直接耦合放大器和集成运算放大器

《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案第5章直接耦合放大器

和集成运算放大器教学重点.了解差分放大器的电路特点、工作原理。.了解差模信号与共模信号、失调与调零的概念。.了解集成电路的分类、特点和集成运放主要参数。.掌握集成运算放大器的理想化特性。.掌握集成运算放大器的基本运算电路和工作原理。.了解集成运算放大器的应用知识。教学难点.差分放大器抑制共模信号的过程。.利用理想化特性分析运算放大器。学时分配序号内 容学时15.1直接耦合放大器225.2集成运算放大器63实验七差分放大器24实验八运算放大器的运算电路25本章小结与习题6本章总学时125.1直接耦合放大器图5.1.1简单的直接耦合电路图5.1.1简单的直接耦合电路特点：低频响应好。可以放大频率等于零的直流信号或变化缓慢的交流信号直耦放大器的两个特殊问题43

《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案一、前后级的电位配合问题两级直耦放大电路如图5.1.1所示。由于VC1=vbe2，而VBE2很小，使V1的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。输入电压指示图5.1.2零点漂移现象输入电压指示图5.1.2零点漂移现象动画零点漂移零点漂移：在输入端短路时，输出电压偏离起始值，简称零漂。如图5.1.2所示。产生零漂的原因：电源电压波动、管子参数随环境温度变化。其中，温度变化是主要因素。零漂的危害：在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。直耦放大器的级间电位调节电路电路如图5.1.3所示。在V2的发射极接一个电阻Re2，这样VCE1=VBE2+IE2-Re2>%e2，增大了V1管的工作范围。适当调节与值，可使前后级静态直流电位设置合理。为减小Re2对放大倍数的影响，采用稳压管取而代之。图5.1.3用发射极电阻调节电位图图5.1.3用发射极电阻调节电位图5.1.4实用型差分放大器差分放大器动画差分放大器的组成电路如图5.1.4所示。一、电路特点特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等；信号为双端输入、双端输出方式。输入电压匕经RjR2分压为相等的％和7分别加到两管的基极（双端输入），输出电压等于两管输出电压之差，即%=%广%2（双端输出）。44

《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案二、抑制零漂原理设输入电压中。，因电路完全对称，则丁%-01=%，%=%「02=0。当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，使v01'=v02'，输出电压v0'=v01'-v02'=0。可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。三、放大倍数动画面模差共模信号1.差模放大倍数4vo差模信号：大小相等而极性相反的两个信号。差模输入方式：两管输入信号为差模信号。TOC\o"1-5"\h\z在图5.1.4中，当匕。0时，v=-v=1v，放大器为差模输入。v=-v，放I I1I22I 01 02大器双端输出电压v0=v01-v02=v01-(-v01)=2v01。设单管放大器的放大倍数为4vJ4v2,且41=42，于是差模放大倍数为 “ 724= ===4vd v 2v vv1I I1I1即 4=41=42 (5.1.1)可见，双端输入、双端输出差放电路的差模放大倍数等于单管放大器的放大倍数。2.共模放大倍数4VC图5.1.5差分放大器的共模输入方式图5.1.5差分放大器的共模输入方式在图5.1.5中，两管的输入信号vI1=vI2=vI,放大器为共模输入，因电路对称，01 020。即共模其双端输出电压v0=v01-v02=0。即共模4V04=-e-=—=0VCvv(5.1.2)可见，共模输入、双端输出差放电路的共模放大倍数等于零。即对共模信号进行了抑制。四、共模抑制比KmrCMK共模抑制比KCMR：衡量差分放大器放大差模信号及抑制共模信号的能力。K=% (5.1.3)CMR4C共模抑制比KCMR越大，差分放大器的性能越好。［例5.1.1］在图5.1.5中，设单管放大器的放大倍数4V1=4V2=-20,(1)求差分放大器的差模放大倍数4Vo=?⑵若已知差分放大器共模放大倍数j：=0.02，求共模抑制比CMR解：⑴4皿=4V1CMR解：⑴4皿=4V1=4V2=-2045《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案⑵&mr=⑵&mr=%=朦卜1000VC五、Rp、4、ge在电路中的作用RP——调零电位器。作用是克服电路非对称性。当VI=0时，调节rP，使vO=0。Re——公共射极电阻。作用是引入共模负反馈。对共模信号有负反馈作用，对差模信号相当于短路。Ge——辅助电源。作用是克服Re对丫CEQ的影响，防止输出动态范围减小。5.2集成运算放大器集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。集成运算放大器的外形和符号.集成电路的外形：见图5.2.1国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。.集成运放的型号国家标准(GB3430-82)规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。.集成运放的管脚顺序及功能国产第二代集成运放CF741接线如图5.2.2所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(+9〜+18)V，W4接负电源(-9〜-18)V，W6为输出端，脚1、4、5外接调零电位器，脚3为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)，脚2为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)。脚8为空脚。46

《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案国产第一代集成运放F004接线如图5.2.3所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚图5.2.3F004外接线图图5.2.3F004外接线图脚7接正电源(+15)V，脚4接负电源(-15)V，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300kQ电阻及RP、CP的作用是消除自激，可通过调试决定数值。不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。(fl)SJrM的修出符号””以往用过的图形符号(fl)SJrM的修出符号””以往用过的图形符号图5.2.4运算放大器的图形符号如图5.2.4所示，图(a)是国家新标准(GB4728-13—1996)规定的符号；图(b)是曾用过的符号。画电路时，通常只画出输入和输出端，输入端标“+”号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。集成运算放大器的放大倍数和参数一、两种放大倍数.开环放大倍数AyO图5.2.5集成运放的开环放大倍数开环放大倍数AyO：无反馈时集成运放的放大倍数。如图5.2.5图5.2.5集成运放的开环放大倍数A=o=~0~ (5.2.1)yO v-vv.闭环放大倍数Aw IVF闭环放大倍数A标有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。二、主要参数.输入失调电压VIO输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，vIO越小，运放性能越好。.输入失调电流IIO输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。其值为两个输入端静态基极电流之差。.输入偏置电流;IB输入电压为零时,两个输入端静态基极电流的平均值。一般为微安数量级,IIB越小越好。.开环电压放大倍数AyO电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。AyO越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的AyO可达105倍。47

《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案.开环输入阻抗r1指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。r越大，运放性能越好。一般在1几百千欧至几兆欧。.开环输出阻抗ro电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。ro越小，运放性能越好。一般在几百欧左右。.共模抑制比KCMK电路开环情况下，差模放大倍数Avd与共模放大倍数AyC之比。KCMR越大，运放性能越好。一般在80dB以上。.输出电压峰-峰值y0Pp放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰峰值。.静态功耗PD电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。.开环带宽BW开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3dB所对应的带宽。以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。三、集成运放产品分类简介.通用型通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。如性能较好的CF741等。.特殊型特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如：(1)高输入阻抗型差模输入电阻不小于109Q。(2)高精度型AyIO/AT小于2^V/℃。(3)宽带型 增益带宽大。(4)低功耗型当电源电压土15V时，最大功耗不大于6mW。(5)高速型 转换速率大于30V/^So(6)高压型 输出电压较高。5.2.3集成运算放大器的理想特性图5.2.6反相输入比例运算电路图5.2.6反相输入比例运算电路集成运放的理想特性为：.输入信号为零时，输出端应恒定为零;.输入阻抗r=8；1.输出阻抗ro=0；.频带宽度^W应从0—8；.开环电压放大倍数AyO=8。在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。48《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案5.2.4集成运算放大器的应用举例一、数学运算方面的应用举例1.简单的比例运算功能(1)反相输入比例运算电路图5.2.6所示的电路，是电压并联负反馈放大电路。根据运放“理想特性"，｛=8，Avol=8，所以故反相输入比例运放的闭环放大倍数为输出电压为VA=-o-=VF VI而VO又是有限值，则-^O-40AVO—RiRj1fR二——fR1RV二——VVORi1结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数A

VF

倍数A无关；输出电压与输入电压成反相比例关系。只取决于R与R之比

f1(5.2.2)(5.2.3)(5.2.4)与开环放大VO由于v不0，即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常^EA端称为“虚地”。(2)同相输入比例运算电路图5.2.7所示的电路，是电压串联负反馈放大电路。根据运放“理想特性”限值。得，vd=8，因此，输入电压为V-O-AVD(5.2.5)而vO又为有其中VI二故同相输入比例运放的闭环放大倍数为R 1——•VR+Ro1f输出电压AVDVV=—O-=—O-=Rv=(1+-f)•VOR11从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与A无关，只取决于R与R的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。2.减法比例运算电路。(5.2.6)i49《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案图528所示的电路中，R1=R2，&=R。.v一v由图可知l二—A O由图可知FRf. . v-vv-v因为l=0，则l=l，于是有11nA=A"O整理得TOC\o"1-5"\h\zI 1F R R1f\o"CurrentDocument"vR+vR

v=I1f O—1aR+RfRV= 3 VBR+R122 3由于R1=勺R3=Rf'得

vR+vR_RR+R—R+Ri21f 2 3(5.2.7)整理可得v—O-v=-ti-(5.2.7)整理可得v—O-v=-ti-+v-^2v+-^3RRRRf123V(5.2.8)vI1VO=-RfV=-f(V-V)ORI2I11结论，输出电压正比于两个输入电压之差。如果R尸R1，则故电路又称为减法器。3.加法比例运算电路图5.2.9所示的电路中，R4=RJ/R2由运放理想特性知l尸0,因而1f=i；A点为“虚地”，因此। ?若取R1=R2

上式简化为+vI2+vI3)(5.2.10)(5.2.11)结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。如果R尸R(5.2.11)VO=-(VI1+VI2+VI3)50

《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案故电路称为“加法器”。［例5.2.1］计算各电路的阻值并连接集成运放电路图，使它满足匕与vo之间的下列运算关系： °VO=20；v-v Vo =-10。v+v+v解(1)由v=20(v-v)可知R=20。所以只要按图5.2.8减法比例运算电路连O I2I1 R1接，其中R1=R2,R3=Rf，且Rf=20R1即符合要求。(2)同1理,2用图5.2.9 ^f法比例电路接线，使Rf =10R1 ,且R1 =R2 =R3 ,R4=R1//R2//R3//Rf，即满足vO=-10(vn+vI2+vI3)的要求。4集成运放除了组成上述运算单元电路外，还可改变反馈元件或连接方式组成乘法、除法、开方、平方、指数、对数以及微分、积分等各种运算电路。二、其它方面的应用举例.反相器如果令图5.2.6中的Rf=R1,则vO=-vI，即输出电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为“反相器”。用图5.2.10所示的符号来表示，图中“1”表示放大系数为1。.电压跟随器小：4V-4V-GND^i3^i3鹏呵回用同地厚同如果令图5.2.7同相输入比例运放中的Rf=0,R产，即输出电压为全部反馈到输入端，而且同相。见图5.2.11小：4V-4V-GND^i3^i3鹏呵回用同地厚同于是飞A=1+-f=1WR1々即输出电压与输入电压数值相等且同相,称为电压跟随器。3.LM324组成的电平指示电路(1于是飞A=1+-f=1WR1々即输出电压与输入电压数值相等且同相,称为电压跟随器。3.LM324组成的电平指示电路(1)LM324简介LM324是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电路。引线分布如珠图5.2.12所示。图中，GND为接地端，VCC为电源正极端(6V),每个运放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，1匕、1/、1V分别表示1号运放的反相输入端、同相输入端及输出端。依此类推，2匕、2匕+、2vo是LM3Z4rPiLJ1U12JkJLJLJLJ

现1%1”也.2V|,z1加工嗝门LM324组成的电平指示器51.5,r.1《电子线路》配套多媒体CAI课件 电子教案表示2号运放器的，等等。(2)LM324组成的电平指示器电平指示电路如图5.2.13所示。从图可见，四个运放的同相输入端连接于由V(2AP9)、R10、C2组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻R6、R7、R8、R9接有发光二极管V1、V4、V3、V2。反向输入端分别经电阻分压网络Rp1、R2、R3、r4、R5分压后加上量值不等的正电压。无信号输入时，四个运放同相输入端皆为零电平，因反相输入端皆为正电位，所以各运放输出低电平，因此v1V4各发光二极管均不发光。有信号输入时，经整流后的对地电压(电位)若大于第2脚电位，则第1脚的发光二极管V1发光。若同相输入端的电位都高于相应运放反相输入端的电位时，四个发光二极管V1、v4