《集成运算放大器》ppt课件

1、电工电子技术电工电子技术第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器主要内容主要内容集成运放的概念：实践运放集成运放的概念：实践运放 组成、主要参数、电压传输特性组成、主要参数、电压传输特性 理想运放，运放理想化的条件、主要参数、电压传输特性理想运放，运放理想化的条件、主要参数、电压传输特性集成运算放大电路中的反响，反响类型的判别判别准那么集成运算放大电路中的反响，反响类型的判别判别准那么运算放大器运用中应留意的问题运算放大器运用中应留意的问题运放的运用：线性运用；非线性运用。运放的运用：线性运用；非线性运用。6.1集成运放简介集成运放简介是模拟集成电路的最主要的代表器件。早期在计算机中实现某

2、些是模拟集成电路的最主要的代表器件。早期在计算机中实现某些数学运算，故名集成运算放大器。数学运算，故名集成运算放大器。是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级放大电路。是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级放大电路。运用：计算机、信号处置、信号丈量、自动控制等领域。运用：计算机、信号处置、信号丈量、自动控制等领域。特点：开环电压放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、温漂小、特点：开环电压放大倍数高、输入电阻高、输出电阻低、温漂小、可靠性高、体积小可靠性高、体积小。集成电路的分类：集成电路的分类： 小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；集成电路简介集成电路简介分立电路与集成电路

3、分立电路与集成电路集成电路的优点：任务稳定、运用方便、体积小、分量轻、功耗小。集成电路的优点：任务稳定、运用方便、体积小、分量轻、功耗小。集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件及导线做在同一个半导体基片上。将整个电路的各个元件及导线做在同一个半导体基片上。封装上外壳，向外引出假设干个引脚，构成一个完好的、具有一定封装上外壳，向外引出假设干个引脚，构成一个完好的、具有一定功能的电路。功能的电路。集成电路内部构造的特点集成电路内部构造的特点1. 电路元件制造在一个芯片上，元件参数偏向方向一致，温度均一电路元件制造在一个芯片上，元件参数偏向方向一致，温度均一性好。性好。2. 电阻元件由硅半导体构成

4、，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件替代或外接。值电阻用三极管有源元件替代或外接。3. 几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。难结的结电容构成、大电容要外接。难于制造电感。所以各级放大电路之间的衔接多采用直接耦合方式。于制造电感。所以各级放大电路之间的衔接多采用直接耦合方式。4. 集成电路中晶体控制造容易。二极管普通用三极管的发射构呵斥集成电路中晶体控制造容易。二极管普通用三极管的发射构呵斥基极和集电极短接。基极和集电极短接。模拟集成电路和数字集成电路模拟集成电路和数字集成电路模

5、拟电路模拟电路analogue circuit：是处置模拟信号的电路。主要研讨输入：是处置模拟信号的电路。主要研讨输入和输出信号之间的大小和相位等方面的关系。如：根本放大电路和输出信号之间的大小和相位等方面的关系。如：根本放大电路数字电路数字电路digital circuit：是处置数字信号的电路。主要研讨输入和：是处置数字信号的电路。主要研讨输入和输出信号之间的逻辑关系。输出信号之间的逻辑关系。 如：逻辑门电路如：逻辑门电路模拟信号模拟信号analog signals ：随时间延续变化的信号。：随时间延续变化的信号。数字信号数字信号digital signals ：时间上不延续的、离散的脉冲

6、信号，是可：时间上不延续的、离散的脉冲信号，是可以用二进制数以用二进制数0和和1表示的信号。表示的信号。模拟集成电路模拟集成电路analogue IC 运放运放数字集成电路数字集成电路digital IC 组合逻辑电路、时序逻辑电路组合逻辑电路、时序逻辑电路_UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS输入输入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相输输入入端端输入级输入级中间级中间级输出级输出级输输出出端端偏置电路偏置电路输入级：尽量减小零点漂移抑输入级：尽量减小零点漂移抑制干扰信号制干扰信号,尽量提高尽量提高 KCMRR

7、,输入阻抗输入阻抗 ri 尽能够大。都采用尽能够大。都采用差分放大电路。差分放大电路。中间级：进展电压放大，要求电压放大倍数高。普通采用共射极放中间级：进展电压放大，要求电压放大倍数高。普通采用共射极放大电路。大电路。输出级：主要提高带负载才干，给输出级：主要提高带负载才干，给出足够的输出电流和电压出足够的输出电流和电压 。即输。即输出阻抗出阻抗 ro小。普通由互补对称电小。普通由互补对称电路或射极输出器构成路或射极输出器构成偏置电路：为各级电路建立适宜的静态任务点，普通由各种恒流偏置电路：为各级电路建立适宜的静态任务点，普通由各种恒流源电路构成源电路构成例图例图6.1.1 运算放大运算放大器

8、的组成器的组成采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级普通采用差动放大器。采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级普通采用差动放大器。极极性性判判断断IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，添加输输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，添加输入电阻。为减小入电阻。为减小IBIB， 提高输入电阻，提高输入电阻，T1T1、T2T2采用复合三极管。采用复合三极管。 = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2 IC1IC2IB2R2T3R1R3-UEE+UCCui2u

9、oERCT1RCT2ui1T4ICIBIE 1 2 -UEE+UCCE ERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第第4 4级：互补对称射极跟随器级：互补对称射极跟随器差动放大器差动放大器第第2 2级级第第1 1级：差动放大器级：差动放大器第第3 3级：单管放大器级：单管放大器+ +集成运放内部构造举例集成运放内部构造举例极极性性判判断断重点掌握运放的什么知识？重点掌握运放的什么知识？ 符号实践运放、理想运放符号实践运放、理想运放 性能目的实践运放、理想运放性能目的实践运放、理想运放 输入方式输入方式 传输特性实践运放、理想运放传输特性实践运放、

10、理想运放 电路分析中，对任务在线性区的运放，理想化处置后，有些什么电路分析中，对任务在线性区的运放，理想化处置后，有些什么特点？特点？例图例图1：P104、105 图图3.1.3 图图3.1.46.1.2 6.1.2 主要参数主要参数P146 P146 理想运算放大器理想运算放大器一、开环电压放大倍数一、开环电压放大倍数Auo ：无外加反响回路的差模放大倍数。普：无外加反响回路的差模放大倍数。普通在通在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Aod为为。二、共模抑制比二、共模抑制比KCMMR ：常用分贝作单位，普通：常用分贝作单位，普通100dB以上。以上。 ri 大大: 几十几十k 几

11、百几百 k 实践运放：实践运放：KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A u o 很大很大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0Auo *运放符号：运放符号： u u+ uoAo实践运放的符号实践运放的符号理想运放的符号理想运放的符号_+ + u+u-u0*uu+ uo国际符号国际符号国内符号国内符号运放的三种根本信号输入方式运放的三种根本信号输入方式 6.1.3运放的传输特性运放的传输特性 u u+ uo Ao反相输入端反相输入端同相输入同相输入差分输入差分输入三种根本信三种根本信号输入方式号输入方式反相输入反相输入同相输入端同相输入端输出端输出

12、端+ ud输入电压输入电压输出电压输出电压CoOMEuUmaxuduo+UOM-UOM线性放大区线性放大区例：假设例：假设UOM=12V，Ao=106， 那么那么|ui|0时，时， 电流由输出端电流由输出端经经D2、表头、表头、 D4和电阻和电阻RF入地，入地， uo0;ux0时，时， 电流经由电阻电流经由电阻RF 、 D1 、表头和、表头和D3流流入输出端，入输出端， uo0 ;表头电流方向不变。表头电流方向不变。FxavRUI9 . 0表头指示值与反响电阻无关，即表头的内阻和二极管的非线表头指示值与反响电阻无关，即表头的内阻和二极管的非线性电阻不会影响丈量精度。性电阻不会影响丈量精度。2.

13、交流电压表电路交流电压表电路1mV表头表头100 10A10 100A1 1mA表头的满偏电压表头的满偏电压UG= IGRF=1mV+ RU = UF= IGRFIGIXGFXIRRI1.直流电流表电路直流电流表电路.2 电流表电路电流表电路U =U+ = IX R_+ + D2AavID1D4D3ix交流电流表电路与交流电交流电流表电路与交流电压表电路类似，但被测电压表电路类似，但被测电流从反相端引入。流从反相端引入。流过表头的电流为被测正弦流过表头的电流为被测正弦电流电流ix的全波整流平均值的全波整流平均值Iav。_+ + RFRGF2.2.交交流电流电流表流表电路电路xavII9 . 0

14、_+ + RFRGFSXXXURRRUUFGFRIUUUFGSFGXRIURIRIGRUsRXUX1mV表头表头3. 电阻表电阻表1121121)21 ()5 . 01 (iiouRRuRRu2122)21 (iouRRu第一级抑制第一级抑制零点漂移零点漂移第二级差动放大电路第二级差动放大电路R2R33 丈量放大电路丈量放大电路uo-+Aui1ui2uo1uo2R3R1R6R2-+A+-+A+R4R5R7+-+-+-)(21 (211221iioouuRRuu)21 (1221211RRuuuuAiioouf46122RRuuuAooouf第一级闭环电压放大倍数第一级闭环电压放大倍数第二级闭环

15、电压放大倍数第二级闭环电压放大倍数时当7654,RRRR)21 ( 124621RRRRuuAAAioufufuf总电压放大倍数总电压放大倍数例例 由三运放放大器组成的温度丈量电路。由三运放放大器组成的温度丈量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui热敏热敏电阻电阻集集成成化化:仪仪表表放放大大器器选择适宜电阻，使输出电压与温度之间有某一比例关系，可实现温度丈量及控制。选择适宜电阻，使输出电压与温度之间有某一比例关系，可实现温度丈量及控制。测测温温电电桥桥Rt=f (TC)ERRRREERRRutttti)( 22ERRRRRRRRRuRRRRRuttW

16、WiWWo)( 22212126.4 6.4 运放的非线性运用运放的非线性运用 信号处置电路信号处置电路 定义：就是一种选频电路定义：就是一种选频电路, 它能选出有用的信号它能选出有用的信号,而抑制无用的信号而抑制无用的信号,使一定频率范围内的信号能顺利经过使一定频率范围内的信号能顺利经过,衰减很小衰减很小,而在此频率范围而在此频率范围以外的信号不易经过以外的信号不易经过,衰减很大。衰减很大。滤波器作用：从实践信号中选取一定频率有用信号。滤波器作用：从实践信号中选取一定频率有用信号。滤波器滤波器滤波器分类滤波器分类按滤波电路按滤波电路的功能分的功能分低通滤波器低通滤波器LPFLPF带阻滤波器带

17、阻滤波器BEFBEF高通滤波器高通滤波器HPFHPF带通滤波器带通滤波器BPFBPF有源滤波、信号比较、信号采样坚持有源滤波、信号比较、信号采样坚持* *一、一、 有源滤波器有源滤波器由运算放大电路有源元件和其它元件组成。由运算放大电路有源元件和其它元件组成。对于幅频呼应，几个概念：对于幅频呼应，几个概念：通带：可以经过的信号频率范围定义为通带。通带：可以经过的信号频率范围定义为通带。阻带：把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带。阻带：把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带。截止频率：通带和阻带的界限频率叫做截止频率。截止频率：通带和阻带的界限频率叫做截止频率。)j (Ui )j (Uo filter

18、传送函数、幅频特性传送函数、幅频特性 相频特性相频特性ioioioUU)j (U)j (U)j (T ioUU)j (T io)( 幅频特性幅频特性相频特性相频特性传送函数传送函数 ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻滤波器分类滤波器分类(按频率特性进展分类按频率特性进展分类)：RCRiU oU RC10 j1Rj1UUioRCj11 0j11 CC1.一阶一阶RC低通滤波器无源低通滤波器无源0ioUU 10.707 0截止频率截止频率0j11)j (T 传送传送函数函数20)(11)j (T 幅频幅频特性特性此电路的缺陷：此电路的缺陷： 1 1、带负载才干差

19、。、带负载才干差。 2 2、无放、无放大作用。大作用。 3 3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。此处：此处：21ioUU通频带宽度通频带宽度(带宽带宽) :0 到到 0 /2设设R=10kR=10k ,C,C为以下各值时的带宽为以下各值时的带宽: :RC10 C 1F 0.047 F 0.01 F fo 16Hz 340Hz 1600HzoF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU RC11)1 (1jRRUUFio传送函数传送函数iUCj1RCj1U iUCjR11传送函数中出现传送函数中出现 的一次项的一次项,故称为一阶滤波器故称为一阶滤波器2. 2. 有源低通滤波器

20、有源低通滤波器1一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0幅频幅频特性特性201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 相频相频特性特性0arg 1、0 时：时：)RR1(UU1Fio 有放大作用有放大作用3、运放输出，带负载才干强。运放输出，带负载才干强。2、0 时：时：21)RR1 (UU1Fio 幅频特性与一阶无源低通滤波器类似幅频特性与一阶无源低通滤波器类似一阶有源低通滤波器电路特点一阶有源低通滤波器电路特点:幅幅频频特特性性201Fio)(11)RR1 (UU 2二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器RFoU iU RR1C+-+

21、CROiUU00时信号衰减得快些，常将两节时信号衰减得快些，常将两节为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使o RC电路串接起来。电路串接起来。幅频特性幅频特性o2oFio2j)(1AUU 传送函数中出现传送函数中出现 的二次项的二次项,故称为故称为二阶滤波器二阶滤波器二阶二阶一阶一阶oFURRRU11 UUiUCjRRU1RR1RFC+-+iU oU 低通低通RR1RFC+-+iU oU 高通高通RCjRRUUFio1-11)1 (1传送函数传送函数3. 一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器幅幅频频特特性性201)(11)1 (RRUUFioioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R

22、1) 0所谓非线性运用是指由运放组成的电路处于非线性形状，输出所谓非线性运用是指由运放组成的电路处于非线性形状，输出与输入的关系与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。有以下三种情况是非线性函数。有以下三种情况:1 运放处于非线性形状。运放处于非线性形状。2 运放处于线性形状，外围电路有非线性元件运放处于线性形状，外围电路有非线性元件(二极管、三极管二极管、三极管)。3 运放处于非线性形状，外围电路也有非线性元件运放处于非线性形状，外围电路也有非线性元件(二极管、三极管二极管、三极管)。集成运放的非线性运用集成运放的非线性运用分析方法：由于处于线性与非线性形状的运放的分析方法不同，分析方法：

23、由于处于线性与非线性形状的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放的形状，主要由有无负反响决议。所以分析电路前，首先确定运放的形状，主要由有无负反响决议。6.4.1电压比较器：用于比较输入电压和参考电压。电压比较器：用于比较输入电压和参考电压。1.恣意电压比较器恣意电压比较器2. 过零比较器过零比较器: (UR =0时时)3. 有限幅的过零比较器有限幅的过零比较器+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 1、 ui从反相端输入从反相端输入1 1 恣意电压比较器恣意电压比较器用于比较输入电压和参考电压用于比较输入电压和参考电压UR：参考电压：

24、参考电压 ui ：被比较信号：被比较信号 特点：运放处于开环形状。特点：运放处于开环形状。开环电压放大倍数很高。开环电压放大倍数很高。传输特性传输特性 2、ui从同相端输入从同相端输入+uouiURuoui0+Uom-UomUR传输特性传输特性当当ui UR时时 , uo = +Uom当当ui u- =0 时时, uo= +UOM当当u+ 0 时，时，uo1 0 , D2导通，导通，D1 截止，截止，uo = 0 ; 当当ui 0 , D2截止，截止，D1导通，导通，iFoURRu1处理方法：把普通二极管置于运算放大器的反响回路中。处理方法：把普通二极管置于运算放大器的反响回路中。 利用集成利

25、用集成运放高差模增益与二极管单导游电特性，构成对微小幅值电压进展运放高差模增益与二极管单导游电特性，构成对微小幅值电压进展整流的电路。整流的电路。 当当ui =0 时，时，uo1 = 0 , D2截止，截止，D1 截止，截止，uo = 0 ;uo-+AuIR1uo1R2RL+D1D21.运放的输出电压大于二极管的正向电压。运放的输出电压大于二极管的正向电压。 即即D1 和和 D2 总是一个导通，另一个截止，总是一个导通，另一个截止，这个电路就能正常检波。这个电路就能正常检波。思索题：如何获得正半波极性的输入信号？思索题：如何获得正半波极性的输入信号？精细半波整流电路正常任务的条件：精细半波整流

26、电路正常任务的条件：2.电路所要求的最小输入电压峰值为电路所要求的最小输入电压峰值为uDAU其中，其中， UD 为二极管的正向电压，为二极管的正向电压，1RRAFu答：二极管反向！答：二极管反向！uo-+AuIR1uo1R2RL+D1D26.4.2 6.4.3 6.4.2 6.4.3 信号产生电路信号产生电路 非正弦波信号产生电路产生：方波，三角波，锯齿波，等等P149 正弦波信号产生电路正弦波振荡电路 4.5 集成稳压电路集成稳压电路1.电电路路构构造造omHURRRU211omLURRRU211上下门上下门限电压：限电压：下行的迟滞比较器，输出经下行的迟滞比较器，输出经R-CR-C电路充放

27、电路充放电，再输入到此比较器的反相输入端。电，再输入到此比较器的反相输入端。+RR1R2C+ucuo6.4.2 矩形波发生电路矩形波发生电路uc与与u+比较比较此电路中既有负反响又有正反响此电路中既有负反响又有正反响2.任务原理任务原理a. 设设 uo = + UOM此时，输出给此时，输出给C 充电充电!那么：那么：u+=UH一旦一旦 uc UH , u- u+ ,uc UH 时，时，u- 1，以便起振；，以便起振；_+ + RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐渐增大那逐渐增大那么么RT逐渐减小，使得输逐渐减小，使得输出出uo为某值时，为某值时，|AF|=1，从而稳幅。从而稳幅。能自

28、行启动的电路能自行启动的电路2R22为一小电阻，为一小电阻，使使(R21+R22)略大略大于于2R1，|AF|1，以便起振；以便起振；_+ + R21RCCR1R22D1D2随着随着uo的添加，的添加，R22逐渐被短接，逐渐被短接，A自动自动下降到使下降到使|AF|=1，使，使得输出得输出uo稳定在某稳定在某值。值。输出频率的调整：输出频率的调整：RCfo21经过调整经过调整R或或/和和C来调整频率。来调整频率。_+ + RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：双联可调电容，改动：双联可调电容，改动C，用于细调振荡频率。用于细调振荡频率。K：双联波段开：双联波段开关，切换关，切换R，用

29、于粗调振用于粗调振荡频率。荡频率。电子琴的振荡电路：电子琴的振荡电路：2121RRCfo_+ + RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21用分立元件组成的用分立元件组成的RC振荡器振荡器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF+ubeRC网络正反响，网络正反响，RF、RE1组成负反响，调整到组成负反响，调整到适宜的参数那么可产生振荡。适宜的参数那么可产生振荡。LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价钱较高，所以普通用分别元件组成放大

30、电路。荡。由于高频运放价钱较高，所以普通用分别元件组成放大电路。*6.4.3.2 LC正弦振荡电路正弦振荡电路 适用于高频振适用于高频振荡荡+ 5.3.1 变压器反响式变压器反响式正正反反响响+UCCCC1C2+UCCCC1L1L2C2DuL1uL2uC设设uB uC uD uB uL2 ube uL1 频率由频率由C 、 L1 、 L2谐振谐振网络决议。网络决议。正反响正反响设设uB uC uC1 uC2 uB 频率由频率由 L 、 C1 、 C2 组成的谐振网络决议。组成的谐振网络决议。+UCCC1LC2ABC+uLuC1 dtduCdtduCiCC2211uC1减小时，减小时， uC2如

31、何变化？如何变化？设设L 、 C1 、 C2 组成的谐振网组成的谐振网络中的电流为络中的电流为i ，那么，那么ii5.3.2 电容反响式电容反响式正反响正反响+UCCC1C2设设uB uC uE ube uA AECBube +uC1 频率由频率由 L 、 C1 、 C2 组成的谐振网络决组成的谐振网络决议。议。底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b) (a) 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 (b) 外形图外形图 石英晶体谐振器是晶振电路的中心元件石英晶体谐振器是晶振电路的中心元件5.4 石英晶体正弦振荡电路石英晶体正弦振荡电路 5.4.1. 石英晶体的根本构造石英晶体的根本构造石英晶体作为一个谐振回路具有极高的频率稳定度。石英晶体作为一个谐振回路具有极高的频率稳定度。当石英晶体遭到交变电场作用时当石英晶体遭到交变电场作用时,即在两极板上加以交流电即在两极板上加以交流电压压,石英晶体便会产活力械振动。反过来石英晶体便会产活力械振动。反过来,假设对石英晶体施假设对石英晶体施加周期性机械力加周期性机械力, 使其发生振动使其发生振动,那么又会在晶体外表出现相那么又会在晶体外表出现相应的交变电场和电荷应的交变电场和电荷,即在极板上有交变电压。当外加电场即在极板上有