第3章_集成运算放大器1102更新

1、主要要求：主要要求： 了解零点漂移的产生原因及消除了解零点漂移的产生原因及消除了解差动放大电路的作用、性能指标了解差动放大电路的作用、性能指标差分放大电路一、零点漂移现象F现象：放大电路的输入信号为零时，输出端出现无规则现象：放大电路的输入信号为零时，输出端出现无规则输出电压。输出电压。F主要原因：温度变化引起，也称（零）温漂。电源电压波动、元件老化等也会产生输出电压的漂移。F抑制方法：直流负反馈、温度补偿、差分放大电路抑制方法：直流负反馈、温度补偿、差分放大电路二、差分放大电路ui1ui2V1V2温度变化和电源电压波动，温度变化和电源电压波动，都将使都将使V1、V2集电极电流集电极电流产生变

2、化，且变化趋势是产生变化，且变化趋势是相同的，因此当从相同的，因此当从V1、 V2 集电极输出信号时，其变集电极输出信号时，其变化量相互抵消，化量相互抵消，理想情况理想情况下，没有温漂。下，没有温漂。ui1ui2V1V2差分放大电路的四种形式双端输入-双端输出双端输入-单端输出单端输入-双端输出单端输入-单端输出ui1ui2V1V2差分放大电路的性能指标差分放大电路的性能指标差模电压放大倍数共模电压放大倍数共模抑制比+_uidIDOUDUUA差模输入电压+_uicICOUCUUAdBUUKICOCMRlg20差动放大电路的改进形式I当电路对称性不好时，将产生零漂，故在两管发射极之间增加一阻值很

3、小的调零电位器Rw，以使电路对称。增加Re的阻值，可以增加抑制零漂的效果，但同时需要提高电源电压，并且在集成电路中，大阻值电阻制作困难，所以改用恒流源代替。了解集成运放的组成了解集成运放的组成熟悉集成运放的性能指标熟悉集成运放的性能指标掌握分析集成运算放大电路的基本方法掌握分析集成运算放大电路的基本方法掌握基本运算电路的结论掌握基本运算电路的结论集成运算放大器 优点优点：体积小，重量轻，功耗低，可靠性：体积小，重量轻，功耗低，可靠性 高，价格便宜。高，价格便宜。 分类分类1：SSI，MSI，LSI，VLSI。 分类分类2：数字集成电路，模拟集成电路。：数字集成电路，模拟集成电路。 模拟集成电路

4、模拟集成电路：集成运算放大器集成运算放大器，集成功，集成功率放大器，集成稳压电源，集成率放大器，集成稳压电源，集成A/D、D/A转换器等。转换器等。集成器件的简单介绍集成器件的简单介绍 集成运算放大器的简称：集成运算放大器的简称：集成运放集成运放。 集成运算放大器：集成运算放大器：是一种高放大倍数、高是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器。大器。 集成运放的应用几乎遍及所有电子技术领集成运放的应用几乎遍及所有电子技术领域，如应用于信号运算、信号处理、信号域，如应用于信号运算、信号处理、信号测量等。测量等。 各级之间采用各级之间采用直接耦

5、合直接耦合，不采用电容元件，不采用电容元件，大多采用外接电容器。大多采用外接电容器。 输入级采用输入级采用差分放大电路差分放大电路，温度漂移很小。，温度漂移很小。 采用采用晶体管恒流源晶体管恒流源代替电阻。代替电阻。 集成电路中的二极管都采用集成电路中的二极管都采用晶体管晶体管构成。构成。集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点运算放大器方框图运算放大器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输入级输入级采用差分放大电路，有同相采用差分放大电路，有同相和反相两个输入端，要求应尽量减和反相两个输入端，要求应尽量减小零点漂移，尽量提高小零点漂移，尽量提高KCMR，输入，输入电阻尽

6、可能大。电阻尽可能大。n集成运放的组成集成运放的组成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中间级中间级主要完成电压放大，所以应有主要完成电压放大，所以应有足够大的电压放大倍数，一般采用多足够大的电压放大倍数，一般采用多级共射放大电路组成。级共射放大电路组成。输出级输出级要求输出电阻小，带负载能力强，要求输出电阻小，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，一般由互补能输出足够大的电压和电流，一般由互补功放或射级输出器构成。功放或射级输出器构成。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偏置电路偏置电路的作用是为上述各级电路提供的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流

7、，决定各级的静稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。态工作点，一般由各种恒流源电路构成。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 - + + u u+ uo Aod集成运放在电路中的图形符号集成运放在电路中的图形符号同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端表示放大器表示放大器电压放大倍数电压放大倍数F007F007（5G245G24）外引线图）外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V接接 线线 图图俯俯 视视 图图CCVEE

8、VOUTININ 输入失调电压输入失调电压 UIO； 输入失调电流输入失调电流 IIO； 输入偏置电流输入偏置电流 IIB； 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo； 最大差模输入电压最大差模输入电压 Uidmax； 最大共模输入电压最大共模输入电压 Uicmax； 最大输出电流最大输出电流Iomax； 最大输出电压最大输出电压 Uomax； 差模输入电阻差模输入电阻 rid 和输出电阻和输出电阻ro。n集成运放的主要参数集成运放的主要参数 ri 高：几高：几M 实际运放：实际运放：理想运放：理想运放： rid KCMRR很大很大KCMRR ro 小：小：几百几百 ro 0 A o

9、很很大大:104 107Ao n理想运放理想运放 u u+ uo A0 u u+ uo A0 u u+ uo uu+ uo运算放大器符号运算放大器符号 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+ 输出端输出端 uo美国符号：美国符号：国内符号：国内符号：分为线性区和饱和区分为线性区和饱和区+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou)(oduuAuo线性区很线性区很窄窄, ,运放运放在线性区在线性区工作工作, ,通通常引入深常引入深度电压负度电压负反馈反馈 集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性线性区：线性区：n集成运放的线性应用概述集成运放的线性

10、应用概述运放线性应用的必要条件 负反馈运放线性应用的分析要点虚短虚断运放的同相输入端和反相输入端的电位“无穷”接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。U+=U-运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于0，好象断路一样，但却不是真正的断路。I+=I-0理想运放线性区放大倍数趋于无穷大，在输入端只要加一个非无穷小的电压，其输出就会超出其线性工作区，因此，只有电路引入负反馈，才能使其工作于线性区。三三 集成运算在模拟信号运算方面的应用集成运算在模拟信号运算方面的应用n 比例运算电路比例运算电路1. 1. 反相比例运算电路反相比例运算电路fii 10uu111RuRuuiiifFFoouuuiRR i1

11、FouRRu1FiofRRuuAuR R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o1ifi平衡电阻：平衡电阻：保证输入端保证输入端对地的静态电阻相等对地的静态电阻相等F12/ RRRR R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o1ifi引入电压并联负反馈引入电压并联负反馈R RR R2 2R R1 1F Fu ui iu uo o电位为零电位为零电位为零，电位为零，虚地虚地注意：虽然虽然0uu但不能将反相输但不能将反相输入端和同相输入入端和同相输入端直接相联或者端直接相联或者直接接地直接接地R RR R2 2R R1 1F Fu ui iu uo oAuf=-（RF/

12、R1）= -20/10= -2uo= Auf ui=(-2)(-1)=2VR2=R1/RF=10/20=6.7 k 例：例：R1=10k , RF=20k , , ui = -1V= -1V。 求：求：uo 、R2应为多大？应为多大？R RR R2 2R R1 1F Fu ui iu uo o1. 1. 反相比例运算电路反相比例运算电路oiuu oFfi11uuRAuR 1 FRR当 时：此时的电路称为此时的电路称为反相器反相器ib+ =0ib- =0,u-= u+=0_+ + RFR1RPuiuoi1iFib-ib+R2R3i2 i3uFi1 =iF = i2 +i3uiR1-uFRF=-u

13、FRFuF -uoR2uFR3+uo = - ui R1RF + R2 +RF R2R3R1RF + R2 +RF R2R3Auf= RP=R1/(RF + R2 /R3)1. 1. 反相比例运算电路反相比例运算电路1. 1. 反相比例运算电路反相比例运算电路电流并联负反馈电流并联负反馈：该电路可以用低阻该电路可以用低阻值的值的RF 获得较高的获得较高的电压放大倍数。电压放大倍数。_+ + RFR1RPuiuoi1iFib-ib+R2R3i2 i3uF2. 同相比例运算电路同相比例运算电路u-= u+= uii+ =0i- =0_+ + RFR1R2uiuoiFi1Auf=1+RFR1iF=i

14、1R R2 2=R=R1 1/R/RF F1i2ioRuRuu F1电压串联负反馈电压串联负反馈_+ + RFR1R2uiuoiFif例：例： R1=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，R2应应为多大？为多大？uo= Auf ui=(3)(-1)= -3VR2=R1/RF =10/20=6.7 k Auf=1+ =1+20/10=3RFR1R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui i1Fiof1RRuuAu思考：当当1R0FR或或此电路有什么特点？此电路有什么特点？uRRu)1(1Fo2. 同相比例运算电路同相比例运算电路Auf=1uo

15、=ui即输出电压与输入即输出电压与输入电压电压大小相等大小相等，相相位相同位相同，该电路称，该电路称为为电压跟随器电压跟随器。_+ + RFR1R2uiuo电压跟随器电压跟随器R1=u+= u = 7.5V电压跟随器电压跟随器_+ + 7.5k+15Vuo15k15k因为因为u+= 7.5V所以所以uo= u = 7.5Vi313Fi212Fi111FouRRuRRuRRun加法运算电路加法运算电路i21212uiRi11111uiRi31313uiR131211fiiiiFofRuiFfoRiu1. 1. 反相加法器反相加法器R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou u

16、i i1 1u ui i2 2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11 1R R1 13 311i12i13ifiFoi1i2i3RuuuuR 111213 RRRR当时 ，1. 1. 反相加法器反相加法器R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui i1 1u ui i2 2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11 1R R1 13 311i12i13ifi实现了实现了和放大和放大111213 FRRRRR当时 ，oi1i2i3uuuu 实现了实现了加法运算加法运算平衡电阻平衡电阻F1312112/RRRRR 加法运算与运算放大器本身的参数无关加法

17、运算与运算放大器本身的参数无关, ,只要电阻阻值足只要电阻阻值足够精确够精确, ,就可保证加法运算的精度和稳定性就可保证加法运算的精度和稳定性. .R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui i1 1u ui i2 2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11 1R R1 13 31. 1. 反相加法器反相加法器n减法运算电路减法运算电路R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 3R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u u

18、i3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1R R3 3R R2 2R R1 1R RF Fu uo oR R3 3u ui2i2由同相输入及反相由同相输入及反相输入的结论，运用输入的结论，运用叠加定理：叠加定理：ooouuui11FouRRui23231Fo1uRRRRRuR R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 3R R2 2R RF Fu uo

19、 oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u ui3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1R R3 3R R2 2R R1 1R RF Fu uo oR R3 3u ui2i2i23231Fi11Fo1uRRRRRuRRuooouuu123/FRRRR平衡电阻满足：实现了实现了差放大差放大思考：如何选择电阻，能得出如下结论思考：如何选择电阻，能得出如下结论Foi2i11(1) RuuuRoi2i1(2) uuuR R1

20、1=R=R2 2,R,RF F=R=R3 3还需：R RF F=R=R1 1R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 3R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u ui3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1R R3 3R R2 2R R1 1R RF Fu uo oR R3 3u ui2i2实现了实

21、现了减法运算减法运算312FRRRR或例例. R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V， ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo_+ + R2R1R1R2ui1_+ + ui2_+ + R2R1RPuo= (uo2- uo1)=(20/10)3-(-1) =8VR2R1uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V例例. 若若ui1=sin t V， ui 2=1V =1V ，求，求: :uo uo1= ui1= sin t Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3Vuo= (uo2 - uo1)=(20/10)(3- sin t )=6 -

22、2 sin t VR2R1n积分运算电路积分运算电路R R2 2R R1 1C CF Fu ui iu uo ou uc c1if1RuiituCRtiCuud1d1iF1fFco反相输入反相输入0u虚地虚地1ifiR1 = R2反相积分器：反相积分器：如果如果u i=直流电压直流电压U(阶跃信号阶跃信号), 输出将输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。反相积分，经过一定的时间后输出饱和。0111toFFuUdtRCUtRC tui0U()11o satMFUUTRC 1()Fo satMRC UTUtuo0-Uo(sat)TM积分时限积分时限设设Uo(sat)=15V, U=+3V, R

23、=10k , C=1, C=1 F F=0.05秒秒11oiFuu dtRC 反相积分器：反相积分器：如果如果ui = -U= -3V，画出，画出uo的波形图。的波形图。tui0tuo0+Uo(sat)-U0.05秒秒设设Uo(sat)=15V,U=+3V, R=10k ，C=1C=1 F F。应用举例在电路的输入端输入方在电路的输入端输入方波，输出是什么波形？波，输出是什么波形？ouiutttuCRud1iF1oR R2 2R R1 1C CF Fu ui iu uo ou uc c积分运算电路积分运算电路ou思考题：在图示电路中，输入电压在图示电路中，输入电压mV6280sinitu 试求

24、输出电压试求输出电压的幅值，并画出的幅值，并画出ou的波形图。的波形图。iutoutR R2 2R R1 1C CF Fu ui iu uo ou uc cn微分电路微分电路R R2 2C CF Fu ui iu uo ou uc cR RF FiFfFoiRiRutuCRuddi1FotuCtuCiCddddi111ifii fi1iR2 = RF)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例：例：, 求求uo 。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC90例题：当例题：当ui为方波信号时，为方波信号时，uo为尖脉冲电压。为尖脉冲电压。tui0tuo0T/2

25、T满足：满足：12FTRC集成运放的非线性应用电压比较器越限报警、模/数转换和产生、变换波形。将一个模拟输入量与参考电压进行比较，并将比较的结果输出，其输出结果只有两种可能：高电平和低电平。过零比较器、单限比较器、滞回比较器、双限比较器（窗口比较器）运放处于开环状态或有正反馈。运放处于开环状态或有正反馈。可以认为电压比较器是数字电路和模拟电路的接口。n电压比较器的应用n电压比较器的电路特征n电压比较器的作用因此电压比较器中运放工作在非线性区。理想运放工作在非线性区时的特点1、输出电压的值只有两种可能：或等于正向饱和值；或等于负向饱和值。uOu+- u-0UOHUOL非线性区非线性区理想特性OH

26、OUuuu ;OLOUuuu ;2、有“虚断”无虚短：0 ii uu时，发生电平的转换,此时的输入电压称为“阈值电压”或“门限电压”，用UTH表示。如果运放没有限幅措施，输出电压的正向、负向饱和值分别与运放的正、负电源电压近似相等。3、结构特征：运放一般工作在开环状态或引入正反馈。CCV EEV 0uiuO一、过零比较器-+uiuORR根据虚断：0 ii; 0 u;iuu :0 iu uuOLOUu :0 iu uuOHOUu UOLUOH阈值电压：0 THU1、反相过零比较器电压传输特性0uiuO一、过零比较器-+uiuORR根据虚断：0 ii; 0 u;iuu :0 iu uuOLOUu

27、:0 iu uuOHOUu UOLUOH阈值电压：0 THU1、反相过零比较器电压传输特性ZU ZU +UZ-UZ2、有限幅的反相过零比较器限流电阻R00uiuO根据虚断：0 ii; 0 u;iuu :0 iu uuZOUu :0 iu uuZOUu -UZ+UZ-+uiuORRRO3、同相过零比较器电压传输特性0uiuO-UZUZ反相过零比较器-+uiuORRR0二、单限比较器根据虚断：0 ii;RUu ;iuu :RiUu uuZOUu :RiUu uuZOUu -+uiuORRROUR0uiuO-UZ+UZ阈值电压：RTHUU UR1、反相单限比较器电压传输特性2、求和型单限比较器根据虚

28、断：; 0 u阈值电压。RiURRu21 -+uiuOR1RR0URR2时时，当当 uu2RUR1Rui 0uiuO-UZ+UZUTH电压传输特性THU 电路状态发生改变，3、单限比较器的特点单限电压比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的主要问题是输出电压波形不够陡，抗干扰能力差。0tui阈值电压0tuO错误的输出+UZ-UZ0ut干扰输出波形不够陡实际运放的开环增益不是，所以状态的跃变必须经过线性区，并需要经过一定的时间。三、迟滞比较器（施密特触发器）Rf引入正反馈，-+uiuOR2R1R0URRfif反相迟滞比较器运放工作在非线性区。引入正反馈有两个作用：1、正反馈加快了uO的转换速度， 输出电压波形很陡。2、电路有两个阈值电压。,iuu ，0 ii+UZ-UZRffURRRu 2OfuRRR 22+说明U有两种取值，由叠加原理，