第五章 集成运算放大器及其应用

1、第五章 集成运算放大器及其应用5.1 基本差动放大电路5.2 集成运算放大器5.3 集成运放的运算电路5.4 集成运放的应用电路5.5 集成运算放大器组成的电压比较器5.6 集成运放的选择原则和使用5.1 5.1 基本差动放大电路基本差动放大电路1 1、直接耦合放大电路需要解决的问题 各级静态工作点之间互相影响、互相牵制 零点漂移问题零点漂移问题 输入端短接（输入端短接（uI =0） ，其输出端电压有忽，其输出端电压有忽大忽小缓慢地、无规则地变化的输出电压大忽小缓慢地、无规则地变化的输出电压这种现象就称为零点漂移。这种现象就称为零点漂移。 产生零点漂移的因素产生零点漂移的因素：温度变化、任何元

2、器件参数的变化，温度变化、任何元器件参数的变化，电源的波动。电源的波动。 在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最为在多级直接耦合放大电路中，又以第一级漂移的影响最为严重。严重。 抑制零点漂移的具体措施：抑制零点漂移的具体措施：（1）选用温漂小的元器件；）选用温漂小的元器件；（2）电路元件在安装前要经过认真筛选和）电路元件在安装前要经过认真筛选和“老老 化化”处理，以确保质量和参数的稳定性。处理，以确保质量和参数的稳定性。（3）为了减小电源电压波动引起的漂移，要采）为了减小电源电压波动引起的漂移，要采 用稳定度高的稳压电源。用稳定度高的稳压电源。（4）采用温度补偿电路。）采用温度补偿电

3、路。（5）采用调制型直流放大器。）采用调制型直流放大器。（6）采用差动放大电路。）采用差动放大电路。2 2、差动放大电路、差动放大电路1) 基本差动放大电路基本差动放大电路 双端输入双端输入 双端输出双端输出 基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零点漂移的能力。点漂移的能力。 温度温度TUo=( Uc1 - Uc2 )不变不变 （UBE )2) 射极耦合差动放大电路 R R E E的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小的主要作用是稳定电路的工作点，进一步减小零点漂移。零点漂移。 温度温度T（UBE )IC1IC2IEUBEUBEUo=( Uc1 -

4、Uc2 )不变不变 长尾长尾在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，在差动电路中，这种左右两边输入端所获得的对地大小相等，极性相反的信号电压就称为极性相反的信号电压就称为差模信号差模信号 差模信号 调零电位器 RE的存在并不影响对差模信号的放大 UO=UO1-UO2=UC1-UC2 减小减小增大增大静态工作点静态工作点分析：分析： 在忽略在忽略R RP P时，静态时时，静态时U UI1I1=U UI2I2=0=0，输入回路方程：，输入回路方程： V VEEEE= =I IBQBQR RB B+U+UBEQBEQ+2I+2IEQEQR RE E 可得可得Q Q点为（忽略点为（忽略I

5、 IBQBQ时）时） BEQCCQCCCEQEQBQCQEBEQEEEQ)1 (2URIVUIIIRUVI电路的差模电压放大倍数电路的差模电压放大倍数AuD uD1UUUUUUUUuDAAI1O1I2I1O2O1IDO22beBCbeBBCBRRRRRIRIuD2uD1AA)(RB RP时时 差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是管共射电路的放大倍数相同。采用差动放大电路只是为了抑制零点漂移。为了抑制零点漂移。 当在两个集电极之间接有负载电阻当在两个集电极之间接有负载电阻RL时：时： beBLu

6、DRRRA差模输入电阻差模输入电阻 ：RiD 2(RB +Rbe ) 差模输出电阻差模输出电阻 ：RO=2RC 2LCLRRR/差模地端差模地端两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。两个大小相等，极性相同的信号称为共模输入信号。 共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。共模信号是反映温漂干扰或噪声等无用的信号。如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电如果电路完全对称，则在共模信号作用下，两管电流同时等量增大，结果输出电压流同时等量增大，结果输出电压U UO OC C =0=0 若电路完全对称，则若电路完全对称，则AuC=0, KCMR 共模信号 KCMR =AuD/AuC晶体管电

7、路设计(上) P212 差动放大电路差动放大电路2 2、 其它形式的输入，输出方式其它形式的输入，输出方式 双端输入、单端输出图差动放大电路 beBCLRRRRuDA)/(21 单端输入、双端输出差动放大电路 反相输出反相输出 单端输入、单端输出 beBCI1O1IORRRUUUUuDA21 同相输出同相输出 单端输入、单端输出 beBcI2OIORRRUUUUuDA213 3、 提高共模抑制比的电路提高共模抑制比的电路 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 a a）电路）电路 b b）用恒流源表示）用恒流源表示3 3的电路的电路IC3 的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。的恒流

8、特性，大大提高了抑制零漂的效果。 晶体管电路设计(上) P212 差动放大电路差动放大电路5.2 5.2 集成运算放大器集成运算放大器 集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。 特点:体积小、高可靠性和灵活性等。 分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数和数模转换器等。在模拟集成电路中，和数模转换器等。在模

9、拟集成电路中，集成运算放集成运算放大器（简称集成运放）大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。是应用极为广泛的一种。集成电路（集成电路（integrated circuit integrated circuit ，ICIC） 什么是集成运算放大电路？什么是集成运算放大电路？ 高增益（高放大倍数）的直接耦合放高增益（高放大倍数）的直接耦合放大电路问世最早，应用最广泛。大电路问世最早，应用最广泛。 最初多用于各种模拟信号的运算最初多用于各种模拟信号的运算故称：集成运算放大电路，简称集成运放故称：集成运算放大电路，简称集成运放 (Operational Amplifier)(Operational

10、 Amplifier) 。1、集成运放的电路结构及符号、集成运放的电路结构及符号 集成运放组成框图 举例：型号为F007（比较老的运放）的通用型集成运放（A741 代替） 对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。双双电电源源 集成运算放大器外形及符号集成运算放大器外形及符号运算放大器的符号a)旧国标 b)新国标图图5-9 5-9 理想运放的图形符号理想运放的图形符号a) a) 符号符号 b)b)标有双电源的运放符号标有双电源的运放符号 LM32

11、4是四运放集成电路，它采用是四运放集成电路，它采用14脚双列直插脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。大器，除电源共用外，四组运放相互独立。2、 集成电路的特点集成电路的特点（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。别有利于实现需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有）

12、不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。源负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。1.集成运放的理想化条件 开环差模电压增益开环差模电压增益 AoD 105 （很高）（很高） 输入电阻输入电阻 RiD 106（很大）（很大） 输出电阻输出电阻 Ro 100 （很小）（很小） 3、集成运放的电压传输特性和主要参数 共模抑制比共模抑制比 KCMR （很高）（很高） 由

13、于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。在线性区：在线性区：u uO OA Aodod( (u uP Pu uN N) ) A Aodod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。 (uPuN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是的数值大于一定值时，集成运放的输出不是UOM , 就是就是UOM，即集成运放工作在非线性区。，即集成运放工作在非线性区。通用型运放 工作电源为双电源双电源2.集成运放的传输特性非非线线性性区区理想理想运放工作在线性区的特点运放

14、工作在线性区的特点因为因为 uo = Aod( (uP uN )所以所以(1) 差模输入电压约等于差模输入电压约等于 0 即即 uP= uN ,称称“虚短虚短” (2) 输入电流约等于输入电流约等于 0 即即 iP= iN 0 ,称称“虚断虚断” 电压传输特性电压传输特性 Aod越大，运放的线性范越大，运放的线性范围越小，必须加围越小，必须加负反馈负反馈才能才能使其工作于线性区。使其工作于线性区。( () ) uP uN uo线性区线性区UOM+UOM) OiPiN当当 uP uN 时，时， uO = + UOM uPuP时，输出是反向饱和电压-UO(sat)； 当uPuN时，输出是正向饱和电

15、压+UO(sat)。 工作在非线性区的运放只有两种输出状态，分别将这两种状态称为输出高电平与输出低电平。 uPuNuNuP-UO(sat)+UO(sat)5.5.1 5.5.1 单值电压比较器 单值电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小，并由输出的高电平或低电平来反映比较结果。 单值电压比较电路单值电压比较电路a a）U UR R接同相端的电路接同相端的电路 b b）U UR R接同相端的电压传输特性曲线接同相端的电压传输特性曲线c c）U UR R接反相端的电路接反相端的电路 d d）U UR R接反相端的电压传输特性曲线接反相端的电压传输特性曲线e) e) 过零电压比较器过零电压比较器

16、f) f) 过零电压比较器的电压传输特性曲线过零电压比较器的电压传输特性曲线5.5.2 5.5.2 迟滞电压比较器外界干扰对输出波形的影响a)正弦波方波变换电路 b)输入波形 c)输出波形输出信号翻转多次输出信号翻转多次 具有迟滞特性的电压比较器具有迟滞特性的电压比较器 a a）基本电路）基本电路 b b）c c） d d）电压传输特性曲线）电压传输特性曲线上限门限电平UTH1 FsatoFFRTHRRRURRRUU2221)(下限门限电平UTH2FsatOFFRTHRRRURRRUU2222)(UTH1UTH2 uIUTH1时，uo=UO(sat) uIUTH2时，uo=UO(sat) 两个

17、门限电压的差值称为回差电压两个门限电压的差值称为回差电压 U UTHTH ；FsatoTHTHTHRRRUUUU22212)(例5-3 根据图所示的电压比较器电路。根据图所示的电压比较器电路。(1)(1)求出回差电压求出回差电压 U UTHTH，并画出传输特性。，并画出传输特性。(2)(2)已知输入电压波形图，画出输出电压波形。已知输入电压波形图，画出输出电压波形。 , 022O2IPNFFFRRRuRRRuuu0, 022O2INpFFFRRRuRRRuuuVUUU:THTHTH63321回差电压例6-3 根据图所示的电压比较器电路。根据图所示的电压比较器电路。(1)(1)求出回差电压求出回

18、差电压 U UTHTH，并画出传输特性。，并画出传输特性。(2)(2)已知输入电压波形图，画出输出电压波形。已知输入电压波形图，画出输出电压波形。VUUU:THTHTH63321回差电压5.5.3 5.5.3 窗口比较器窗口比较器a) 基本电路 b) 电压传输特性曲线检测uI是否在U1和U2两个电平之间，则可采用窗口比较器。 图图5-38 5-38 集成运放集成运放LM324LM324的应用电路的应用电路5.5.4 5.5.4 集成电压集成电压比较器的基本应用比较器的基本应用 图图5-39 LM3395-39 LM339电压比较器引脚图电压比较器引脚图图图 5-40 LM3395-40 LM339基本单限比较器基本单限比较器a) LM339a) LM339基本单限比较器电