集成运算放大器及其应用

1、集成运算放大器及其应用第一节第一节 直接耦合放大器直接耦合放大器 直接耦合放大器 级与级之间不经电抗元件而直接连接的方式，称为直接耦合。 UCCRB1RRC1RC2UCCiU oU RB2VT1VT2 零点漂移 当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。 产生原因 温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第一级产生的零漂对放大电路影响最大。 各级工作点相互影响 适于放大直流或变化缓慢的信号 电压放大倍数为各级放大倍数之积 零点漂移第二节第二节 差动放大电路差动放大电路 基本差动放大电路基本差动放大电路 典型差动放大电路典型差动放大电路

2、具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式一、基本差动放大电路一、基本差动放大电路 电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。1. 抑制零点漂移的原理静态时，ui1=ui2=0，由于电路对称C1C2II CE1CE2UU oCE1CE20uUU RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2uiUCCuoVT1 VT2温度上升，引起两边电流变化 C1C2II CE1CE2UU oCE1CE20uUU 由于电路对称，零漂被抑制。 2. 动态工作原理 差模信号 极性相反，幅值相同的信号。 u i1=u i2 共模信号 极性相同，幅值相同的信

3、号。 u i1= u i2差模输入（信号）ii1i22uuu C1C2II CE1CE2UU oCE1CE2CE12uUUU 共模输入（干扰信号）ii1i20uuu C1C2II CE1CE2UU oCE1CE20uUU CE1CE1dii1CE1i12/2/ 2 /AuuUUuU C0A 差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。共模、差模同时输入12ididid2uuu 12icicicuuu idi1ic2uuu idi2ic2uuu idi1i2uuu ici2i11)(2uuu odidcicA uA uu 若电路完全对称，AC0，只有差模信号输出，若电路不完全对称，A

4、C0，既有差模信号又有共模信号输出。二、典型差动放大电路二、典型差动放大电路 加入射极公共电阻RE（共模反馈电阻）可以克服电路不完全对称引起的零漂 。 负电源EE的作用是补偿RE上的电压降，从而保证两管有合适的静态工作点。 RCRCRB1RB1RPREEEUCCui1ui2uiuoVT1 VT2TIC1IC2IEUEUBE1UBE2IB1IB2IC1IC2 RE 能够抑制零漂、共模信号，对差模信号无影响。且RE越大，抑制作用越强。但EE也需增大。 RP 为调零电阻，用来调节平衡。一般取值不大。LdB1be()R ARr RL=RC/(RL/2)接入负载电阻RL 电路分析静态时流过RE电流=IE

5、1+ IE2=2IE动态时CdB1be()RARr 由于RE对差模信号无影响。忽略RP的影响KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。 Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数KCMR 越大，抑制共模信号越强。dCMRCAKA 共模抑制比（KCMR）差模输入电阻rid2(RB1+rbe) 忽略RP输出电阻ro2RC三、具有恒流源的差动放大电路三、具有恒流源的差动放大电路RCRCRB1RB1RPUCCuoVT1 VT2UEERRR1R2RE3V3ui R1、R2提供 稳定的iB ，晶体管工作在放大区时，iC近似恒定。 rCE。ui1ui2VT3、RE3、R1、R2组成具有恒流源特性的电路。 电路采用

6、恒流源代替RE，其等效电阻大，抑制共模信号、零漂能力强，又不需要过大的负电源UEE。 UEEuiuo四、差动放大电路的输入输出方式四、差动放大电路的输入输出方式 双端输入、双端输出的差动电路 单端输入、双端输出的差动电路输入差模信号近似均匀的分布在两个管子上主要技术指标与双入双出一致。RB1单端输出只取自一个管子的集电极变量。依对称性：dd 12AA 双双端端输输出出roRCuo 单端输入、单端输出的差动电路RB1UCCRCRC 双端输入、单端输出的差动电路第三节第三节 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单

7、介绍 集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标 集成运算放大器的理想化模型集成运算放大器的理想化模型 集成运算放大器的电压传输特性及其分析特集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点点一、集成运算放大器的特点一、集成运算放大器的特点 集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。 运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。 二、集成运算放大器的简单介绍二、集成运算放大器的简单介绍1. 集成运放的组成差动输入级中间级输出级偏置电路输入输出抑制零漂，共模抑制比高低输出电阻，多采用射随器放大作用的主要单元提供各级静态电流

8、2. 集成运放的管脚图及符号F007管脚图F 741（F 0 07）12348765符号A 反相输入端B 同相输入端F 输出端 Au u+uuoABF 信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。 信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。 三、集成运算放大器的主要技术指标三、集成运算放大器的主要技术指标1. 输入失调电压Uio当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。 其值越小越好 （5mV）2. 输入失调电流Iio输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。 IioIB1IB2 其值越小越好 （110nA）3. 开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大

9、倍数 其值越高越好 （104107）5. 最大输出电压Uopp 输出不失真的最大输出电压值6. 共模抑制比KCMR F741 通用型集成运放通用型集成运放 F324通用型单电源四运放通用型单电源四运放 AD547 低温漂精密运放低温漂精密运放 OP07低输入失调电压精密运放低输入失调电压精密运放 AD744 高速运放高速运放常用集成运放芯片四、集成运算放大器的理想化模型四、集成运算放大器的理想化模型 实际运放 u+uuoriroAuoUiuiAuo很高， 104ri很高，几十几百kro很低，几十几百KCMR 很高 理想运放 u+uuoAuoUiuiAuori=ro=0KCMR五、集成运算放大器

10、的电压传输特性五、集成运算放大器的电压传输特性 及其分析特点及其分析特点 运算放大器的电压传输特性 集成运放的输出电压uo与输入电压ui (u+u)之间的关系uof (ui) 称为集成运放的电压传输特性。uoui+UOMUOMuoAuo ui = Auo(u+u) ui |UiM| ，运放饱和， 工作在非线性区线性区引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。O uoud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。uoui+UOMUOM理想运放的电压传输特性ui 0， |uo|UOM即u+ u时，运放处于非线性区。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭

11、环放大倍数。 O 运算放大器的分析特点1. 线性区 集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。 虚短 uoAuo（uu） AuouuuoAuo0uu 当u0 （接地） u u 0 称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。 u+uuoui 虚 断 流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。 riII+ 02. 非线性区 在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。 u+IuouI+ 例、利用理想运放组成的二极管检测电路，求出流过VD的电流 iD 及VD两端的电压uD。 uoui15VVDiDiRii 0 uu0 iiiDR015m

12、A10mA1.5uiiR Do0.67Vuu 解：虚地点第四节第四节 集成运放在信号运算电集成运放在信号运算电路中的应用路中的应用 分析线性区理想运放的两个概念分析线性区理想运放的两个概念 基本运算电路基本运算电路一、分析线性区理想运放的两个概念一、分析线性区理想运放的两个概念 虚短uuII+ 0 虚断 u+IuouI+二、基本运算电路二、基本运算电路 比例电路 uouiifi1R1R2Rf1. 反相比例电路 i+0 （虚断） u +0 u + u 0 （虚地点） i1=u iR1 if = uuo=uoRf i i +0 i 1 i f即 ui/R1=uo/ Rf ofufi1uRAuR u

13、o、ui 符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。 电路中引入深度负反馈， 闭环放大倍数Auf 与运放的Au无关，仅与R1、Rf 有关。 R2 平衡电阻 同相端与地的等效电阻 。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。 R2R1/Rf 当R1Rf 时， uoui ，该电路称为反相器。2. 同相比例电路 uouiR2R1Rf i+0 （虚断） u + ui u + u ui （虚短） i1=（0u i）R1 if = (uuo )Rf =( u iuo)Rf i i +0 i 1 ifofufi11uRAuR ioif1uuuRR ifi1 当Rf有限值时，R1 +uoui

14、 R2 平衡电阻 R2R1/RfAuf =1 电路成为电压跟随器。 uoui 此电路输入电阻大，输出电阻小。例1、应用运放来测量电阻的电路如图，U10V，R1=1M，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。Rx R1 U V解:此电路为反相比例电路oxufi1uRAuR 651xoooi101010RRuuuu 例2、理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。 uouiR1R3R2R4解:此电路为同相比例电路2o1i1uRuR 判断这个等式 、啊，见鬼了!哈，very good! uouiR1R3R2R4u+解:此电路为同相比例电路2o11uRuR 4

15、i34RuuRR 42oi314(1)()RRuuRRR 例3、图示电路为T形反馈网络的反相比例电路，试推算输出输入之间的关系。 uouii2i1R1RR2R3R4i4i3MM212i20RuiRRu 22M3i13133uRRiuiRR RR MR424o223()uuuiiiRR 24423()iiRRR 42ii24131()uuR RRRRRR u + u 0 （虚地点） i i +0 i 1 i2 = u iR1解:2424o13i/(1)uRRRRuRR 此电路只在要求放大倍数较大、输入电阻较高和避免阻值过高时才采用。 加法运算电路uo ui2ifi2R2RPRf0ii123fii

16、ii 0 uui111uiR i222uiR i333uiR offuiR oi1i2i3f123uuuuRRRR i1i2i3fo123()uuuuRRRR ui3i3R3ui1i1R1123fRRRR 若若oi1i2i3()uuuu 123/RRRRR 平平衡衡电电阻阻f fP P 在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。 求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。 减法运算电路（差动运算电路） uoui2ifi1R1R2Rfui1R3i1i10 ()uu 接接地地f3o1i2123(1)()RRu

17、uRRR i2i20 (uu 接接地地）fo2i11RuuR oo1o2f3fi2i11231(1)()uuuRRRuuRRRR 利用叠加原理同相端输入ui1反相端输入当 R1= R2= R3= Rf =R 时，uo= ui2ui1 (减法器） 3f21foi2i11 , ()RRRRRuuuR R2/ R3 = R1/ Rf 平平衡衡条条件件当例4、用运放组成的直流毫伏表电路如图所示，设表的内阻可忽略，试求Io与VS的关系。 VoVSI2I1R1R1mAIoI解: 电路实为反相比例电路RVo=VSI1= I2 ( 虚断）Io= II2=Vo/RVS/R1I=Vo/RI1= I2= VS/R1

18、=VS(1 /R+ 1 /R1)例5、已知RF4R1，求uo与ui1、 ui2的关系式。 A1 +ui1 A2 uoui2R1R2RFuo解:A1为跟随器；A2为差放。uo= ui1Foi21(1)RuuR FFi2i111(1)RRuuRR uo5 ui24 ui1Fo1RuR 例6、如图，求uo 与 ui1、ui2的关系式。 A1 +ui1 A2 uoui210kuo10k30k10k6k解:oi1i23030()610uuu oo1010uu i1i253uu A1为反向加法器；A2为反相比例电路。i1i2(53)uu 例7、如图，求uo 。 A1 + A3 uo100kuo150k80

19、k20k A2 +12k50k100k12k11k30k60kuo20.3V0.4V A1：反相比例 A2：同相比例 A3：差动输入解：o180() ( 0.3)V1.2V20u o26012(1)0.4V0.6V3012 12u oo2o1100()1.2V50uuu 积分电路 uouiiCi1RRPC（虚虚断断） 1iiC i1uiR 1dCCtuiC oi1dtuuRC o Cuu uituotUOMuo正比于ui的积分PRROO 延迟 积分电路的应用uitUuotTU信号延迟时间T后，电压值达到U 方波转化为三角波 uituotOOOO 微分电路 iR uiRRPCiCuo RCii

20、oRuiR oddCuuCtR oddiuRCut ddCCuiCt uo正比于ui的微分uituotPRR o Ruu OO例8、电路如图，已知运放UOM=10V，输入信号波形如图，R1M，C，求输出波形。 （电容初始能量为零） uiRRPCuoui /vt/s1ORC=11060.05106oi 01d20ttttuuRCRC uo = UOMAX10s =20 tt = uo/vt/s100.5解:O例9、电路如图所示，已知R1=R2=10k,C=0.1F,集成运放UOM=18V,求：试导出uo与u1、u2关系式； 已知u1、u2波形，试画出uo波形 。 u1R1RCuou2R2ddCC

21、uCit o1dCCtuuiC 121212CuuiiiRR 12o121()duutuCRR 1221121111(dd )d(tttuuuuCCCRRR t =10ms1012o0110301()d11.5d10utuuCRt =15V t =20ms uo = 10Vu1 /vt/ms10.50.5t/ms10102020u2 /vuo/vt/ms1510 201012OO例10、已知运放UOM=15V试求图中uo1、 uo2、 uo3及开关S闭合后uo的值。 A1 +2Vuo1 A2 uo2R10k10k10k20k A3 uo3R20k Ruo1F10kS解:o12Vu o220(1

22、)0.5V1.5V10u o3o2o120()2( 21.5)V1V10uuu 输出电压超出UOM，uo=15V 0.2o 3o3601(0.2)d101011020Vutu 第五节第五节 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 反馈的基本概念反馈的基本概念 反馈类型及其判别反馈类型及其判别 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响一、反馈的基本概念一、反馈的基本概念 正反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变大。负反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变小。1. 反馈：指将输出量的一部分或全部按一定方式送回到输入回路来影响输入量的一种连接方式。 放大电路反馈电路输出信号反馈信号输入信号比较

23、环节净输入信号iX fX dX oX difXXX 2. 反馈放大器的一般分析 开环放大倍数：odXAX 反馈系数：foXFX 闭环放大倍数:ofiXAX 负反馈放大器的一般关系oodfdfddfd/=+/+/1+XX XAAXXX XX XAF 反馈深度1+AA 正反馈1+1AF f1AF f1=1+AAAFAFAF 深度负反馈 当A很大时,负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关，只与反馈网络有关。二、反馈类型及其判别电压负反馈 反馈信号取自输出电压,反馈信号与输出电压成比例;电流负反馈 反馈信号取自输出电流,反馈信号与输出电流成比例;串联负反馈 反馈信号与输入信号以串联的形式作用于输入端；

24、并联负反馈 反馈信号与输入信号以并联的形式作用于输入端。串联电流负反馈 电压并联1. 反馈类型2. 反馈类型的判别 反馈类型的判别包括反馈极性 、直流反馈或交流反馈、电压反馈或电流反馈以及串联或并联反馈的分析判定。 正反馈或负反馈的判别 瞬时极性法 假定输入信号在某一瞬时对地极性为正。 由各级输入、输出之间的相位关系，分别推出其它有关各点的瞬时极性。 判别反映到电路输入端的作用是加强了输入信号还是削弱了输入信号。若加强则为正反馈，削弱则为负反馈。 电压反馈与电流反馈的判别 输出短路法 令输出电压端口短路，若此时反馈信号仍存在（非0），则电路为电流反馈，反之为电压反馈。 并联反馈或串联反馈的判别

25、净输入信号与负反馈信号是并联关系，且有difUUU 净输入信号与负反馈信号是串联关系，且有difIII A1 +ui A2 uoRRRuoRRF例、判断下图反馈类别。负反馈若ui0， uo0， 则uo0电压反馈difIII İiİf显然有并联反馈交、直流并联电压负反馈三、负反馈对放大器性能的影响三、负反馈对放大器性能的影响 电压放大倍数被降低 电路加入负反馈，使净输入信号减小，等于削弱了输入信号，使得放大倍数减小。 增加放大倍数的稳定性 电路加入负反馈，放大倍数被降低的同时，也使由于温度、负载、元器件等条件变化而引起的放大倍数的变化大大减小，放大倍数的稳定性得到提高。 扩展通频带|A| fBO

26、BF 电路加入负反馈，通频带由BO加宽到BF 。 减小非线性失真 电路加入负反馈，使净输入信号减小，iC减小，改善了非线性失真。、|Af|O 串联负反馈增加输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。 电压反馈能稳定输出电压，减小输出电阻；电流反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。 抑制干扰和噪声放大电路反馈电路加入负反馈的电路，以降低放大倍数为代价，换来了放大器诸多方面性能的改善。 第六节第六节 集成运放在信号处理方集成运放在信号处理方面的应用面的应用 有源滤波器有源滤波器 采样保持电路采样保持电路 电压比较器电压比较器运放的非线性应用 非线性应用电路具有两种类型， 一类是运放本身工作在非线性状态，如开环

27、或正反馈状态。 另一类是运放本身工作在线性状态，由外部电路中引入了非线性元件，使输出与输入不再是线性关系。 滤波电路的种类:按电路功能: 低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按所用元件: 无源滤波器和有源滤波器按阶数: 一阶、二阶、 、高阶 一、有源滤波器 所谓滤波器，它能使一定频率范围内的信号顺利通过，而在此频率范围以外的信号衰减很大，不易通过。RR1RFC+-+iU oU 一阶有源低通滤波器i11jjUUCRC i1jURC fo+11RUUR oFufi11 =(1)1jURAURRC 01 RC 令令f1uf011jRRA f1uf201|1RRA 0 fuf01uf1|22RAR

28、A 称0为截止角频率 001 1 =2RCfRC |Auf| |Auf0|0.707|Auf0|0幅频特性曲线O 二阶有源低通滤波器RR1RFC+-+iUoUCR阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器|Auf| |Auf0|理想低通一阶低通二阶低通O二、采样保持电路RC+-+iU oU S控制信号控制信号ui/uot采样采样采样保持保持保持 采样保持电路能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。OO三、电压比较器三、电压比较器 过零比较器 比较器是一种用来比较输入信号ui和参考电压UR的电路。 uiRRPuououi+UOMUOMu+ u时， 即ui 0 ，uoUOMui 0 负饱和uo

29、UOM uoui+UOMUOMO若ui为正弦波 uituotUOM+UOMuo为方波 关于UOM 饱和电压UOM UCC OO 任意电平比较器 限幅措施 uiRRPuoUZui 0 负饱和uo (UZ+UD) uoui+UZUZui UR 负饱和uo UZ uoui+UZUZUR uiR1R2uoUZUROO常用集成比较器LM311电压比较器12348765+V+GNDV 比较器的特点及分析方法 比较器中运放处于开环或正反馈状态，输入与输出之间成非线性关系，因此虚短等深度负反馈概念不再适用，仅在判断临界状态时才适用。uT=UR临界电压，可称为门槛电平 ui=UT时， u+=u， uo=0在 u

30、i UT 和 ui UT 两种不同情况下，比较器输出两个不同的电平（高、低），当ui变化经过UR时，输出发生跃变。比较器的分析应从输出跳变时所对应的输入电压值（即阀值电压值）来分析输入输出之间的关系。ui 3V 正饱和uo+ 4.7 uo/Vui/V3 3VR1R2uo4Vui例1、比较器电路如图，试画出电路传输特性曲线。稳压管正向导通电压。O例2、电压比较器电路如图所示，已知运放UOM=15V, UZ=7V,稳压管正向电压忽略 (1) 画出电压传输特性uo=f(ui)曲线。 (2)若在输入端加入如图所示正弦曲线，试画输出电压波形。 uiR1Ruo2VRU+=(2/2R)R=1V ui= u1V uo=UZ=7V ui= u1V uo= +UZ = 7V解：ui/Vt4uo/Vui/V+7711uo /Vt7+7OOO例3、电路如图所示，已知运放UOM，画出电压传输特性uo=f (ui)曲线。解：u 0 负饱和uo UOM R112UuRRR u0， ui =UT1TR2RUUR uoui+UOMUOMUT uiR2RPuoR1URi212uRRR O第七节第七节