简明电工学课件：集成运算放大电路

集成运算放大电路11.1集成运算放大器概述11.2反馈的基本概念11.3电压比较器11.4基本运算电路

集成电路是使用特定的半导体制造工艺,将整个电路中的元器件制作在一块硅片上,封装后引出多条引线,形成具有特定功能的电路块。集成电路的特点:体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。

集成电路按集成度分为小、中、大、超大、特大和巨大规模集成电路。

按照处理的信号不同,集成电路可以分为模拟集成电路(集成功率放大器、集成运算放大器等)及数字集成电路(集成门电路、编码器、译码器、触发器等)。

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路,简称集成运放(运放),是一种发展最早、应用最广泛的模拟集成电路。集成运放在各种电子电路中被广泛应用,特别是各种专用、高性能电路。

能力要素

(1)能够对电压比较器相关电路进行分析与设计。

(2)能够分析由运放组成的比例、加法、减法、积分、微分等运算电路。

(3)能够利用运放设计电路,实现对输入信号的比例、加法、减法、积分、微分等运算。

知识结构

11.1集成运算放大器概述

11.1.1集成运算放大器的组成集成运放种类繁多,性能各异,但其内部结构基本相同,通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。输入级采用差分放大电路,具有高输入电阻和抑制零点漂移能力;中间级主要进行电压放大,具有高电压放大倍数,一般由共射极放大电路构成;输出级与负载相连,具有输出电阻低、带载能力强的特点,一般由射极输出器等电路构成。

对于集成运放的使用者来说,只要能做到合理选择、正确使用就可以。因而要对运放的主要技术指标做到正确理解,并会选择外围电路元件,重点放在与各“引脚”相连的有关电路上。

集成运放有圆壳式、扁平式和双列直插式封装等,常见的集成运放如图11.1.1所示。图11.1.1常见的集成运放

例如F007,它的外形、管脚和外部接线如图11.1.2所示,有双列直插式和圆壳式两种封装。图11.1.2F007集成运放的外形、管脚和外部接线图

F007有八个引脚,各引脚功能如下:

2———反向输入端。由此端接输入信号,则输出信号和输入信号是反相的(或者两者极性相反)。

3———同相输入端。由此端接输入信号,则输出信号和输入信号是同相的(或者两者极性相同)。

4———负电源端。接-15V稳压电源。

7———正电源端。接+15V稳压电源。

6———输出端。

1和5———外接调零电位器的两个端子。

8———空脚。

忽略掉电源和其他用途的接线端,集成运算放大器的图形符号如图11.1.3所示。它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标“-”号,同相输入端和输出端标“+”号。它们对“地”的电压(即各端的电位)分别用u-、u+、uo表示。“Auo”表示开环电压放大倍数。图11.1.3运算放大器的图形符号

11.1.2电压传输特性

通常用运放的电压传输特性表示运放输出电压与两个输入电压之间的关系。F007的电压传输特性如图11.1.4所示,输入电压uD=u+-u-。由图可以看出,运放的传输特性分为线性区与非线性区(饱和区)。

在线性区,输入与输出之间呈线性关系,即图11.1.4F007电压传输特征

由于运放的开环电压放大倍数Auo很高,即使输入毫伏级以下的信号,也足以使输出电压饱和,其饱和值为+Uo(sat)或-Uo(sat),接近正电源或负电源的电压值。

F007电源电压为±15V时的最大输出电压±13V。按Auo=105计算,输出为±13V时,输入电压uD为±0.13mV。当输入信号超过±0.13mV时,输出电压恒为±13V,不再随uD变化,此时运放进入饱和区。

由此可以看出,运放工作在线性区的输入电压范围很小。为了能够利用集成运放对实际输入信号(它比运放的线性范围大很多)进行线性放大,必须外加负反馈,这是集成运放线性应用电路的共同特点。

【例11.1.1】某一集成运放的正、负电源电压为±15V,开环电压放大倍数Auo=2×105,最大输出电压(即±Uo(sat))为±13V。当输入电压为如下几种情况时,分别求对应的输出电压。

(1)u+=+15μV,u-=-10μV;

(2)u+=-5μV,u-=+10μV;

(3)u+=0μV,u-=+5mV;

(4)u+=5mV,u-=0V。

11.1.3理想运算放大器及其分析依据

由于实际运放与理想运放性能比较接近,因此在分析、计算、应用电路时,用理想运放代替实际运放所带来的误差并不严重,在一般工程计算中是允许的。本模块中,凡未特别说明的,均将运放视为理想运放来考虑。所谓理想运放,就是将集成运放的各项技术指标理想化,主要包括:

①开环电压放大倍数Auo→∞。

②开环输入电阻ri→∞。

③开环输出电阻ro→0。

④共模抑制比KCMRR→∞。

理想运放的图形符号如图11.1.5所示,其中“∞”表示开环电压放大倍数的理想化条件。图11.1.5理想运放的图形符号

理想运放的电压传输特性如图11.1.6所示。图11.1.6理想运放电压传输特性

1.工作在线性区

理想运放工作在线性区时,分析依据有两条:

(1)由于运放的开环电压放大倍数Auo→∞,而输出电压是一个有限数值,故从式(11.1.1)可知,

运放的两个输入端之间呈现“虚短路”特性,简称“虚短”。“虚短路”与“短路”截然不同。“虚短路”的两点之间仍然有信号电压,尽管该电压十分微小;“短路”的两点之间信号电压为零。若运放的两输入端之间是“短路”而不是“虚短路”,表明放大器无信号输入,当然也就无信号输出。

(2)由于运放的开环输入电阻ri→∞,故可认为两个输入端的输入电流为

该特性称为运放输入端的“虚开路”特性,简称“虚断”。若某一支路中的电流为无穷小量,则该支路就被认为是“虚开路”。显然,“虚开路”与“开路”也截然不同。

2.工作在饱和区

理想运放工作在饱和区时,式(11.1.1)不能满足,这时输出电压uo只有两种可能,等于+Uo(sat)或-Uo(sat)),而u+与u-不一定相等。

(1)当u+>u-时,uo=+Uo(sat);

(2)当u+<u-时,uo=-Uo(sat)。

此外,运算放大器工作在饱和区时,两输入端的电流也认为是0。

为了使运放工作在饱和区,一般都使运放开环工作。有时为加快转换过程,还会外加一定强度的正反馈。

综上所述,若运放外部引入负反馈,则运放工作在线性区;若运放开环工作或带有正反馈,则运放工作在饱和区。

11.2反馈的基本概念

凡是将电子电路(或某个系统)输出端信号(电压或电流)的一部分或全部通过一定的网络引回到输入端,就称为反馈。图11.2.1是带有反馈的放大电路方框图,主要包括基本放大电路Ao和反馈电路F。图11.2.1带有反馈的放大电路方框图

反馈放大电路中,xi是反馈放大电路的原输入信号,xo是输出信号,xF是反馈信号,xD是基本放大电路的净输入信号。基本放大电路实现信号的正向传输,反馈电路则将部分或全部输出信号反向传输到输入端,因此,净输入信号xD=xi-xF。

判断放大电路中是否存在反馈的方法是:观察放大电路中有无反馈通路,即观察放大电路输出回路与输入回路之间是否有电路元件起桥梁作用。若有,则存在反馈电路,即电路为反馈(闭环)放大电路;反之,则无反馈电路,即电路为开环放大电路。

根据反馈信号与原输入信号的合成类型(相加或相减,反馈极性),可将反馈电路分为正反馈与负反馈。正反馈:xF与xi作用相同,使xD增加;负反馈:xF与xi作用相反,使xD减小。

根据反馈信号中所含成分的不同,可将反馈电路分为直流反馈与交流反馈。

根据反馈信号与原输入信号在放大电路输入端合成方式的不同,可将反馈电路分为串联反馈与并联反馈。串联反馈:xF与xi以串联的形式作用于净输入端;并联反馈:xF与xi以并联的形式作用于净输入端。

根据输出信号反馈端采样方式的不同,可将反馈电路分为电压反馈与电流反馈。电压反馈:反馈信号取自输出电压;电流反馈:反馈信号取自输出电流。

为了正确分析反馈对放大电路性能的影响,必须明确反馈极性的判别。

11.2.1正反馈和负反馈的判别方法

一般采用瞬时极性法来判断正负反馈。首先将反馈电路与输入回路断开,再假定原输入信号在某一瞬时变化的极性为正(“+”)(相对于公共参考端而言),根据各种基本放大电路的输出信号与输入信号之间的相位关系,顺着信号的输出方向,逐级标出放大电路中各有关点电位的瞬时极性。判断出反馈信号的变化趋势是减弱输入信号的变化趋势,则为负反馈;反之则为正反馈。

判断口诀:同端同号正反馈;同端异号负反馈;异端异号正反馈;异端同号负反馈。

说明:同端、异端指输入信号和反馈信号是否加在放大器同一端;同号、异号指两信号的极性是否相同。

【例11.2.1】判断图11.2.2所示电路引入的反馈的极性。图11.2.2例11.2.1的电路

解图11.2.2(a)、(b)的瞬时极性标注分别如图11.2.3(a)、(b)所示。图11.2.3瞬时极性标注电路

11.2.2负反馈对放大电路性能的影响

在放大电路中经常利用负反馈来改善放大电路的性能。负反馈对放大电路性能的改善是以降低电压放大倍数为代价的,因为在有负反馈的放大电路中,反馈信号与输入信号作用相反,使净输入信号减小,输出信号减小,因而放大倍数下降。下降的程度可通过下面分析来说明。

负反馈虽然使放大倍数下降,但是它能改善放大电路的性能。主要体现在以下几方面:

(1)提高了放大倍数的稳定性。

当外界条件变化时,即使输入信号一定,仍将引起输出信号的变化,即引起放大倍数的变化。如果这种相对变化较小,则说明其稳定性较高。

放大倍数与频率的关系如图11.2.4所示。有反馈时放大倍数由Ao降到了Af。由于放大倍数稳定性的提高,在低频段和高频段的电压放大倍数下降程度减小,使得下限截止频率由原来的f1变成了f3,上限截止频率由原来的f2变成了f4,从而使通频带由Bo展宽到了Bf。图11.2.4展宽通频带

(3)改善了非线性失真。

模块10介绍了饱和失真与截止失真两种非线性失真。图11.2.5(a)所示波形产生了非线性失真,引入负反馈后,由于净输入信号减小,使得iC减小,从而改善了非线性失真,如图11.2.5(b)所示。图11.2.5改善非线性失真

(4)稳定了输出电压或输出电流。

电压负反馈具有稳定输出电压的作用,电流负反馈具有稳定输出电流的作用。

(5)改变了输入电阻与输出电阻。

负反馈对放大电路输入电阻和输出电阻的影响与反馈的方式有关。

串联负反馈在保持ui一定时,致使输入电阻ri增加。

并联负反馈在保持ui一定时,致使输入电阻ri减小。

电压负反馈使输出电压趋于稳定,致使输出电阻ro减小。

电流负反馈使输出电流趋于稳定,致使输出电阻ro增加。

11.3电压比较器

电压比较器是集成运放工作在非线性区的典型应用,用来比较输入电压与参考电压的大小。它通常至少有两个输入端和一个输出端,其中一个输入端接参考电压(或基准电压),另一个接被比较的输入信号。当输入信号的电压略高于或低于参考电压时,输出电压发生跃变,但输出电压只有两种可能的状态,即高电平或者低电平。可见,比较器输入的是模拟信号,输出的则是数字信号,它是模拟电路与数字电路之间的接口电路。

11.3.1单限电压比较器

当电压比较器只有一个参考电压时,称其为单限电压比较器。

图11.3.1所示为单限电压比较器,开环输出电压最大值为±Uo(sat)。其中(a)图为同相输入,(b)图为反相输入。图11.3.1单限电压比较器

图11.3.1中UR为基准电压,运算放大器处于开环状态。根据运放工作在饱和区时的特点,可得图11.3.2所示的电压传输特性。图11.3.2单限电压比较器电压传输特性

对于图11.3.1所示电压比较器,若输入电压波形为三角波,则输出波形可转换为矩形波,分别如图11.3.3(a)、(b)所示。

当UR=0时,该单限电压比较器称为零限电压比较器。反相输入的零限电压比较器电路及输入、输出电压波形如图11.3.4所示。图11.3.3单限电压比较器输入、输出电压波形图11.3.4反相零限电压比较器

11.3.2输出带限幅的电压比较器

为了对电压比较器的输出进行限幅,通常使用反向串联稳压二极管来实现,如图11.3.5所示。图11.3.5输出带限幅的电压比较器

图11.3.5中,VDZ为反向串联的稳压二极管。设稳压二极管的稳定电压为±UZ,忽略其正向压降,若运放的最大输出电压为±Uo(sat),则当ui<UR时,u'o=+Uo(sat),uo=UZ;当ui>UR时,u'o=-Uo(sat),uo=-UZ。若UR>0,则电压传输特性如图11.3.6所示。图11.3.6电压传输特性

【专11.1】利用运放组成的过温保护电路如图1所示,R3是负温度系数的热敏电阻,温度升高时,阻值变小,KA是继电器,要求该电路在温度超过上限值时,继电器动作,自动切断加热电源。试讨论该电路的工作原理。图1专11.1的电路

【练11.1】有一负反馈放大电路,已知开环电压放大倍数Auo=400,F=0.01。试问:

(1)闭环电压放大倍数Auf为多少?

(2)如果Auo发生±20%的变化,则Auf的相对变化为多少?

【练11.2】分析图2所示电路,若+Uo(sat)>UZ且UR>0,画出其电压传输特性曲线。图2练11.2的电路

【练11.3】图3是一监控报警装置,如需对某一参数(温度、压力等)进行监控,可由传感器取得监控信号ui,UR是参考电压。当ui超过正常值时,报警灯亮,试说明其工作原理。二极管VD和电阻R3在此起何作用?图3练11.3的电路

11.4基本运算电路

11.4.1比例运算1.反相比例运算图11.4.1所示为反相比例运算电路。图11.4.1反相比例运算电路

式(11.4.2)表明,反相比例运算电路具有以下特点:

(1)Auf|为负值,即uo与ui极性相反,这是因为ui加在运放的反相输入端。

(2)Auf|只与外部电阻R1、RF有关,与运算放大器本身参数无关。

(3)|Auf|可大于1,也可等于1或小于1。

当RF=R1时,由式(11.4.2)可知,uo=-ui,即Auf=-1。此时反相比例运算电路又称为反相器。

【例11.4.1】电路如图11.4.2所示,已知R1=20kΩ,RF=100kΩ。求:(1)Auf;(2)若R1不变,要求Auf为-20,则RF应为多少?

解图11.4.2所示电路为反相比例运算电路,则图11.4.2例11.4.1的电路

2.同相比例运算

图11.4.3所示为同相比例运算电路。图11.4.3同相比例运算电路

式(11.4.4)表明,同相比例运算电路具有以下特点:

(1)Auf为正值,即uo与ui极性相同,这是因为ui加在运放的同相输入端。

(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关,与运算放大器本身参数无关。

(3)Auf≥1,不能小于1。

当R1=∞或RF=0时,由式(11.4.4)可知,uo=ui,即Auf=1。此时,该同相比例运算电路又称为电压跟随器。常用的电压跟随器如图11.4.4所示。图11.4.4电压跟随器

11.4.2加法运算

1.反相加法运算

图11.4.5所示为两输入反相加法运算电路。图11.4.5反相加法运算电路

2.同相加法运算

图11.4.6所示为两输入同相加法运算电路。

可以看出,当只有一个输入电压时,该电路为同相比例运算电路。因此,可用叠加原理分析该运算电路输出与输入之间的关系。图11.4.6同相加法运算电路

11.4.3减法运算

图11.4.7所示为两输入减法运算电路。图11.4.7减法运算电路．

11.4.4积分运算

积分运算电路可以实现对输入信号电压的积分运算,其输出电压与输入电压的积分成正比。积分运算电路如图11.4.8所示。图11.4.8积分运算电路

积分运算电路的输出波形如图11.4.9所示。

由图11.4.9可以看出,当Ui为正值时,输出为反向积分,Ui对电容器恒流充电,故输出电压随t线性变化。当uo向负值方向增大到运放反向饱和电压-Uo(sat)时,运放进入饱和区,uo=-Uo(sat)保持不变,积分作用停止。

反之,当Ui为负值时,输出为正向积分,Ui对电容器恒流充电,输出电压随t线性变化。当uo向正值方向增大到运放正