第五章-集成运算放大器分析.ppt

1、第九章 集成运算放大器,基 本 要 求,1.了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移 的抑制作用。 2.掌握集成运放的理想化条件和重点掌握理想集成 运放的两大特征。 3.重点掌握集成运放的三种输入方式及运放的应用。,由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路,把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体,分立元件电路,集成电路,集成运放属于小规模模拟集成电路,概 述,集成运放的输入级通常由差动放大电路组成,集成运放的组成如下：,？,零 点 漂 移,零点漂移：当输入信号为0时，放大电路的静态值发生变化。,零点：放大电路的直流电压源UCC保持不变，环境温度保持不变（20C），输入信号ui=0时放大电

2、路的静态值。,引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。,零点漂移的抑制,抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的手段是在输入级采用差动放大电路。,由于电容和变压器不能集成，所以集成运算放大器中的 多级放大电路采用直接耦合方式，无法通过耦合方式抑 制零点漂移。,1. 电路结构,1 电路结构对称（在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。） 2 电路具有两个输入、两个输出端。,典型差动放大电路,差动放大电路,特 征：,1.零点漂移的抑制（静态分析）,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,静态时，ui1 = ui2 = 0

3、,当温度升高时: ICVC,差动放大电路对两管所产生的零点漂移都有抑制作用,2. 工作原理,uo ?,（VC1 = VC2 ）,2. 有信号输入时的工作情况(动态分析),两管集电极电位呈等量同向变化,(1) 共模信号 ui1 = ui2大小相等、极性相同,共模信号 需要抑制,uo= (uC1+uC1 )(uC2 + uC ) =0,Ac=0,电路共模信号没有放大能力,2. 有信号输入时的工作情况,两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化,(2) 差模信号 ui1 = ui2大小相等、极性相反,uo= (uC1uC1 )(uC2 + uC ) =2 uC1,对差模信号有放大能力,差模信号 是有用信

4、号,（Ad= 2 uC1 / 2 ui = Au ）,(3) 任意输入,ui1 、ui2 大小和极性是任意的。一般可将其分解为差模分量和共模分量：,例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,共模信号,差模信号,放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号,抑制共 模信号。,这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。,（Common Mode Rejection Ratio),差模放大倍数,共模放大倍数,KCMR越大，说明分辨差模 信号的能力越强，而抑制共 模信号的能力越强。,3. 共模抑制比

5、,共模抑制比,一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有一定放大作用。我们希望差动放大电路有较大差模放大倍Ad,较小共模放大倍数Ac，将两者的比值定义为共模抑制比，全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。,RP： 调零电阻。由于制造工艺上的问题，T1、T2不能完全 对称，调节RP使放大电路在输入为0时，输出为0。,典型差动放大电路,RE ：稳定静态工作点。,UEE ：补偿RE上的 电压降，扩大 放大器动态工作范围。,差动放大电路输入输出方式,集成运算放大器概述,集成运放有两个输入端和一个输出端。,组 成,电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相 输入端,输出端,反相 输

6、入端,输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，采用带恒流源的差放 。 中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由射极输出器构成。,运算放大器的符号表示,反向输入端,同相输入端,运 放,输出端,(电源可不必画，AO指开环电压放大倍数),A0,u-,u+,uo,集成运算放大器的主要技术指标,1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围 U

7、ICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3. 输入失调电压 UIO 4. 输入失调电流 IIO 5. 输入偏置电流 IIB,电压传输特性 uo= f (ui),线性区： uo = Auo(u+ u),非线性区： u+ u 时， uo = +Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),线性区,理想特性,实际特性,饱和区,O,理想运算放大器,理想化条件: 开环电压放大倍数Auo 输入电阻 ri 输出电阻 ro0 共模抑制比 KCMR= ,理想运放图形符号,理想运放的两大特征,根据Auo=uo/(u+u) , 所以(u+

8、u) 0， 两个输入端之间近似无电位差，即 u+=u,理想运放输入电阻无穷大，所以输入端的电流为0, 即： i+= i-=0,特征1：两个输入端之间的电压近似等于0,特征2：两个输入端的电流近似等于0,虚短,虚断,一. 从一个例子说起稳定工作点电路,输入量：Vi、VBE、iB,反馈将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式送回到输入回路的过程。,1、反馈的基本概念,输出量：VO、VCE、iC,正向传输信号从输入端到输出端的传输,运算放大器电路中的负反馈,2.反馈电路的一般方框图 任意一个反馈放大电路都可以表示为一个基本放大电路和反馈网络组成的闭环系统，其构成如图所示。,反馈放大电路的

9、一般方框图,图中Xi、Xid、Xf、Xo分别表示放大电路的输入信号、净输入信号、反馈信号和输出信号，它们可以是电压量，也可以是电流量。 没有引入反馈时的基本放大电路叫做开环电路，其中的A表示基本放大电路的放大倍数，也称为开环放大倍数。,3.反馈元件 在反馈电路中，既与基本放大电路输入回路相连，又与输出回路相连的元件，以及与反馈支路相连且对反馈信号的大小产生影响的元件，均称为反馈元件。,4、反馈放大电路的一般表达式 1.闭环放大倍数Af 2.反馈深度（1AF）,5 反馈的类型及其判定方法,正反馈和负反馈 按照反馈信号极性的不同进行分类，反馈可以分为正反馈和负反馈。,（1）正反馈：引入的反馈信号X

10、f增强了外加输入信号的作用，使放大电路的净输入信号增加，导致放大电路的放大倍数提高的反馈。 正反馈主要用于振荡电路、信号产生电路，其他电路中则很少用正反馈。,（2）负反馈：引入的反馈信号Xf削弱了外加输入信号的作用，使放大电路的净输入信号减小，导致放大电路的放大倍数减小的反馈。 一般放大电路中经常引入负反馈，以改善放大电路的性能指标。,判定方法 常用电压瞬时极性法判定电路中引入反馈的极性，具体方法如下。 （1）先假定放大电路的输入信号电压处于某一瞬时极性。如用“”号表示该点电压的变化是增大；用“-”号表示电压的变化是减小。,（2）按照信号单向传输的方向，同时根据各级放大电路输出电压与输入电压的

11、相位关系，确定电路中相关各点电压的瞬时极性。 （3）根据反送到输入端的反馈电压信号的瞬时极性，确定是增强还是削弱了原来输入信号的作用。如果是增强，则引入的为正反馈；反之，则为负反馈。,反馈极性的判定,交流反馈和直流反馈 根据反馈信号的性质进行分类，反馈可以分为交流反馈和直流反馈。 （1）直流反馈： 反馈信号中只包含直流成分。 （2）交流反馈： 反馈信号中只包含交流成分。,判定方法 交流反馈和直流反馈的判定，可以通过画反馈放大电路的交、直流通路来完成。在直流通路中，如果反馈回路存在，即为直流反馈；在交流通路中，如果反馈回路存在，即为交流反馈；如果在直、交流通路中，反馈回路都存在，即为交、直流反馈

12、。,电压反馈和电流反馈 （1）电压反馈： 反馈信号从输出电压uo采样。 （2）电流反馈： 反馈信号从输出电流io采样。,判定方法 （1）根据定义判定，方法是：令uo=0，检查反馈信号是否存在。若不存在，则为电压反馈；否则为电流反馈。 （2）一般电压反馈的采样点与输出电压在相同端点；电流反馈的采样点与输出电压在不同端点。,串联反馈和并联反馈 （1）串联反馈：反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电压的形式相加减，即在输入回路中彼此串联。 （2）并联反馈：反馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路中以电流的形式相加减，即在输入回路中彼此并联。,判定方法 如果输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的不同端

13、点，则为串联反馈；若输入信号Xi与反馈信号Xf在输入回路的相同端点，则为并联反馈。,负反馈放大器的四种类型,负反馈类型有四种组态: 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈,运算放大器电路中的负反馈,并联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较并联反馈,特点：输入电阻低、输出电阻低,串联电压负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电

14、压) 负反馈,反馈电压,取自输出电压电压反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,特点：输入电阻高、输出电阻低,串联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电压 ud =ui uf,各电压的实际方向如图,uf 削弱了净输入电压(差值电压) 负反馈,反馈电压,取自输出电流 电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电压的形式比较 串联反馈,uf =Rio,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 同相输入恒流源电路或电压-电流变换电路,并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电

15、流,取自输出电流电流反馈,反馈信号与输入信号在输入端以电流的形式比较 并联反馈,并联电流负反馈,设输入电压 ui 为正，,差值电流 id = i1 if,各电流的实际方向如图,if 削弱了净输入电流(差值电流) 负反馈,反馈电流,取自输出电流电流反馈,特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关 反相输入恒流源电路,运算放大器电路反馈类型的判别方法：,1. 反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈； 从负载电阻RL的靠近“地”端引出的，是电流反馈； 2. 输入信号和反馈信号分别加在两个输入端（同相和反相）上的，是串联反馈；加在同一个输入端（同相或反相）上的，是并联反馈； 3. 对串联反馈，输入信号和

16、反馈信号的极性相同时，是负反馈；极性相反时，是正反馈； 4. 对并联反馈，净输入电流等于输入电流和反馈电流之差时，是负反馈；否则是正反馈。,例1：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路直接从运算放大器A2的输出端引出，所以是电压反馈；,因输入信号和反馈信号分别加在反相输入端和同相输入端上，所以是串联反馈； 因输入信号和反馈信号的极性相同，所以是负反馈。,串联电压负反馈,先在图中标出各点的瞬时极性及反馈信号；,例2：,试判别下图放大电路中从运算放大器A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。,解：,因反馈电路是从运算放大器A2的

17、负载电阻RL的靠近“地”端引出的，所以是电流反馈；,因输入信号和反馈信号均加在同相输入端上，所以是并联反馈;,因净输入电流 id 等于输入电流和反馈电流之差，所以是负反馈。,并联电流负反馈,运算放大器的输入方式及电路分析,反相输入,同相输入,差动输入,输入信号从反相端接入电路,输入信号从同相端接入电路,同相端和反相端均有输入信号接入,1. 反相输入方式,输入电压从反相端引入,同相端经过R2接地,Rf ：集成运放的开环放大倍数很高,微弱的输入信号也会使放大器进入饱和。在输入与输出之间接入负反馈电阻Rf作闭环应用。,R2：由于输入级采用差动放大电路，为使静态时, ui=0, uo=0, 反向输入端

18、和同相输入端对接地端应有相同的电阻，在同相输入端接入平衡电阻R2,R2=R1 / Rf,uo,R2,1.闭环电压放大倍数,反向端虽未接地，但电位接近0， 称反向输入端为 “虚地”,负号表明输入输出电压反向,电路分析,u=u+= 0 (特征2 )，,i+= i = 0 (特征1)，,所以 i1 if,只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接电阻 Rf 和 R1 有关，而与放大器本身参数无关。运放具有很高的 精度和稳定性。,这种运放电路称为反相比例运算电路。当Rf =R1时, Au = 1,又 称反相器。,电压并联负反馈,输入电阻低， 输出电阻 0,2.闭环输入电阻rif 和 rof,反

19、馈电路直接从输 出端引出电压反馈,输入信号和反馈信号加在 同一输入端并联反馈,反馈信号使净输入 信号减小负反馈,2. 同相输入方式,因 : i+= i-= 0 (特征1) ， 所以 : u+ = ui= u- (特征2),（1）电路组成,（2）电压放大倍数,反相输入端不“虚地”,因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻: R2=R1/RF,输出电压与输入电压同相，放 大倍数取决于外接电阻Rf , R1,输入电阻高 输出电阻 0,电压串联负反馈,输入信号和反馈信号分别 加两个输入端串联反馈,反馈电路直接从输 出端引出电压反馈,反馈信号使净输入 信号减小负反馈,2.闭环输入电阻rif 和 r

20、of,rif= ui / ii = ui / 0 = ,rof 0 （电压负反馈）,若R1开路 (R1= ) ，Rf =R2 =0,输出电压与输入电压大小相同且同相,电压跟随器,由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质 量优越，几乎不向前级电路取电流，而向后级供电流时， 几乎不存在内阻。常用作隔离器,输入电阻高,输出电阻 0,例1：左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压 uo不会随之变化。,负载电流的大小 与负载无关。,例2：负载浮地的电压-电流的转换电路,1. 能测量较小的电压； 2. 输入电阻高，对被 测电路影响小。,流过电流表的

21、电流,3. 差动输入方式,同相端和反相端 同时有输入信号,运用叠加原理：,当ui1单独作用（ ui2=0）,反相输入方式：,当ui2单独作用（ ui1=0）,同相输入方式：,(2)闭环电压放大倍数,（1）电路组成,在该电路中，根据对称性要求： Rf /R1= R3/R2,常用做测量 放大电路,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,输出与两个输入信号的差值成正比。,分析方法2：,因为,已知ud为差模信号，uc为共模信号，R1=R2=R3，问当Rf为何值，输出电压uo不含共模信号？,解：,运用叠加原理,设ud单独作用（uc=0), 为反相输入方式：uod

22、= (Rf /R1 ) ud,设uc单独作用（ud=0),则：uo=uod+uoc,欲使其不含共模成分，则：,(1+Rf /R1) R3/ (R2+R3)=(Rf /R1),又：R1=R2=R3,Rf=R1,uo,举 例,运算放大器的应用,集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与 输入之间可灵活实现各种特定的函数关系：,加法电路 减法电路 积分电路 微分电路 电压比较器,加法运算电路,1. 反相加法运算电路,因虚短, u= u+= 0,平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF,因虚断，i = 0,所以 ii1+ ii2 = if,反相输入方式，有“虚地”存在,当 R1=R2=R3=R,u

23、o,加法运算电路,1. 反相加法运算电路,加法电路的输出电压 与输入电压之和成正 比关系,2. 同相加法运算电路,方法1: 根据叠加原理 ui1单独作用(ui20)时，,同理，ui2单独作用时,方法2：,u+,u+=?,iR1=iR2,1. 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；,同相加法运算电路的特点： 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；,反相加法运算电路的特点：,同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时 u+=u_ 0，可能产生较大的共模输入电压，使放大器 工作于非线性区域，甚至造成损坏。,在

24、设计加法电路时，uo数值必须低于电源电压，否则 运放易趋于饱和而产生误差。,注意:,利用双端输入，可构成减法电路,减法电路,如果取 R1 = R2 ，R3 = RF,如 R1 = R2 = R3 = RF,在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值，避免超过集成运放的最大共模电压。,用电容C代替反馈电阻Rf,输出电压uo正比于输入电压的对时间的积分。 R1C为积分时间常数，R1C越小，积分作用越强,积分电路,uo,由i+ = i-=0， u+ = u-=0得： i1 = if,if =?,信号从反相端输入，存在 “虚地”,例,线性积分时间,积分饱和,uO = UOM,将比例运算和积分运算结合

25、在一起，就组成 比例-积分运算电路。,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。,输出电压uo与输入电压是微分关系。 RfC为微分时间常数，RfC越大，微分作用越强,微分电路,uo,信号从反相端输入，存在 “虚地”,由i+ = i-=0， u+ = u-=0得： i1 = if,例,t=0时：瞬间充电电流i1= Cdui /dt 和uo= RfC (dui /dt)趋于， 但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。 t0

26、时：ui为恒定值 uo 0，RfC越大，衰减越慢,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,if,电压比较器,电压比较器的功能： 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1. 输出只有两种可能 +Um1或Uo

27、 (sat) 当 u+ u 时， uo = +Uo (sat) u+ u 时， uo = Uo (sat) 不存在 “虚短”现象 2. i+= i 0 仍存在“虚断”现象,电压传输特性,运放工作于开环状态,放大倍数高，放大器处于饱和状态,UR为参考电压：,电压比较器可用来判断输入信号的相对大小，用于控制电路或波形变换,uo,电压比较器,不存在 u+= u 现象,例10-5：若输入电压ui=UmSint, 且URUm,画uo波形。,反馈电阻Rf 连接在同相输入端，形成正反馈电路，加速了比较器的翻转过程 ，输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。,当放大器处于正饱和状态: uo=+Um1,URH

28、称为上阈值,门限电压受输 出电压的控制,当放大器处于负饱和状态: uo=-Um2,具有迟滞作用的电压比较器,URL 称为下阈值,上门限电压 URH ： ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压URL： ui 逐渐减小时的门限电压,两次跳变之间具有迟 滞特性滞回比较器,例10-6：若输入电压ui=UmSint, 且URHUim, |URL|Uim|,画uo波形。,ui,END,引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接 耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。 因此抑制漂移，应重点着手于第一级电路，其最有效的 手段是在输入级采用差动放大电路。,典型差动放大电路,RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,两个输入端ui1、ui2经RB1、RB2接至T1T2基极；输出电压uo从两管集电极取出；,RP：调零电阻。由于制造工艺上的问题，T1、T2不能完全 对称，调节RP使放大电路在输入为0时，输出为0。 RE ：稳定静态工作点。 UEE ：补偿RE上的 电压降，扩大 放大器动态工作范围。,电路