集成运算放大电路课件

1、第3章 集成运算放大电路3. 1 差动放大电路3. 2 集成运算放大电路简介3. 3 集成运算放大器的基本运算电路3 .4 集成运算放大电路中的负反馈3. 5 集成运算放大器的应用3. 6 技能训练:集成运算放大器的使用与测试3. 1 差动放大电路3. 1.1零点漂移1.零点漂移现象当放大电路处于静态时，即输入信号电压为零时，输出端的静态电压应为恒定不变的稳定值。但是在直流放大电路中，即使输入信号电压为零，输出电压也会偏离稳定值而发生缓慢的、无规则的变化，这种现象叫做零点漂移，简称零漂，如图3-1-1 (b)所示。2.产生零点漂移的原因产生零点漂移的原因有电源电压的波动、温度变化、元件老化等，

2、其中温度变化是产生零漂的最主要的原因，因此，也称为温度漂移。3.抑制零点漂移的措施(1)选用稳定性能好的高质量的硅管。(2)采用高稳定性的稳压电源可以抑制由电源电压波动引起的零漂。下一页返回3. 1 差动放大电路(3)利用恒温系统来减小由温度变化引起的零漂。(4)利用两只特性相同的三极管组成差动放大器，它可以有效地抑制零漂。3. 1. 2差动放大电路1.电路组成图3-1-2所示是一个基本差动放大电路，它由完全相同的两个共发射极单管放大电路组成。要求两个晶体管特性一致，两侧电路参数对称。2.静态特性在静态时，ui1=ui2=0，即在图3-1-2中将两个输入端短路，此时由负电源VEE通过电阻RE和

3、两管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对称性，两管的集电极电流相等，集电极电位也相等。上一页下一页返回3. 1 差动放大电路 3.动态特性当有信号输入时，对称差动放大电路(图3-1-2)的工作情况可以分为下列几种输入方式来分析。1)共模输入若两个输入信号电压ui1和ui2的大小相等、极性相同，即ui1=ui2=uic ，这样的输入称为共模输入。大小相等，极性相同的信号称为共模信号。2)差模输入若两个输入信号电压ui1和ui2的大小相等、极性相反，即ui1=-ui2=1/2uid，这样的输入称为差模输入。大小相等，极性相反的信号称为差模信号。3)比较输入两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的

4、，既非共模，又非差模，这种输入称为比较输入。上一页下一页返回3. 1 差动放大电路4.共模抑制比为了说明差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比KCMR这项指标来衡量。差模电压放大倍数越大，共模电压放大倍数越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良。上一页返回3. 2 集成运算放大电路简介3. 2. 1认识集成电路集成电路是相对于分立电路而言的，就是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体。它与晶体管等分立元件连成的电路比较，体积更小，重量更轻，功耗更低。就导电类型而言，有双极型、单极型(场效应管)和两者兼容的集成电路。就功能而言，集成

5、电路有数字集成电路和模拟集成电路，而后者又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源和集成数模和模数转换器等许多种。表3-2-1列出了四种不同引脚分布的集成电路外形图。3. 2. 2集成运算放大器下一页返回3. 2 集成运算放大电路简介1.集成运放的特点(1)集成运放采用直接祸合方式，是高质量的直接祸合放大电路。(2)集成运放采用差动放大电路克服零点漂移。(3)用有源元件取代无源元件。(4)采用复合管以提高电流放大系数。2.集成运放的组成及各部分的作用集成运放有两个输入端，一个称为同相输入端，一个称为反相输入端;一个输出端。符号如图3-2-1 (b)所示。集成运放内部电路由四个部分组成，包

6、括输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图3一2一1(a)所示。1)输入级输入级又称前置级，它是一个高性能的差动放大电路。上一页下一页返回3. 2 集成运算放大电路简介2)中间级中间级是整个电路的主放大器，主要功能是获得高的电压放大倍数3)输出级输出级应具有输出电压范围宽，输出电阻小，有较强的带负载能力，非线性失真小等特点。4)偏置电路偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。3.集成运放的主要参数为了合理地选用和正确使用集成运放，必须了解表征其性能的主要参数(或称技术指标)的意义。1)开环差模电压放大倍数Aod上一页下一页返回3. 2 集成运算放大电路简介集成运放不外接反馈电路，输出不

7、接负载时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数Aod 。2)输入失调电压U io3)输入失调电流I io4)最大输出电压U omax5)最大输出电流去Iomax4.集成运放的种类目前国产集成运放的种类很多，根据用途不同可分为以下几类。1)通用型2)低功耗型3)高精度型上一页下一页返回3. 2 集成运算放大电路简介4)高阻型图3-2-2所示为集成电路的几种封装形式。3. 2. 3理想运算放大器1.理想运放所谓理想运放就是将各项技术指标都理想化的集成运放, 其等效电路如图3-2-3所示。由以上理想特性可以推导出如下两个重要结论。(1)虚短路原则(简称虚短)。(2)虚断路原则(简称虚断)。

8、2.集成运放的传输特性表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性曲线，如图3-2-4所示，可分为线性区和非线性区。上一页下一页返回3. 2 集成运算放大电路简介1)线性区工作在线性区时，U0和Ui是线性关系，即只有引人负反馈后，才能保证输出不超出线性范围，集成运放接入负反馈网络，电路如图3-2-5所示。2)非线性区集成运算放大器工作在非线性区时，这时输出电压只有两种可能:上一页下一页返回3. 2 集成运算放大电路简介3. 2. 4常见集成运放芯片介绍1.LM324LM324在一个芯片上集成了4个通用运算放大器，适合需要使用多个运算放大器且输入电压范围相同的运算电路。其引脚图如图3-2

9、-6所示。2. MC4558CMC4558C在一个芯片上集成了两个通用运算放大器。其引脚图如图3-2-7所示。上一页返回3. 3 集成运算放大器的基本运算电路3. 3. 1反相比例运算电路1.电路结构反相比例运算电路如图3-3-1所示，输入信号Ui从反相输入端与地之间加入，RF是反馈电阻，接在输出端和反相输入端之间，将输出电压UO 反馈到反相输入端，实现负反馈。R1是输入祸合电阻，R2是补偿电阻(也叫平衡电阻)， 。2.输出与输入的关系反相输入端也与地等电位，即反相端近于接地，称反相输入端为“虚地”，即并非真正“接地”。“虚地”是反相比例运算电路的一个重要特点。3.实际应用(反相器)下一页返回

10、3. 3 集成运算放大器的基本运算电路把输入信号进行了一次倒相，因此把它称为反相器。电路图及符号图如图3-3-2所示。3. 3. 2同相比例运算电路1.电路结构同相比例运算电路如图3-3-3所示，输入信号电压Ui接入同相输入端，输出端与反相输入端之间接有反馈电阻RF与R1，为使输入端保持平衡， 。2.输出与输入的关系根据虚断可知，流入放大器的电流趋近于零;根据虚短可知，反相输入端与同相输入端的电位近似相等，得输出电压与输入电压的关系为:上一页下一页返回3. 3 集成运算放大器的基本运算电路3.实际应用(电压跟随器)输出电压的幅度和相位均随输入电压幅度和相位的变化而变化，故称之为电压跟随器，它是

11、同相比例运算电路的一种特例。电路如图3-3-4所示。3. 3. 3差动比例(减法)运算电路1.电路结构差动比例运算电路如图3-3-6所示，它是把输入信号同时加到反相输入端和同相输入端，使反相比例运算和同相比例运算同时进行，集成运算放大器的输出电压叠加后，即是减法运算结果。2.输出与输入电压关系电路的输出电压与两个输入电压之差成正比例，因此该电路称为减法比例运算电路。上一页下一页返回3. 3 集成运算放大器的基本运算电路3. 3. 4加法运算电路(加法器)1.电路结构这里介绍的加法运算电路实际上是在反相比例运算电路基础上又多加了几个输入端构成的。图3-3-8所示的是有三个输入信号的反相加法运算电

12、路。2.输出与输入的关系式中的负号表示输出电压与输入电压相位相反。若在同相输入端求和，则输出电压与输入电压相位相同。上一页返回3. 4 集成运算放大电路中的负反馈图3-4-1所示的是运算放大电路四种类型的负反馈电路，分别说明如下。3. 4. 1并联电压负反馈图3-4-1( a)是反相比例运算电路。反馈信号与输入信号在输入回路中并联，故为并联反馈。反馈信号取自输出电压，故为电压反馈。因此，反相比例运算电路是引入并联电压负反馈的电路。3. 4. 2串联电压负反馈图3-4-1(b)是同相比例运算电路。反馈信号取自输出电压，并与之成正比，故为电压反馈。反馈信号与输入信号在输入回路中串联，故为串联反馈。

13、因此，同相比例运算电路是引入串联电压负反馈的电路。下一页返回3. 4 集成运算放大电路中的负反馈3. 4. 3串联电流负反馈参照上述的同相比例运算电路可知，图3-4-1( c)的电路也引入了负反馈。反馈电压uf=Ri取自输出电流(即负载电流)io，并与之成正比，故为电流反馈。反馈信号与输入信号在输入回路中串联，故为串联反馈，故为串联反馈。因此，同相输入恒流源电路是引入串联电流负反馈的电路。3. 4. 4并联电流负反馈设ui为正，即反相输入端的电位为正，输出端的电位为负。此时，i1和if的实际方向即如图中所示，差值电流id= i1 - if ，即it削弱了净输入电流id ，故为负反馈。反馈信号取

14、自输出电流i0，并与之成正比，故为电流反馈。反馈信号与输入信号在输入回路并联，故为并联反馈，因此，反相输入恒流源电路是引入并联电流负反馈的电路。上一页返回3. 5 集成运算放大器的应用3. 5. 1积分和微分运算电路1.积分运算电路将反相输入比例运算电路的反馈电阻RF用电容C替换，则成为积分运算电路，如图3-5-1所示。输出电压与输入电压对时间的积分成正比。输出电压与时间成正比，设t=0时输出电压为零，则波形如图3-5-2所示。积分电路应用很广，除了积分运算外，还可用于方波一三角波转换、示波器显示和扫描、模数转换和波形发生等。图3-5-3是将积分电路用于方波一三角波转换时的输入电压ui(方波)

15、和输出电压u0(三角波)的波形。下一页返回3. 5 集成运算放大器的应用2.微分运算电路将积分运算电路的R,C位置对调即为微分运算电路，如图3-5-4所示。输出电压与输入电压对时间的微分成正比。若ui为恒定电压U，则在ui作用于电路的瞬间，微分电路输出一个尖脉冲电压，波形如图3-5-5所示。3. 5. 2电压比较器电压比较器的基本功能是对输入端的两个电压进行比较，判断出哪一个电压大，在输出端输出比较结果。图3-5-6 ( a)所示为一简单的电压比较器,图3-5-6 ( b)所示是电压比较器的电压传输特性。上一页下一页返回3. 5 集成运算放大器的应用当基准电压UR=0时，称为过零比较器，输入电

16、压ui与零电位比较，电路图和电压传输特性如图3-5-7所示。为了限制输出电压u0的大小，以便和输出端连接的负载电平相配合，可在输出端用稳压管进行限幅，如图3-5-8 (a)所示。电压传输特性如图3-5-9 (b)所示。集成电压比较器是把运算放大器和限幅电路集成在一起的组件，与数字电路(如TTL)器件可直接连接，广泛应用在模数转换器、电平检测及波形变换等领域。图3-5-10所示为由图3-5-7 ( a)所示的过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子。3. 5. 3正弦波振荡器1.正弦波振荡器的工作原理上一页下一页返回3. 5 集成运算放大器的应用在测量、自动控制、无线电等技术领域中，常常需要各种类型

17、的信号源。用于产生信号的电子电路称为信号发生器。由于信号发生器是依靠电路本身的自激振荡来产生输出信号的，因此又称为振荡器。按产生的波形不同，振荡器可分为正弦波振荡器和非正弦波(如方波、三角波等)振荡器。放大电路产生自激振荡的条件，可以用图3-5-11所示反馈放大电路的方框图说明。2.正弦波振荡电路1)振荡电路的组成(1)放大电路:由三极管、场效应管、运放等构成的各种基本放大电路。(2)选频网络:有LC选频网络、RC选频网络等，这部分决定了正弦波发生器的振荡频率。上一页下一页返回3. 5 集成运算放大器的应用(3)反馈网络:有变压器反馈、LC反馈网络、RC反馈网络及其组合电路。2)正弦波振荡器的

18、分类根据选频网络的不同，可将振荡器分为RC振荡器(振荡频率范围为几十赫兹至几十千赫兹);LC振荡器(振荡频率的范围为几千赫兹至几百千赫兹);石英晶体振荡器(约为兆赫兹数量级)。每一类电路中，放大电路和反馈网络又可采用各种不同的电路形式。上一页返回3. 6技能训练:集成运算放大器的使用与测试一、技能目标1.能熟练地在万能板上进行合理布局布线。2.了解集成运放的使用常识，根据要求，能正确选用元件。3.会正确安装和调试集成运放电路。二、工具、元件和仪器1.电烙铁等常用电子装配工具。2. LM358管脚排列如图3-6-1所示)、电阻等。3.万用表、示波器。三、实训步骤1.工作原理下一页返回3. 6技能

19、训练:集成运算放大器的使用与测试集成运算放大器电路原理图如图3-6-2和图3-6-3所示。2.装配要求和方法(1)准备:将工作台整理有序，工具摆放合理，准备好必要的物品。(2)熟悉工艺要求:认真阅读电路原理图和工艺要求。(3)绘制装配草图:绘制装配草图的要求和方法。如图3-6-4所示。设计准备:熟悉电路原理、所用元件的外形尺寸及封装形式。按万能电路板实样1:1在图纸上确定安装孔的位置。装配草图以导线面(焊接面)为视图方向。按电路原理图的连接关系布线，布线应做到横平竖直，导线不能交叉(确需交叉的导线可在元件下穿过)。检查绘制好的装配草图上的元件数量、极性和连接关系应与电路原理图完全一致。上一页下一页返回3. 6技能训练:集成运算放大器的使用与测试(4)清点元件:核对元件的数量和规格，应符合工艺要求，如有短缺、差错应及时补缺和更换。(5)元件检测:用万用表的电阻挡对元件进行逐一检测，对不符合质量要求的元件剔除并更换。(6)元件预加工。(7)万能电路板装配工艺要求。(8)自检:对已完成的装配、焊接的工件仔细检查质量，重点是装配的准确性，包括元件位置等;焊点质量应无虚焊、假焊、漏焊、搭焊及空隙、毛刺等;检查有无影响安全性能指标的缺陷。3.调试、测量1)验证同相比例运算关系上一页下一页返回3. 6技能训练:集成运算放大器的使用与测试电路如图3-6-2所示，将测量结果填入表