第三章　集成运算放大器及其应用

§3-1差动放大电路§3-2集成运算放大器概述§3-3集成运算放大器的基本电路§3-4集成运算放大器的应用电路§3-5集成运算放大器的使用常识1. 了解零点漂移的基本概念。2. 了解基本差动放大电路的结构及性能特点。3. 理解差模信号、共模信号的含义及共模抑制比的含义。4. 了解恒流源的基本概念，认识具有恒流源的差动放大电路。学习目标§3-1差动放大电路工程上常需放大直流信号和缓慢变化的信号，例如，为测量炉子的温度，先用传感器将被测温度转换成电信号，由于温度的变化比较缓慢，转换成的相应电信号也是一个缓慢变化的信号。一般来说，转换成的电信号十分微弱，必须经多级放大，才能驱动测量仪器、仪表记录数据或控制执行机构动作。这类信号是频率趋近于零的电信号，不能使用阻容耦合或变压器耦合，必须采用直接耦合方式。一、零点漂移放大直流信号和缓慢变化的信号必须采用直接耦合方式，但简单的直接耦合放大器，常会发生输入信号为零输出信号不为零的现象。产生这种现象的原因很多，如温度的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等，都会使静态工作点发生缓慢变化，该变化量被逐级放大，便会使放大器输出端出现不规则的输出量，这种现象称为“零点漂移”，简称“零漂”。二、基本差动放大电路1. 电路组成 基本差动放大电路如图所示。基本差动放大电路2. 工作原理（1）静态分析（2）动态分析1）共模信号与差模信号2）对零点漂移的抑制作用3）对差模信号的放大作用3. 共模抑制比（KCMR）一个性能良好的差动放大电路，对差模信号应有很高的放大倍数，对共模信号应有足够的抑制能力。三、具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路1. 了解集成运算放大器的结构、电路符号。2. 理解集成运算放大器的同相和反相输入端的含义。3. 了解集成运算放大器的外形及分类。4. 掌握集成运算放大器的主要参数。学习目标§3-2集成运算放大器概述一、集成运算放大器的组成及电路符号1. 组成框图集成运算放大器的组成框图如图所示，通常包括输入级、中间级、输出级和偏置电路。集成运算放大器的组成框图（1）输入级通常是具有较大输入电阻和一定放大倍数的差动放大电路，利用它可以使集成运算放大器获得尽可能高的共模抑制比。（2）中间级中间级的作用是使集成运算放大器具有较强的放大能力，通常由多级共射极放大器构成。（3）输出级输出级的作用是为负载提供一定幅度的信号电压和信号电流，并具有一定的保护功能。输出级一般采用输出电阻很小的射极输出器或由射极输出器组成的互补对称功放电路。（4）偏置电路偏置电路的作用是为各级提供所需的稳定静态工作电流。2. 电路符号集成运算放大器对外是一个整体，它的电路符号如图所示。集成运算放大器的电路符号二、集成运算放大器的封装和分类1. 封装集成运算放大器的封装形式有塑料双列直插式、陶瓷扁平式、金属圆壳式等多种。图所示为部分集成运算放大器的外形。部分集成运算放大器的外形a）塑料双列直插式b）陶瓷扁平式c）金属圆壳式2. 分类集成运算放大器按电路特性分类可分为通用型和专用型等。所谓通用型，是指这种集成运算放大器的性能指标基本上兼顾了各方面的使用要求，没有特别的参数要求，基本上能满足一般应用的需要。专用型又称为高性能型，它有一项或几项特殊要求，可在特定场合或特定要求下使用。专用型集成运算放大器按某项特性参数进行分类，有低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功率型等。三、集成运算放大器的主要参数为了表征集成运算放大器的性能，生产厂家制定了很多参数，作为合理选择和正确使用集成运算放大器的依据。下面介绍几项主要的参数，见表。集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1. 了解理想集成运算放大器的基本概念。2. 了解集成运算放大器线性工作区和非线性工作区的特性及工作特点。3. 理解集成运算放大器“虚短”“虚断”的概念。4. 了解集成运算放大器电路直流平衡电阻的配置。学习目标§3-3集成运算放大器的基本电路5. 掌握反相比例运算放大电路、同相比例运算放大电路的组成和电路参数的计算。6. 掌握“虚地”的概念。7. 掌握反相器和电压跟随器的组成和特点。8. 会判断集成运算放大器电路的反馈类型。学习目标§3-3集成运算放大器的基本电路一、集成运算放大器的理想化1. 理想集成运算放大器的基本概念在实际分析过程中常常把集成运算放大器理想化，采用理想集成运算放大器进行分析，不但简化了分析过程，而且分析的结果与实际情况相差很小。集成运算放大器的理想化条件是：（1）开环差模电压放大倍数Auo→∞。（2）差模输入电阻rid→∞。（3）开环输出电阻ro→0。（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。理想集成运算放大器的符号如图所示。其中“∞”表示开环差模电压放大倍数为无穷大。理想集成运算放大器符号集成运算放大器的电压传输特性2.  理想集成运算放大器的电压传输特性理想集成运算放大器的电压传输特性电压传输特性分为线性区（虚线框内）和非线性区（虚线框外），各区域的传输特性及特点见表。二、集成运算放大器的两种基本电路1. 反相比例运算放大电路2. 同相比例运算放大电路反相比例运算放大电路同相比例运算放大电路集成运算放大电路中四种负反馈组态的比较集成运算放大电路中四种负反馈组态的比较1. 掌握反相加法运算电路的组成及分析方法。2. 掌握减法运算电路的组成及分析方法。3. 了解电压比较器的传输特性，特别是双门限电压比较器的传输特性。4. 掌握单门限电压比较器和双门限电压比较器的组成及分析方法。学习目标§3-4集成运算放大器的应用电路集成运算放大器工作在深度负反馈状态时，它的输出、输入呈线性关系（即比例关系），集成运算放大器工作在线性区，这时构成的电路称为线性应用电路。前面介绍的反相比例运算放大电路和同相比例运算放大电路及下面将要介绍的信号运算电路都是属于线性应用电路。集成运算放大器工作在开环（无反馈）或正反馈状态时，输出、输入之间对应关系不成比例，集成运算放大器工作在非线性区，这时构成的电路称为非线性应用电路。电压比较器属于非线性应用电路。分析集成运算放大器应用电路的基本步骤是：（1）判断集成运算放大器的工作区域。若集成运算放大器引入负反馈，则集成运算放大器工作于线性区；若集成运算放大器是开环或引入正反馈，则集成运算放大器工作于非线性区。（2）根据理想集成运算放大器不同工作区的相应特点，进一步对电路进行分析。一、信号运算电路1. 加法运算电路在反相放大器的基础上，若使几个输入信号同时加在集成运算放大器的同一个输入端口上，则称为反相加法运算电路；在同相放大器的基础上，加在同相输入端时，则称为同相加法运算电路。图所示为反相加法运算电路。为满足电路平衡要求，平衡电阻R′=R1∥R2∥R3∥Rf。反相加法运算电路减法运算电路2. 减法运算电路减法运算电路是指输出电压与多个输入电压的差值成比例的电路，如图所示。二、电压比较器当集成运算放大器处于开环状态或引入正反馈时，集成运算放大器工作于非线性区域。1. 单门限电压比较器单门限电压比较器有反相输入和同相输入两种形式，图a所示为反相输入形式。单门限电压比较器a）原理电路b）门限电压为UR的传输特性c）过零电压比较器的传输特性利用单门限电压比较器实现波形变换a）单门限电压比较器b）波形变换利用单门限电压比较器可实现波形的变换。例如，当单门限电压比较器输入正弦波时，相应的输出波形便是矩形波，如图所示。双门限电压比较器a）原理图b）传输特性曲线2. 双门限电压比较器双门限电压比较器又称为“迟滞比较器”，也称“施密特触发器”。它是一个含有正反馈的比较器，其原理图和传输特性曲线如图所示。1. 能合理选择集成运算放大器。2. 会对集成运算放大器进行质量检测。3. 了解集成运算放大器的使用常识。4. 了解集成运算放大器的保护电路。学习目标§3-5集成运算放大器的使用常识一、合理选择集成运算放大器集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。集成运算放大器种类和型号繁多，依据其性能参数的不同分为通用型和专用型两大类。通用型又可分为低增益、中增益、高增益三种。通用型集成运算放大器适合在一般条件下使用，特点是电源电压的适用范围广，不需要外接补偿电容，输入电压较大。专用型集成运算放大器有高阻型、低漂移型、高速型、低功耗型、高压型、大功率型、电压比较器等多种。二、集成运算放大器的质量检测1. 用万用表检测 2. 用测试电路检测3. 用专用仪器检测三、正确使用集成运算放大器1. 调零由于集成运算放大器失调电压和失调电流的存在，当输入电压为零时，输出电压并不为零。外接调零电位器RP调零电路外加补偿电压进行调零的电路a）同相输入调零b）反相输入调零2. 消除自激振荡集成运算放大器是多级放大器，具有极高的电压放大倍数，但它极易产生自激振荡，使运算放大器不能正常工作。为了防止自激振荡的产生，通常按产品手册要求，在补偿端子上接指定的补偿电容或RC移相网络，以便消除自激振荡现象。四、集成运算放大器的保护电路1. 防止电源极性接反为了防止电源极性接反而损坏集成运算放大器，可利用二极管的单向导电特性来控制，如图所示，二极管