耦合放大电路。 当给他施加不同的反馈网络时，就能实现模拟信号的多种数学运算功能（如比例、求和、求差、积分、微分），故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。 第八章 集成运算放大器集成运放内部组成框图 图8-1 集成运放内部组成框图第八章 集成运算放大器 输入级输入级又称前置级，它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。一

3、般要求其输入电阻高，差模放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小。 中间级中间级是整个放大电路的主要放大电路。其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射（或共源）放大电路。而且为了提高电压放大倍数，经常采用复合管做放大管，以恒流源作集电极负载。其电压放大倍数可达千倍以上。第八章 集成运算放大器输出级输出级具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强），非线性失真小等优点。多采用互补对称发射极输出电路。偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。与分立元件不同，集成运放多采用电流源电路为各级提供合适的集电极（或发射极、漏极）静态工作电流，从而确定了合适的静态工作点。

4、第八章 集成运算放大器 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。 二极管一般用三极管的发射结构成。集成电路内部结构的特点第八章 集成运算放大器反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端 原理框图UEE+UCC u+uo uT3T4T5T1T2IS输输入入级级中中间间级级输输出出级级与uo反相与uo同相第八章 集成运算放大器对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, ,尽量提高尽量提高 K KCMR

5、RCMRR , , 输入阻抗输入阻抗 r ri i 尽可能大尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流i io o 。即输出阻抗即输出阻抗 r ro o小。小。第八章 集成运算放大器集成运放的结构采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。第八章 集成运算放大器零点漂移图8- 直接耦合放大电路的零点漂移 当放大器的环境温度或电源电压发生变

6、化时，晶体管的静态工作点也要随之发生变化，即使在输入信号为零时，输出端也会出现缓慢的不规则变动，如图8所示，这种现象称之为“零点漂移”。 第八章 集成运算放大器产生零点漂移的原因 产生零点漂移的原因很多，如温度的变化（包括环境温度的变化及三级管工作时由于管耗引起的结温变化），电源电压的波动以及电路元件以及电路元件参数的变化等，都会引起放大电路的零点漂移。其中又以温度的变化使三级管参数随之变化引起的漂移最为严重。当温度上升时，将引起I ICBO及增大，U Ube减小。从而使静态工作点Q Q上移，集电极电流I IC增加，产生零点漂移现象。第八章 集成运算放大器基本差分式放大电路 基本差分式放大电路

7、如图8-3所示。图8-3基本差分式放大电路 第八章 集成运算放大器 工作原理工作原理 静态分析静态分析 UO=UC1-UC2=0 动态分析动态分析抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理 uuIIuIuIuCCoAuAuAuuu21221121 由于差分放大电路与普通的单端输入、单端输出由于差分放大电路与普通的单端输入、单端输出的放大电路不同，其输入、输出都可能是双端，为了的放大电路不同，其输入、输出都可能是双端，为了更好的分析差分放大电路的特性，我们定义差分放大更好的分析差分放大电路的特性，我们定义差分放大电路的输入信号为两种形式：差模信号和共模信号。电路的输入信号为两种形式：差模信号和共模信号

8、。 第八章 集成运算放大器所谓差模信号，是指两个输入信号之差，用u uId表示 uuuIIIc2121它在差分放大管T1、T2的基极接入的是幅值相等、相位相反的一对信号，即uI1= -uI2 uuuIIId21所谓共模信号，是指两个输入信号的算术平均值，用uIC表示 它在差分放大管T1、T2的基极接入的是幅值相等，相位相同的一对信号。即uI1= uI2。当输入共模信号时：uI1= uI2，理想双端输出时差分放大电路的输出电压uOC=Au（uI1- uI2）=0。可见，差分放大电路能抑制共模信号输出。 第八章 集成运算放大器 抑制零漂的原理uo= UC1 - UC2 = 0当当 ui1 = ui

9、2 =0 时：时：uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0当温度变化时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2第八章 集成运算放大器主要技术指标的计算差模电压放大倍数 双端输入，双端输出的差模电压放大倍数在图8-3所示的电路的交流通路如图4-4所示。图8-4 基本差分式放大电路的交流通路 第八章 集成运算放大器rRuuuuuuuuAbeCioiiooidOud11112122rRAbeLud2/RRRLCL当集电极C1、C2两点间接入负载电阻RL时 其中 双端输入，单端输出的差模电压放大倍数 rRAAbeCudud2211 如输出电

10、压取自其中一管的集电极（u uo1o1或u uo2o2），则称为有单端输出，此时由于只取一管的集电极电压变化量，所以这时的电压放大倍数只有双端输出时的一半，即第八章 集成运算放大器差模输入电阻和输出电阻 根据输入、输出电阻的定义，从图8- 4可以看出cobeidRRrR22 单端输出时，差模输出电阻为coRR 共模抑制比AAKucudCMR 共模抑制比定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值，即 差模电压放大倍数越大，共模电压放大倍数越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望K KCMR值越大越好。共模抑制比有时也用分贝（dB）数来表示： dBAAKucudCMRlg

11、20第八章 集成运算放大器 输入信号分类差模(differential mode)输入ui1 = -ui2= ud共模( common mode) 输入ui1 = ui2 = uC任意输入的信号 ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。比较 输入第八章 集成运算放大器ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud例例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV则：则：ud = 5mV , uc = 15mV 差模分量差模分量:221iiduuu共模分量共模分量:221iicuuuui1 = 15mV + 5mV ；ui2 = 15mV - 5mV第八章 集成运算

12、放大器 共模电压放大倍数AC+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同）大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0 共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：（很小，很小，1)设设uC1 =UC1 + uC1 ， uC2 =UC2 + uC2 。因因ui1 = -ui2， uC1 =- uC2 uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2 uC1 差模电压放大倍数：1io2i1iodu2uuuuAuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2+UC

13、C第八章 集成运算放大器共模抑制比(CMRR)的定义例例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)cdAAcdAAlog20第八章 集成运算放大器差放电路的几种接法输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE第八章 集成运算放大器双端输出：Ad = Ad1单端输出：121ddAA 对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。ud = 0.5u

14、i , uc = 0双端输入：ui1 = -ui2 =0.5uiud = 0.5ui , uc = 0.5ui 单端输入： ui1 =-ui ，ui2 = 0双双(单单)端输入双端输出：端输入双端输出：Ad = Ad1双(单)端输入单端输出：1ddA21A 第八章 集成运算放大器第二节 集成运算放大器的基本特性1、运算放大器的符号2、运算放大器的主要参数3、理想运算放大器特性第八章 集成运算放大器运算放大器的符号 u u+ uoAuouu+ uo第八章 集成运算放大器集成运放的主要参数 传输特性参数传输特性参数 开环差模增益开环差模增益A Audud在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为

15、开环差模在集成运放无外加反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模增益增益 共模抑制比共模抑制比KCMRKCMR共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值 差模输入电阻差模输入电阻RidRid集成运放在输入差模信号时的输入电阻。集成运放在输入差模信号时的输入电阻。 输出电阻输出电阻RoRo集成运放开环状态下的输出电阻集成运放开环状态下的输出电阻。第八章 集成运算放大器直流参数直流参数 输入失调电压输入失调电压U UIOIO及其温漂及其温漂dUdUIOIO/dT/dT理想集成运放，当输入为零时，输出也为零。但实际集成理想集成运放，当输入为零

16、时，输出也为零。但实际集成运放的差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输运放的差分输入级不易做到完全对称，在输入为零时，输出电压可能不为零。为使其输出为零，人为的在输入端加出电压可能不为零。为使其输出为零，人为的在输入端加一补偿电压，称此补偿电压为输入失调电压，用一补偿电压，称此补偿电压为输入失调电压，用U UIOIO表示表示输入失调电流输入失调电流I IIOIO及其温漂及其温漂dIdIIOIO/dT/dT集成运放在常温下，当输出电压为零时，两输入端的静态集成运放在常温下，当输出电压为零时，两输入端的静态电流之差，称为输入失调电流，用电流之差，称为输入失调电流，用I IIOIO表示，表示，

17、 输出信号的响应参数 第八章 集成运算放大器 ri 大大: 几十几十k 几百几百 k 运放的特点运放的特点KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A uo很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：uu+ uo u u+ uoAuo理想运算放大器特性理想运算放大器特性第八章 集成运算放大器uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+AuoCoOMEuUmax例：若例：若UOM=12V，Auo=106，则，则|ui| UR时时 ,

18、uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom ui从同相端输入第八章 集成运算放大器uoui0+uouiUR+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom ui从反相端输入第八章 集成运算放大器uoui0+UOM-UOM+uoui过零比较器: (UR =0时)+uouiuoui0+UOM-UOM第八章 集成运算放大器+uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom第八章 集成运算放大器+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRR uo UZ电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上第八章 集

19、成运算放大器分析1. 因为有正反馈，所以输出饱和。2. 当uo正饱和时(uo =+UOM) ：U+HomUURRRU2113. 当uo负饱和时(uo =UOM) ：LomUURRRU211+uoRR2R1ui参考电压由参考电压由输出电压决定输出电压决定特点：电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。迟滞比较器第八章 集成运算放大器omHURRRU211omLURRRU211分别称UH和UL上下门限电压。称(UH - UL)为回差。当ui 增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当ui 减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom 。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于

20、回差的干扰不会引起跳转。小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。跳转时，正反馈加速跳转。第八章 集成运算放大器tuiUom-UomtuiUHUL例：迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。+uoRR2R1ui第八章 集成运算放大器电路结构ZURRRUf11T ZURRRUf11T 上下限上下限:矩形波发生器运算放大器在波形产生方面的应用u+-A+-u+u1RfRZRZDORCuC第八章 集成运算放大器l工作原理：工作原理：设设 uo = + UZ , 此时，此时，uO给给C 充电充电, uc ，则：则：u+=UT+一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即

21、由立即由UZ变成变成UZ 。在在 uc UT+ 时，时，u- u+ , 设设uC初始值初始值uC(0+)= 0uo保持保持+UZ不变不变0tuo+UZ-UZucUT+0t+UZu+-A+-u+u1RfRZRZDORCuC第八章 集成运算放大器此时，此时，C向向u uO O放电放电, ,再反向充电再反向充电当当uo = -UZ 时，时，u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。当当uo 重新回到重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。UT+uctUT-UZu+-A+-u+u1RfRZRZDORCuC第八章 集成运算放大器完整的波形：完整的波形

22、：0UT+uctUT-+UZuo0t - UZTu+-A+-u+u1RfRZRZDORCuC第八章 集成运算放大器三角波发生器工作原理工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。)(0dt12o01o42o uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为+UZ。u+R+A1+-RZ-2ZDu4Ro2-+R1R35RCuuo1A2第八章 集成运算放大器波形图振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZTZTURRU21 ZTURRU21 24

23、14RCRRT uR-+Z+uRR+12A1u-4R+CA2RZD5+uo1-o2第八章 集成运算放大器 解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。例1：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。 注意电容的“隔直通交”作用！交、直流反馈交、直流反馈交流反馈交流反馈uu-+1A+RfRoiC22R1C例题第八章 集成运算放大器本级反馈反馈只存在于某一级放大器中 级间反馈反馈存在于两级以上的放大器中例2：判断下图中的本级反馈与级间反馈级间反馈级间反馈本级反馈本级反馈本级反馈本级反馈VVfL+VCC+TRbe+e2Rc2c1-O-uRfuRRCb1b1Rb2Cu+-

24、2T1+iu-Re1第八章 集成运算放大器电流并联负反馈电流并联负反馈例3：判断以下各图的反馈类型电流并联负反馈电流并联负反馈u-uR+1f-ofo+LiRRRi+idAiiiRc1c2R+Vc2i-ROsR-ff12+uTisRRTiCCibiuLe2第八章 集成运算放大器电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈+TLR-cui-b+iCC+sRi+VOuu-ssRRffi+_+V-+cciuuO1RR23RR4R56R第八章 集成运算放大器电压串联负反馈电压串联负反馈电流串联负反馈电流串联负反馈u-uR+1f-o+LRR+iA+-du+-fuoiVVA+-+2A1-uiOu

25、1RR2R3R45RR6第八章 集成运算放大器电流并联负反馈电流并联负反馈引入电流负反馈的目的稳定输出电流稳定过程：稳定过程：RL io(ic2) if id （ib） io(ic2) 例4：判断反馈类型，及电路的工作过程uu-1AiiR-+i+oidifiofRRLR+-+-Rc1c2RRfRe2RsLR1T2Tic2ifsius-u+O+-uiCC+Vib第八章 集成运算放大器例例5:5:图所示电路中，运放图所示电路中，运放A A是理想运放，写出电压是理想运放，写出电压u uo o的表达式的表达式。解：解：由虚断知，运放同相输入由虚断知，运放同相输入端的电压为端的电压为u uI I。又依据

26、虚短，又依据虚短，运放反相输入端的电压也是运放反相输入端的电压也是u uI I。由于等电位，所以流过电阻由于等电位，所以流过电阻R R的电流为的电流为0 0，又根据虚断，流，又根据虚断，流过过2 2R R的电流与前者相等，也为的电流与前者相等，也为0 0，所以有：，所以有： u uo o= =u uI I讨论：在利用讨论：在利用“虚短虚短”、“虚断虚断”条件分析电路时要注意：条件分析电路时要注意：“虚短虚短”是指运放的同相端和反相端之间的净输入电压近似为是指运放的同相端和反相端之间的净输入电压近似为0 0。“虚断虚断”是指流入运放同相端和反相端的净输入电流近似为是指流入运放同相端和反相端的净输

27、入电流近似为0 0。容易出现的问题是，误认为运放输出端的电流也是容易出现的问题是，误认为运放输出端的电流也是0 0。第八章 集成运算放大器例6：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。V82ff2f2T RZURRRURRRUV32ff2f2T RZURRRURRRUuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6V上下限：上下限：uuu-A+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2第八章 集成运算放大器3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6Vuuu-A+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2第八章 集成运算放