第五章 集成运放.ppt

1、第5章 集成运算放大电路,5.1 集成运算放大器简介 5.2 集成运算放大器的线性应用 5.3 集成运算放大器的非线性应用 5.4 集成运算放大器应用实例 5.5 使用集成运算放大器应注意的问题,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；, ,5.1 集成运算放大器简介,一 集成运算放大器芯片,1 概念,圆壳式 双列直插式 扁平式 单列直插式 菱形式,集成电路的封装形式,封装形式是指安装半导体集成电路芯

2、片用的外壳。,1. 电路元件制作在一个芯片上，元器件精度低，但具有良好的一致性和同向偏差，有利于实现需要对称结构的电路。采用直接耦合，差分放大电路。,2. 在集成电路中，制造三极管（NPN）比制造大电阻和二极管方便。大电阻用恒流源代替或外接；二极管一般用三极管的发射结构成。,3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4. 电感不能集成，如需电感，也只能外接。,集成电路结构特点,集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。,2. 集成运放的原理电路,集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图所示。,输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对

3、共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。,偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。,第4级：互补对称射极跟随器,第3级：单管放大器,+,极 性 判 断,集成运放内部结构（举例）,Ri 大: 几十k 几百 k,运放的特点：,KCMR 很大,Ro 小：几十 几百,Aod 很大: 104 107,运放符号：,差模开环放大倍数,3. 集

4、成运算放大器芯片简介,（1）外形与符号,运算放大器外形图,(a) (b) (a) 国家标准符号 (b)原符号,（2）LM324简介,LM324是TTL电路的一个典型产品，属于通用型集成运放。具有较宽的电压范围，既可采用双电源供电，也可采用单电源供电。,1. 开环差模电压放大倍数Aod,开环状态、输出不接负载时的差模放大倍数。 一般在105 108.5 （100170dB）之间。 理想运放Aod为。,2. 共模抑制比KCMR,其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,3. 差模输入电阻Rid,4. 输出电阻Ro,Ro =几十-几百。,二 集成运放的主要参数,双极型管Ri1M ，场效应管可

5、达100M以上。,KCMR=20lg(Aod / Aoc ) (dB),5. 输入失调电压UIO及其温漂 dUIO/dT,UIO是使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压,uI =0时，输出电压折合到输入端电压的负值： UIO = - uo / Aod,dUIO/dT是UIO温度系数，是衡量运放温漂的重要参数，其值愈小，温漂愈小.,UIO愈小愈好，一般为（110）mV。,表征运放内部电路对称性的指标。,NEXT,六、输入失调电流IIO及其温漂 dIIO/dT,IIO=|IBP-IBN|： 反映输入级差放管输入电流的不对称程度。,一般为 1nA 0.1A,七、输入偏置电流 IIB,集成运放输入电压

6、为0时，两输入端静态电流的平均值,一般为10nA1A,含义：IIB小输入阻抗高，零漂小,八、最大共模输入电压UIcmax,输入级正常工作允许的最大共模输入电压。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和， KCMR显著下降，放大器失去共模抑制能力 。,九、最大差模输入电压UIdmax,指运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值。超过后，可能会使输入级的管子反向击穿。,三 理想运放及其重要结论,线性放大区,A,B,ui在AB之间，工作在线性工作区；,ui在AB之外，工作在非线性工作区。,1 电压传输特性及工作模式,4）输入失调电压和输入失调电流为零。,2 集成运放理想化的条件,1）开环电压放大倍

7、数Kd；,2）输入阻抗ri；,3）输出阻抗ro0；,3 理想运放的两个重要结论,（1）虚 短,因为Ad，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”(imaginary ground)。,因为ri，所以Ii=（u+-u-)/ri=0,（2）虚 断,即从输入端流入或流出的电流为零，好像输入端与运放器件断开一样，但实际上不是断开，所以称虚断。,5.2 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=R

8、1/RF，以保证运放输入端的对称。,1. 反相输入比例运算电路,一 三种基本运算电路,因Ii=0，故i1if，因此,又因u+u-=0，因此,KF为反相放大器的闭环电压放大倍数，它只与外接电阻R1、RF有关，而与集成运放本身参数无关。只要电阻值足够精确，则输出电压uo与输入电压ui可得到高精度的比例关系，负号表示uo与ui相位相反，所以称反相放大器。,（1）输出电压与输入电压成比例关系，比例系数为RF/R1 ,当RF=R1时，uo=-ui，构成反相器。,结论：,（2）比例系数的大小仅与运放外电路参数RF与R1的取值有关。,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

9、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。,2. 同相输入比例运算电路,因Ii=0，故i1if，因此,又因ui=u+u-，因此,uo与ui之间的比例关系也与运放本身的参数无关，电路精度和稳定度都很高。KF为正表示uo与ui同相，并且KF总是大于或等于1，这一点与反相放大器不同。,当RF=0时KF=1，电路就变成电压跟随器。,解：放大电路由A1、A2串行连接而成，其中A1是跟随器，因此Uo1=Ui=2V 它又是A2的输入信号电压，A2是反相放大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V,例,右图是基本的差分放大器，信号电压同时从双端输入， 根据理想运放条件，得,3. 差动输入

10、比例运算电路,当R1=R2，R3=RF时，,R1=R2=R3=RF，则uo=ui1-ui2。,二、算数求和运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,1、反相求和运算电路,特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系。,当 R11 = R12 = R 时，,2、同相求和运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：,u+ 与 ui1 和 ui2 的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,提示： 1. 虚开路：流入同相端的电流为0。 2. 节点电位法求u+。,本章小结,1运算放大器都使用差动放大器作为输入级。 2电流源电路是构