chapter16集成运算放大器

1、 集成运算放大器是一种具有很集成运算放大器是一种具有很高放大倍数高放大倍数的多的多级级直接耦合放大直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不组成一个不可分的整体。可分的整体。：体积小、重量轻、功耗低、可体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。靠性高、价格低。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双

2、、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟 各类型号集成芯片各类型号集成芯片 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，电阻的阻值受到限制，大电阻大电阻常用三极管恒流常用三极管恒流源代替，源代替，电位器电位器需外接；需外接； 3. 电容电容的容量受到限制，的容量受到限制，电感电感不能集成，故大电不能集成，故大电容、电感容、电感 和变压器均需外接；和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的发射结代替。16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算

3、放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的扰信号，都采用带恒流源的差分放大器差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的的共发射极共发射极放大电路构成。放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由能力强，一般由互补对称电路或射极输出器互补对称电路或射极输出器构成。构成。运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入

4、端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b)(a) 符号符号; (b)引脚引脚8 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出NCOffsetOffset16.1.3 主要参数主要参数 1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所

5、构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。制性能下降，甚至造成器件损坏。 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 使输出电压为零而在输入端所加的使输出电压为零而在输入端所加的电压电压 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO输入信号为零时两输入端的电流之输入信号为零时两输入端的电流之差差 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB输入信号为零时两输入端电流的平输入信号

6、为零时两输入端电流的平均值均值1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2. 开环输入电阻开环输入电阻3. 开环输出电阻开环输出电阻4. 共模抑制比共模抑制比16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据 ouA idr0or CMRRK 在分析运算放大器的在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是电路时，一般将它看成是理想的理想的运算放大器。理想运算放大器。理想化的主要条件：化的主要条件：uo+ u+u 理想运算放大器图形符号理想运算放大器图形符号开环放大开环放大倍数倍数= 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大

7、器分析电路可使问题大大简化用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此为此,后后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。1.电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui) +Uo(sat) u+ u uoUo(sat)线性区线性区理想特性理想特性实际特性实际特性饱和区饱和区 O因为因为 uo = Auo( (u+ u )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 u+ u ,称称“虚短虚短” (2) 输入电流约等于输入电流约等于 0 即即 i+= i 0 ,称称“虚断虚断” 电压传输特性电压传输特性+uouu+i+i

8、u+ u uo线性区线性区Uo(sat)+Uo(sat) O输入电阻输入电阻 idr当当 u+- u 0，即，即 u+ u 时，时，uo = + Uo(sat) u+- u 0， 即即u+ 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节

9、串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | Oij1UCRRU URRU)(11Fo频率频率称为截止称为截止角角RC10 uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号设输入为正弦波信号i1F0j1)(1UCRRRRU i1Fj11)(1UCRRR 01F1Fioj11j111 RRRCRRUU 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,

10、时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O SuC+ui+uo+ 模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之）之前。由于前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间

11、，以满足存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。电压跟随器电压跟随器采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号 uG为高电平，为高电平，S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。进行测量保持该阶段开始瞬间的值不变。进行测量uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ 采样采样保持保持 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比

12、较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 电压传输特性电压传输特性阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可见，在可见，在 ui =UR

13、处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性uiuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1+ uiuoOURURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性uiuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2UZ UZ电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sa

14、t)uiuoOURuoRDZURuouiR2+ R1+URuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat) 例例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，：图中所示为运放组成的过温保护电路，R 是是正温度系数正温度系数热敏电阻，热敏电阻，温度升高阻值变大温度升高阻值变大。KA 是是继电器，温度升高，超过规定值，继电器，温度升高，超过规定值，KA 动作，自动切动作，自动切断电源。分析其工作原理。断电源。分析其工作原理。 温度温度 超过超过 规定值，规定值，ui UR， uo= +UOM，T 导通。导通。 KA 动作。动作。常开闭合，加热常开闭合，加热R1R2URRR4KA+UCCTR

15、3+uiuo 220V电压传输特性电压传输特性uoiuO例例2: 电路如图所示电路如图所示, ui 是一正弦电压是一正弦电压, 画出画出 uo 的波形。的波形。Oiut运放为同相输入过零电压比较器运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtou Otou R1R2uiuo+ou ou CDRLR解解:212o1o12i1i2RRuuRuu )(2o1o46ouuRRu )21 (12462i1ioiofRRRRuuuuuAu uoui1+R2+uo2uo1R6R6R4R4+R2R1ui2ui+A2A1A3 +)(2 2i1i12146ouuRRRRRu 所所以以 16.6 集成运放的用途广泛，在使

16、用前必须进行测试，集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，同时还应注意以下问题。同时还应注意以下问题。 1. 选用元件选用元件运算放大器分为：通用型运算放大器分为：通用型 高速型高速型 低功耗型低功耗型 大功率大功率型型 高精度型等高精度型等 或或 双极型双极型 单极型单极型 或一块集成电路中或一块集成电路中含有运放的个数。根据实际情况来选用含有运放的个数。根据实际情况来选用2. 消振（相位补偿）消振（相位补偿）集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自激。要消除集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自

17、激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，如图所示。如图所示。下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 2. 消振（相位补偿）消振（相位补偿） (a)CRfuAR3ui1Ro(b)RCRfu oAR3ui1ui2R1R2 3. 调零调零 为了提高集成运放的精度为了提高集成运放的精度,消除因失调电压和失消除因失调电压和失调电流引起的误差调电流引起的误差,需要对集成运放进行调需要对集成运放进行调零。零。图图(a)是输入分布电容和反馈电阻过大是输入分布电容和反馈电阻过大(1M)引起自激的补偿方法引起自激的补偿方法图图

18、(b)中所接的中所接的RC为输入端补偿法，常用于高速集成运放。为输入端补偿法，常用于高速集成运放。 (1)输入端保护输入端保护 当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输输入端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以内。入电压限制在二极管的正向压降以内。4. 保护保护 A741的调零电路的调零电路RPVui20k 20k uO10k -Ucc 如常用的如常用的 741，其，其中电位器中电位器RP可选择可选择10k的的电位器电位器, 如图所示。如图所示。 (1)输入端保护输入端保护 输入端保护输入端保护 ui1uORRui2 (2)输出端保护输出端保护 为了防止输出电压过大为了防止输出电压过大,可利用稳压管来保护，如图可利用稳压管来保护，如图所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制所示，将两个稳压管反向