模块三集成运算放大电路

模块三集成运算放大电路第一页，共60页。项目1集成运算放大电路的基本知识3.1.1差分放大电路3.1.2集成运算放大电路的结构、封装和符号3.1.3理想集成运算放大器的特性3.1.4集成运算放大器实际使用时候注意事项第二页，共60页。项目1集成运算放大电路的基本知识3.1.1差分放大电路1、电路组成图3.1基本差分放大电路由两个完全相同的单管放大电路组成。由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路是完全对称的。

第三页，共60页。2、电路工作原理V1、V2是两只特性相同的三极管，实现电流放大；两管的集电极电阻RC，实现将集电极电流变化转变为相应的电压变化；两管的RB1、RB2为三极管提供合适的静态工作；输入端两个电阻R将输入信号电压Ui转化成大小相等，方向（相位）相反的一对输入信号Ui1和Ui2，分别加到V1和V2的基极。习惯上称这对大小相等，方向（相位）相反的输入信号为差模信号，对应的输入方式称为差模输入；RL是负载，接两管集电极构成双端输出。第四页，共60页。（1）抑制零点漂移无信号输入时，由于两管的特性相同，元件参数相等，输出信号为零，避免了零点漂移现象。当环境温度发生变化或电源电压出现波动时，将引起三极管参数的变化，由于两管特性相同，电路对称，ΔIC1=ΔIC2；ΔUC1=ΔUC2。于是输出电压变化量为：ΔUo=ΔUC1－ΔUC2=0，故“零漂”现象消失。（2）差模电压放大倍数差分放大电路对差模信号的电压放大倍数与单管电压放大倍数相等第五页，共60页。（3）共模电压放大倍数共模信号是指大小相等，方向(相位)相同的一对输入信号，对应的输入方式称共模输入。一般来说，共模输入信号是一对等效的输入信号，由环境温度变化、电源电压波动引起输出端漂移电压折合到输入端而获得；或由差分放大电路两个输入端输入电压不相等而获得。实用中，没有可以用仪表检测到的，确实独立存在的共模信号，这一点要特别注意理解。（4）共模抑制比KCMR

共模抑制比是用来表明差分放大电路对共模信号抑制能力的一个参数，定义为差模放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的比值，用KCMR表示，KCMR=此值越大，说明差分放大电路分辨差模信号的能力和抑制零点漂移的能力越强，放大电路的性能越好，一般差分放大电路的KCMR=103~106。

第六页，共60页。（5）带射极公共电阻的差分放大电路带射极公共电阻RE的差放电路也叫长尾式差动放大器。接入公共电阻RE的目的是引入直流负反馈。能够抑制共模信号的输出。对于共模输入信号，由于电路对称，两管的射极电流IE（约等于集电极电流IC）变化量大小相等、极性相同（即同增同减），ΔIE1=ΔIE2=ΔIE，使流过RE的总电流变化量为2ΔIE，这个电流变化量在RE上产生的电压变化量（2ΔIERE）构成负反馈信号，可使共模放大倍数降低。图3.2带RE的差分放大电路第七页，共60页。3、带恒流源的差分放大电路

（1）电路组成采用恒流源来代替电阻RE，由于存在电流负反馈，其输出电流IC基本恒定，故这种电路称为恒流源电路。

图3.3带恒流源的差分放大电路第八页，共60页。（2）电流镜电路电流镜是一个输入电流IS与输出电流IO相等的电路，Q1和Q2的特性相同，即VBE1=VBE2，β1=β2。优点：三极管之β受温度的影响，但利用电流镜像恒流源，不受β影响，主要依靠外接电阻R经Q2去决定输出电流IO（IC2=IO）。图3.4镜像电流源第九页，共60页。4.差分放大电路的输入输出方式⑴单端输入、单端输出单端输出不能抑制温度变化，元件老化等因素引起的零点漂移，因而，必须采取工作点稳定措施，保证差分放大电路的正常工作。

（a）反相输出（b）同相输出图3.5单端输入、单端输出的差分放大电路第十页，共60页。（2）单端输入，双端输出单端输入，双端输出电压放大倍数与双端输入、双端输出的差分放大电路相同，且具有抑制温度、元件老化等因素引起的零点漂移。图3.6单端输入、双端输出的差分放大电路第十一页，共60页。（3）双端输入，单端输出这种电路的电压放大倍数与单端输入、单端输出差分放大电路相同，且也要采取工作点稳定措施。任何方式输入不影响差分放大器的电压增益。单端输出是双端输出增益的一半。图3.7双端输入、单端输出差分放大电路第十二页，共60页。3.1.2集成运算放大电路的结构、封装和符号1、集成运放的集成组成差分输入级中间电压放大级输出级偏置电路图3.8集成运放的结构框图第十三页，共60页。输入级：提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信号。电路形式：采用具有恒流源的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。要求：Au高，同时向输出级提供较大的推动电流。电路形式：带有恒流源负载的共射电路输出级：与负载相接。要求：输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。电路形式：一般由互补对称电路或源极跟随器构成。偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点;为输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流，也可作为有源负载提高电压增益。电路形式：各种恒流源电路。第十四页，共60页。集成电路的封装形式图3.9封装形式圆壳式双列直插式扁平式单列直插式菱形式第十五页，共60页。2.运算放大电路的电路符号它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标“-”号，同相输入端标“+”号。输出电压与反相输入电压相位相反，与同相输入电压相位相同。此外还有两个端分别接正、负电源有些集成运放还有调零端和相位补偿端。图3.10符号图3.11国际符号第十六页，共60页。3.1.3理想集成运算放大器的特性(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；Aud→∞(2)输入电阻趋于无穷；Rid→∞(3)输出电阻趋于零；RO→0(4)共模抑制比趋于无穷；KCMR→∞(5)有无限宽的频带；BW→∞(6)当输入端u-=u+时，uo=0。1.集成运算放大器的理想化条件第十七页，共60页。（1）理想集成运算放大器两输入端间的电压为0，但又不是短路，故常称为“虚短”。即：因为Kd→∞，则ui=u+-u-=uo/Kd=0，所以u+=u-。这样，两个输入端可以认为是虚连接，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也为零电位，称为“虚地”。（2）理想运放的两个输入端不取电流，但又不是开路，一般称为“虚断”。即：因为Ri→∞，所以Ii=（u+-u-)/Ri=0。2.集成运算放大器的两个重要特性图3.12理想运放模型第十八页，共60页。当集成运放工作在线性放大区的条件是：（1）U－=U+（2）I－=I+=0我们在计算电路时，只要是线性应用，均可以采用以上两个结论，当集成运放工作在线性区的时候输入、输出关系为：UO=Aod（U－–U+）3.集成运算放大器工作在线性区的特性4.集成运算放大器工作在非线性区的特性当时，；当时，。其中Uom是集成运放的正向或反向输出电压最大值。5.集成运算放大器电压传输特性第十九页，共60页。3.1.4集成运算放大器实际使用时候注意事项1.集成运算放大器的性能指标⑴输入失调电压UIS：对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压UIS，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。UIS一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。

⑵输入失调电流IIS：输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流I+与I-之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。IIS是由差动输入级两个晶体管的值不一致所引起的。

第二十页，共60页。⑶开环电压增益Kd：开环电压增益是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。也可用Kd的常用对数表示。一般运放的电压增益都很大，为60~100dB，高增益运放可达140dB(即107)。⑷输入阻抗ri和输出阻抗ro：输入阻抗ri是指运放开环运用时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电流Ii的变化之比，即ri=∆Ui/∆Ii，ri越大越好。双极型晶体管输入级的ri值为104-106Ω，单极型场效应管输入级ri可达109以上。输出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之内。⑸共模抑制比KCMR：共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。KCMR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的KCMR都可达到80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。第二十一页，共60页。常用的集成运放有单运放电路μA741(F007)；双运放电路F353；四运放电路F4156等，这些集成电路的电源均为2.常用集成运算放大器的管脚（a）单运放（b）双运放（c）四运放图3.14常用集成运放引脚图第二十二页，共60页。3.常用集成运算放大器实际使用时候注意的问题（1）调零或设置偏置电压由于失调电压及失调电流的的存在，输入为零时输出往往不为零。对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在零输入时输出为零。对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。（2）注意自激振荡的消除集成运放是多级直接耦合的放大器，因存在着分布电容等分布参数，信号在传输过程中会产生相移。当运放闭环(输出端与输入端经过导线、元器件相连)后，会在某些频率上产生自激振荡。为了使放大器工作稳定，通常外接RC消振电路或消振电容，用来破坏产生自激振荡的条件。第二十三页，共60页。（1）输入端保护一般情况下，运放工作在开环(即未引反馈)状态时，容易因差模电压过大而损坏；在闭环状态时，容易因共模电压超出极限值而损坏。当输入端所加的电压过高时会损坏输入级的晶体管。在输入端处接入两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下，如图3.15所示。4.集成运算放大器的保护图3.15二极管输入端保护电路

第二十四页，共60页。（2）输出端保护为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，将两个稳压管反向串联，将输出电压限制在±(Uz+UD)的范围内，其中，Uz是稳压管的稳定电压，UD是它的正向管压降，如图3.16所示。

图3.16稳压管输出端保护电路图第二十五页，共60页。（3）电源保护为了防止电源极性接反，利用二极管单向导电性，在电源端串联二极管来实现保护。如图3.17所示。

3.17电源保护电路第二十六页，共60页。项目2集成运算放大电路的线性应用

3.2.1集成运放的基本运算电路3.2.2微分电路和积分电路3.2.3模拟乘法器及应用第二十七页，共60页。项目二集成运算放大器的线性应用输入电压ui经电阻R1由反相输入端输入，输出端与反相端之间接一反馈电阻RF，同相输入端与地之间接一平衡电阻R2，且R2=R1//RF，以保证运放输入端的对称。3.2.1集成运放的基本运算电路1、反相比例运算放大器图3.18反相比例运算放大器第二十八页，共60页。例3.1：在图3.18中，已知R1=10kΩ，Rf=500kΩ，求电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2。解：第二十九页，共60页。2、同相比例运算放大器将反相放大器中R1端接地，输入电压ui经电阻R2由同相输入端输入，即可构成同相放大器，实现输出电压uo与输入电压ui之间的同相比例运算图3.19同相比例运算放大器当RF=0时KF=1，电路就变成电压跟随器。第三十页，共60页。图3.20加法运算电路（1）反相加法器运算电路的特点：1）输入电阻低；2）共模电压低；3）当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；（2）同相加法器运算电路的特点：1）输入电阻高；2）共模电压高；3）当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；3、加法运算电路第三十一页，共60页。例3.2

在图3.20所示的反相加法运算电路中，若R11=5kΩ，R12=10kΩ，RF=20kΩ，uI1=1V，uI2=2V，最大输出电压V。求输出电压uO=？解：因，故电路工作在线性区，可实现反相加法运算。第三十二页，共60页。减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。

4、减法运算电路图3.21减法运算电路(1)当时，上式为

即输出电压与输入电压的差值成正比例。(2)当时，上式为可见输出电压等于两个输入电压的差，从而能进行减法运算。=第三十三页，共60页。3.2.2微分和积分电路1、积分运算电路图3.22积分器在图3.18所示的反相输入放大器中，将反馈电阻Rf换成电容C，就成了积分运算电路，如下图3.22所示。也称为积分器。

这个电路应用到有直流成分的输入电压时，积分时间不能太长，以免输出电压达到饱和。因此要增加一些开关，积分时间结束时切断输入回路，积分开始前使电容器放电。积分运算电路常用于对呼吸流速等进行积分处理，求得呼吸流量、血液流量等生理参数。

第三十四页，共60页。微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的反馈电容CF和输入电阻R1交换位置，即构成微分运算放大器。2、微分运算电路图3.23微分器微分器可用来对血压、阻抗容积图等波形进行处理，以求得其变化速率。第三十五页，共60页。1、集成模拟乘法器的工作原理3.2.3模拟乘法器及应用(1）模拟乘法器的基本特性模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件，理想乘法器的输出电压与同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。其符号如图3.24所示，K为乘法器的增益系数。uo=Kuxuy

图3.24第三十六页，共60页。(2）变跨导模拟乘法器的基本工作原理变跨导模拟乘法器是在带电流源差分放大电路的基础上发展起来的，、其基本原理电路如下图3.25所示。第三十七页，共60页。实用变跨导模拟乘法器由两个具有压控电流源的差分电路组成，称为双差分对模拟乘法器，也称为双平衡模拟乘法器。属于这一类的单片集成模拟乘法器有MC1496、MC1595等。2、单片集成模拟乘法器3、集成模拟乘法器的应用⑴基本运算电路1)平方运算如图3.26所示，将模拟乘法器的两个输入端输入相同的信号，该电路的输出为第三十八页，共60页。2)除法运算器如图3.27所示，由集成运放和模拟乘法器组成。当u1>0时，uO<0，为使u3<0，则u2>0；当u1<0时，uO>0，为使u3>0，则u2>0。故条件：u3与u1必须反相。图3.27除法器图第三十九页，共60页。3)平方根运算：如图3.28所示。4)压控增益

如图3.29所示，改变直流电压UX的大小，就可以调节电路的增益。图3.28平方根运算电路图3.29压控增益电路第四十页，共60页。项目3集成运算放大电路的非线性应用3.3.1电压比较器3.3.2迟滞比较器第四十一页，共60页。UR是参考电压，加在同相输入端，输入电压ui加在反相输入端。运算放大器工作于开环状态项目3集成运算放大电路的非线性应用3.3.1电压比较器1、电压比较器的结构图3.30电压比较器第四十二页，共60页。由于开环电压增益很高，即为集成运放本身的电压增益，所以即使输入端有一个非常微小的差模信号，也会使电路输出电压达到饱和电压值，即接近集成运放的电源电压。当ui<UR时，输出正饱和值+Uom(接近正电源+E)；当ui>UR时，输出负饱和值-Uom(接近负电源-E)，可见比较器的输入端进行的是模拟信号大小的比较，而在输出端则以高电平或低电平来反映其比较的结果。2、电压比较器的传输特性3、过零比较器当参考电压UR=0时，即输入电压ui与零电平比较，称为过零比较器。

图3.31过零比较器第四十三页，共60页。例3.3设计一个简单的电压比较器，要求如下：UREF=2V；输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V；当输入电压大于2V时，输出为低电平。解：因输入电压大于2V时，输出为低电平。故输入信号应加在反相输入端，同相输入端加2V的参考电压。又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出电压为－6V。综上所述，满足设计要求的电路如图3.33所示。图3.32有限幅的过零比较器第四十四页，共60页。迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。3.3.2迟滞比较器1、迟滞比较器结构及特性图3.34迟滞比较器电路及传输特性第四十五页，共60页。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。如图3.34所示，由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压uO的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的UOH和UOL。说明：(1)由于该电路存在正反馈，因而输出高、低电平转换很快。(2)两个阈值的差称为回差电压，即调节R2、R3的比值，可改变回差电压值。回差电压大，抗干扰能力强，延时增加。实用中，就是通过调整回差电压来改变电路某些性能的。(3)还可以在同相端再加一个固定值的参考电压UREF。此时，回差电压不受影响，改变的只是阈值，在电压传输特性上表现为特性曲线沿ui前后平移。因此，抗干扰能力不受影响，但越限保护电路的门限发生了改变。(4)目前有专门设计的集成比较器供选用。常用的单电压集成比较器J631、四电压集成比较器CB75339，引脚图如下图3.35所示。第四十六页，共60页。图3.35常用电压比较器引脚图2、迟滞比较器的改进当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过ΔU之值，输出电压的值就将是稳定的。可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。

图3.36改进的迟滞比较器第四十七页，共60页。项目4有源滤波器3.4.1滤波器的基础知识3.4.2一阶有源滤波器第四十八页，共60页。滤波器是一种选频电路。它能选出有用信号，抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。例如，一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。通过有源低通滤器可将高频干扰滤掉，如图3.37所示。项目4有源滤波器3.4.1滤波器的基础知识1、滤波器概念图3.37滤波过程第四十九页，共60页。滤波器一般分为无源滤波器和有源滤波器。（1）无源滤波器无源滤波器仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的、电抗随频率的变化而变化的原理构成的。优点是电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点是通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是一定的。（2）有源滤波器有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。缺点通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。