电路与模拟电子技术集成运算放大器及运用

电路与模拟电子技术集成运算放大器及运用第1页/共56页第2页本章目录9.1集成运算放大器简介9.2模拟信号的运算电路9.3信号处理电路返回总目录第2页/共56页第3页9.1集成运算放大器简介集成电路是相对于分立元件而指的一类半导体器件，它将元件和电路“集成”在一个半导体芯片内，完成一定的功能，由于电路和元件是同时制作完成的，所以，具有很好的元件一致性；另一方面，组成电路的各元件之间空间距离非常小，因此，构成电路有一套特殊的理论、方法和工艺。不能用分立元件电路的理论来解释集成电路的内部工作情况。在电子电路中，集成电路已经作为一种功能模块器件得到广泛应用，使用集成电路需要了解它的外部特性，但对内部结构一般没有必要也不可能仔细分析。本章主要介绍最常用的集成运算放大器在电子电路中的应用及分析方法。第3页/共56页第4页9.1集成运算放大器简介（续1）集成电路的分类按功能分数字集成电路：门电路；触发器；存储器；微处理器；…模拟集成电路线性电路非线性电路按导电类型分双极型单极型（MOS）混合型

按集成度分小规模(10~100元件/片)SSI中规模(100~1000元件/片)MSI大规模(1000~10万元件/片)LSI超大规模(>10万元件/片)VLSI第4页/共56页第5页9.1集成运算放大器简介（续2）国产集成电路的命名器件的封装允许工作温度器件系列和品种代号器件的类型CF007CS是否符合国家标准(C-符合，无-非标准)

集成电路的特点体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本。第5页/共56页第6页9.1集成运算放大器简介（续3）

集成运算放大器的组成集成运算放大器属线性模拟集成电路，它是多级直接耦合放大电路组成的、带有深度负反馈的、具有极高放大倍数的一种放大器件。根据功能，集成运算放大器内部由五个部分组成:输入级中间级输出级偏置电路保护电路同相输入端反相输入端输出端-+直流电源+VSVS第6页/共56页第7页9.1集成运算放大器简介（续4）输入级：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗尽可能大。一般采用双端输入差动放大电路结构。中间级：提供足够大的电压放大倍数；同时把双端输入变换为单端输出。采用共射（源）或共基极电压放大电路。输出级：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流，输出阻抗小。采用直接耦合推挽功率放大电路。偏置电路：提供直流低电阻、交流高阻抗，给放大电路作为偏置电路，提高放大电路的放大能力和共模抑制能力，采用镜像恒流源电路。保护电路：提供过流、过压保护，避免电路受到损坏。第7页/共56页第8页9.1集成运算放大器简介（续5）

集成运算放大器内部组成特点：无电感、无大容量电容、无大阻值电阻、由三极管代替二极管。集成运算放大器的电路符号及器件外形AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo——开环电压放大倍数反相输入端同相输入端输出端第8页/共56页第9页9.1集成运算放大器简介（续6）87654321-VCC+VCCuou+u-调零调零空双列直插式单运放外部引脚（A741）标志第9页/共56页第10页9.1集成运算放大器简介（续7）集成运算放大器的主要技术指标差模特性开环电压增益Auo：80~140dB（104~107）差模输入电阻Rid：BJT——>100kW,FET——>109W差模输入电阻Rid：BJT——>100kW,FET——>109W开环带宽BW：0~10kHz（通用型）单位增益带宽BWG：0~1MHz（通用型）共模特性共模抑制比KCMR：80~120dB 共模输入电阻Ric：>100MW最大共模输入电压或共模电压输入范围第10页/共56页第11页9.1集成运算放大器简介（续8）集成运算放大器的主要技术指标(2)输入误差特性输入偏置电流IiB

BJT：10~100nA；FET：1~10pA输入失调电压Uio±(1~10)mV输入失调电流Iio0.05~0.1IiB大信号特性最大输出电压UOM

一般比电源电压低2~4V左右（输出管饱和电压）。最大输出电流IOM

受保护电路和器件允许功耗限制，通用器件约数十mA最大差模输入电压UidM

最大允许输入差模电压，受电路结构限制第11页/共56页第12页9.1集成运算放大器简介（续9）集成运算放大器的主要技术指标(3)大信号特性（续）转换速率（压摆率）SR0.5V/s~10kV/s满功率带宽BWP

SR/2Uom电源特性静态功耗PD电源电压允许变化范围电源电压抑制比KSVR第12页/共56页第13页9.1集成运算放大器简介（续10）集成运算放大器的电压转移特性uou-

-

u+0线性工作范围正饱和负饱和Auou-u+uo输入差模电压的线性工作范围很小（小于1mV），电压转移特性要分成三段讨论。我们来观看实验测试情况第13页/共56页第14页9.1集成运算放大器简介（续11）运算放大器特性仿真测试第14页/共56页第15页9.1集成运算放大器简介（续12）

集成运算放大器的等效电路模型线性工作区Auou-u+uou-u+uoAuo(u+-u-)第15页/共56页第16页9.1集成运算放大器简介（续13）集成运算放大器的等效电路模型(2)饱和工作区（非线性）u-u+uoUOMu-u+uo-UOM正饱和负饱和第16页/共56页第17页9.1集成运算放大器简介（续14）理想运算放大器的条件与特征理想条件Auo=∞输入电阻Rid、Ric→∞输出电阻Ro=0共模抑制比KCMR=∞理想运算放大器工作特征u+=u(虚短)——线性工作区输入电流为0，i+=i=0输出端呈电压源特性:线性工作受控源,饱和工作恒压源无共模信号输出

理想运算放大器电路符号∞u-u+uoi-i+第17页/共56页第18页9.1集成运算放大器简介（续15）集成运算放大器的应用线性应用

电路结构上存在从输出端到反向输入端的负反馈支路输入信号幅度足够小，以保证集成运算放大器的输出处于最大输出电压的范围内。非线性应用

电路结构上，集成运算放大器处于开环（无反馈）或存在从输出端到同相输入端的正反馈支路，输出总是处于饱和状态，即输出在正、负最大值之间变化。集成运算放大器电路分析的方法首先判断应用类型，然后利用理想运算放大器的特征对电路进行分析。第18页/共56页第19页9.1集成运算放大器简介（续16）集成运算放大器的线性应用运算放大器线性工作的保障

运算放大器的输出幅度有限（比电源电压低2~4V左右），而运算放大器的开环电压增益一般>10000，因此，两个输入端的电压必须非常接近，才能保障运算放大器工作在线性范围内，否则，运算放大器将进入饱和状态。在电路组成时，一般是靠从输出端到反相输入端之间引入负反馈来强制两输入端电压一致。所以，在运算放大器应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。线性应用的理想运算放大器特征1.u+=u(虚短)；2.无输入电流，i+=i=0；3.输出端呈受控电压源特性第19页/共56页第20页9.1集成运算放大器简介（续17）线性应用电路一般结构∞u-u+uoFABi1if其中A、B、F分别为一部分电路（包括信号源）。分析目的是找出输出电压。

线性应用电路的分析方法

判断电路组成是否具有从输出端引至反相输入端的“反馈通路”（初步判断运算放大器工作在线性工作区），若存在，则按下述（线性应用电路的）六个步骤进行分析。第20页/共56页第21页9.1集成运算放大器简介（续18）

集成运算放大器的线性应用电路的六步分析法Step1.利用i+=0，由B电路求出同输入端电压u+Step2.利用u+=u-，确定反相输入端电压u-=u+Step3.利用已知电压u-，由A电路求出电流i1Step4.利用i-=0，求出电流if

=i1Step5.由电路F的特性和u-确定输出电压：

uo=u--F(if

)Step6.检验输出电压是否在线性范围内。

|uo|<UOM?∞u-u+uoFABi1if第21页/共56页第22页9.1集成运算放大器简介（续19）集成运算放大器的非线性应用运算放大器非线性工作的电路特征开环结构正反馈结构线性应用的理想运算放大器特征u+≠u(非虚短)无输入电流，i+=i=0输出端只有两种输出状态：UOM第22页/共56页第23页9.1集成运算放大器简介（续20）开环结构非线性应用电路分析方法利用i+=i=0，分别确定u+

和u比较u+

和u确定输出电压：

u+>u

uo=UOH

；u+

<

u

uo=UoL正反馈结构的非线性应用电路分析假设输出处于某一饱和状态，如设uo=UOH

利用正反馈环路，将输出作为一个变量，输入（如果有）作另一变量，确定u+

和u比较u+

和u

，确定新的输出状态。当输入变化后，即以新求得的输出状态，重复2、3第23页/共56页第24页9.2模拟信号的运算电路

工作在线性区的集成运算放大器主要用于实现各种模拟信号的比例、求和、积分、对数函数、指数函数等数学运算，以及有源滤波、信号检测、采样保护等。本节介绍运算放大器组成的对模拟信号实现数学运算功能的电路，我们将以上一节介绍的六步分析法对这些电路进行分析。第24页/共56页第25页9.2.1比例运算(放大)电路（1）反相比例运算电路∞uiR1R2Rfuoi1ifStep1.∵i+=0∴u+＝0VStep2.u-=u+=0V（虚地）Step3.i1=ui/R1Step4.∵i-=0，∴if

=i1=ui/R1Step5.R2=R1//Rf分析构成要求（R

+=R

-）反相比例Step6.线性工作输入范围：平衡偏置电流的影响，又称为平衡电阻。电路性能参数：闭环增益：输入电阻：输出电阻：两个输入端输入电压均为0，表明电路共模输入信号很小，因此，对运算放大器共模抑制的要求不高。根据反馈的联接方式，反相比例电路采用了并联电压负反馈，因此，电路的输入电阻受到降低。第25页/共56页第26页9.2.1比例运算(放大)电路（2）同相比例运算电路∞uiR1R3Rfuoi1ifR2R2//R3=R1//Rf构成要求（R

+=R

-）平衡偏置电流的影响，Step1.∵i+=0∴Step2.Step3.Step4.∵i-=0，∴if

=i1Step5.同相比例Step6.线性工作输入范围：应用平衡电阻的要求闭环增益：输入电阻：输出电阻：第26页/共56页第27页9.2.1比例运算(放大)电路（3）两个输入端输入电压均不为0，表明电路存在共模输入信号，因此，对运算放大器有共模抑制的要求。根据反馈的联接方式，同相比例电路采用了串联电压负反馈。因此，输入电阻较高。∞uiR1R3Rfuoi1ifR2当R1和R3为时，同相比例运算电路构成理想电压跟随器。第27页/共56页第28页9.2.1比例运算(放大)电路（4）应用举例推导iL

和VS

的关系式，并说明该电路的功能。∵u-=u+=0∴if

=i1=VS/R1电路中存在负反馈通路，可初步判断运放线性工作。VSR1R2R3Rfi1ifRLiLFF点电位（即电阻Rf

上电压）为在F

点应用KCL有：电阻RL中电流与电阻值无关，因此，虚线框内电路等效为恒流源。如果负载电阻RL过大或基准电源VS过大，则线性工作条件可能被破坏，这时，恒流源特性将不能维持。电路线性工作的条件：第28页/共56页第29页9.2.2加法、减法运算电路（1）反相求和电路uoui1ui2R1R2RfR+i1i2ifR+=R=R1//R2//Rf构成要求Step1.∵i+=0∴u+＝0VStep2.u-=u+=0VStep3.i1=ui1

/R1，i2=ui2

/R2Step4.∵i-=0，∴if

=i1+i2=ui1

/R1+ui2

/R2Step5.反相加权求和Step6.线性工作输入范围：第29页/共56页第30页9.2.2加法、减法运算电路（2）反相求和电路(续)uoui1ui2R1R2RfR+i1i2ifR+=R=R1//R2//Rf当R1=R2=R时，当R1=R2=Rf时，第30页/共56页第31页9.2.2加法、减法运算电路（3）同相求和电路ui1ui2uoR4R1R2R3Rfi1ifR1||R2||R3=R4||Rf构成要求（R+=R-）Step1.∵i+=0∴Step2.Step3.Step4.∵i-=0，∴if

=i1Step5.同相加权求和Step6.线性工作输入范围：第31页/共56页第32页9.2.2加法、减法运算电路（4）同相求和电路ui1ui2uoR4R1R2R3Rfi1ifR1||R2||R3=R4||Rf当R1=R2=R时，当R1=R2=Rf

时，第32页/共56页第33页9.2.2加法、减法运算电路（5）差动求和(减法)电路ui1ui2uoR1R2R3Rfi1ifR2||R3=R1||RfStep1.∵i+=0∴Step2.Step3.Step4.∵i-=0，∴if

=i1Step5.减法运算Step6.线性工作输入范围：第33页/共56页第34页9.2.2加法、减法运算电路（6）差动求和(减法)电路ui1ui2uoR1R2R3Rfi1ifR2||R3=R1||Rf当Rf=R3=,R1=R2时，当R1=R2=R3=Rf

时，第34页/共56页第35页9.2.2加法、减法运算电路（7）电路如下图所示，试求输出电压uo1、uo2及uo。A1构成反相比例运算电路A2构成同相加法运算电路A3构成减法运算电路第35页/共56页第36页9.2.2加法、减法运算电路（8）A1构成反相比例运算电路i1iF1ioF第36页/共56页第37页9.2.2加法、减法运算电路（9）A2构成同相加法运算电路第37页/共56页第38页9.2.2加法、减法运算电路（10）A3构成减法运算电路仿真实验第38页/共56页第39页9.2.3微分、积分运算电路（1）基本反相积分电路iRiCui-++RCuoi-RStep1.∵i+=0∴u+=0VStep2.Step3.Step4.∵i-=0，∴iC=iRStep5.反相积分Step6.线性工作范围确定若输入直流电压，电容无初始电压，则积分时间间隔应满足积分电路可将方波转换为三角波，也可将正弦波移相-90º第39页/共56页第40页9.2.3微分、积分运算电路（2）基本微分电路ui－++uoRiciRCi-RStep1.∵i+=0∴u+=0VStep2.Step3.Step4.∵i-=0，∴iR

=iCStep5.反相微分Step6.线性工作范围确定微分电路可将三角波转换为方波，也可将正弦波移相+90º第40页/共56页第41页9.2.3微分、积分运算电路（3）Step1.∵i+=0Step2.Step3.Step4.∵i-=0，∴if

=i1Step5.Step6.线性工作范围确定第41页/共56页第42页9.3信号处理电路信号处理就是用专门的电路来改善已知的输入信号，然后用这些电路的输出信号去完成各种功能，运算放大器特别适合于模拟信号处理电路，具有价廉、高效、容易使用等特点。在自动化系统中，在信号处理方面经常遇到的是，信号幅度的比较、信号幅度的选择、信号的采样和保持等。下面就这些问题。本节介绍比较电路和采样保持电路。第42页/共56页第43页9.3.1信号比较电路（1）简单反相输入比较器uiURuo1.串联比较当ui>UR

时，uo=UoL当ui<UR

时，uo=UoH电压传输特性u+=UR

u-=uiuiuoUoHUoLUR如果UR=0，称为过零比较器第43页/共56页第44页9.3.1信号比较电路（2）uiURuoR1R22.并联比较u+=0u-=(R1||R2)(ui

/R1+UR

/R2)当u->0时，uo=UoL当u-<0时，uo=UoH比较器阈值：当ui

>Uth

时，uo=UoL当ui<Uth

时，uo=UoHuiuoUoHUoLUth电压传输特性第44页/共56页第45页9.3.1信号比较电路（3）简单同相输入比较器1.串联比较当ui>UR

时，uo=UoH当ui<UR

时，uo=UoL电压传输特性u-

=UR

u+=ui如果UR=0，称为过零比较器uiuoUoHUoLURuiURuo第45页/共56页第46页9.3.1信号比较电路（4）2.并联比较u-

=0u+=(R1||R2)(ui

/R1+UR

/R2)当u+>0时，uo=UoH当u+

<0时，uo=UoL比较器阈值：当ui>Uth

时，uo=UoH当ui<Uth

时，uo=UoLUthuiURuoR1R2电压传输特性uiuoUoHUoL第46页/共56页第47页9.3.1信号比较电路（5）比较器输出电平的控制uoDZ1DZ21.稳压管输出式输出高电平UOH=UZ1+UD输出低电平UOH=-(UZ2+UD)限流电阻仿照稳压管稳压电路的情况可以给出限流电阻的取值范围：第47页/共56页第48页9.3.1信号比较电路（6）比较器输出电平的控制2.稳压管反馈式uoDZ2DZ1uiURR1R2输出高电平UOH=UZ1+UD输出低电平UOH=-(UZ2+UD)值得注意的是，这种输出电平控制方式是建立在运算放大器输入端虚地的前提上的，因此具有一定的应用限制，前面介绍的四种比较器只有一种可用。第48页/共56页