第三章集成運算放大器及應用

1、第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用3-1 差動放大電路差動放大電路3-2 集成運算放大器概述集成運算放大器概述3-3 集成運算放大器的基本電路集成運算放大器的基本電路3-4 集成運算放大器的應用電路集成運算放大器的應用電路3-5 集成運放的使用常識集成運放的使用常識第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用1.了解零點漂移的基本概念。2.了解基本差動放大電路的結(jié)構(gòu)及性能特點。3.理解差模信號、共模信號的含義及共模抑制比的含義。4.了解恒流源的基本概念，認識具有恒流源的差動放大電路。3-1 3-1 差動放大電路差動放大電路第三章第三章集成運算放大器及其應用集成

2、運算放大器及其應用一、零點漂移一、零點漂移輸入電壓為零、輸出電壓不輸入電壓為零、輸出電壓不為零的現(xiàn)象，稱為為零的現(xiàn)象，稱為零點漂移零點漂移現(xiàn)象，現(xiàn)象，簡稱簡稱零漂。零漂。零點漂移現(xiàn)象：零點漂移現(xiàn)象： 在阻容耦合和變壓器耦在阻容耦合和變壓器耦合放大電路中，也存在合放大電路中，也存在零點漂移，但這種緩慢零點漂移，但這種緩慢的漂移信號不會傳遞到的漂移信號不會傳遞到下一級被進一步放大。下一級被進一步放大。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：如溫度的變化，電源電壓波動以及電路元件參數(shù)的變化等。如溫度的變化，電源電壓波動以及電路元件參數(shù)的變化等。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用缺點缺點: :

3、 由于零點漂移的存在，使得輸出端既有被放大的真信號，又有零點漂移產(chǎn)生的漂移信號，當漂移信號可以與輸出端的有用信號相比時，有用信號將被淹沒，失去分辨能力。 對于一個多級直接耦合的放大電路，級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，零點漂越嚴重，會造成后級放大電路無法正常工作。解決的辦法：解決的辦法：采用差動放大電路采用差動放大電路 抑制零點漂移是直接耦合放大器的突出問題。抑制零點漂移是直接耦合放大器的突出問題。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用二、基本差動放大電路二、基本差動放大電路 特點特點：a. 兩個輸入端，兩個輸出端b. 元件參數(shù)對稱c. ui1 = ui2 時， uo = 0能有效地

4、克服零點漂移ui2ui+-+-ui1+uo-1. 電路組成RR+VCCRE-VEE基本差動放大電路第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用uo = UC1 UC2 = 02. 工作原理工作原理2IE+IC1UC1UC2uoIC2IB1IB2+-IB1=IB2IC1=IC2UC1=UC2ui1=ui2=0ui=0直流通路直流通路IE1IE2IE1=IE2（1）靜態(tài)）靜態(tài)第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用（2）動態(tài)分析）動態(tài)分析1） 差模輸入差模輸入差模輸入差模輸入ui1 = ui2差模輸入電壓差模輸入電壓uid = ui1 ui2= 2ui1 使得：使得：i

5、c1 = ic2uo1 = uo2差模輸出電壓差模輸出電壓uod = uc1 uc2= uo1 （ uo2）idodduuA 差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)大小相同大小相同 極性相反極性相反ib1 = ib2=Ad1ie1 = ie2ie = 0=2uo1ib1+uodui2ui+-ib2+-ui1ic2ic1uo1uo2差模輸入放大電路差模輸入放大電路ie1ie2ie=0+第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用2） 共模輸入共模輸入共模輸入共模輸入ui1 = ui2共模輸出電壓共模輸出電壓uic = ui1 = ui2使得使得:ie1 = ie2 ie1 ie2ue =

6、2ie1RE共模輸入電壓共模輸入電壓uoc = uc1 uc2=00icoccuuA共模抑制比共模抑制比cdAACMRR 大小相同大小相同極性相同極性相同共模信號交流通路共模信號交流通路ui1uodui2uC1uC2共模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)3）共模抑制比）共模抑制比+VCCV1V2-VEERCRCRE衡量差動放大器的質(zhì)量，即差模放大能力和共模抑制能力衡量差動放大器的質(zhì)量，即差模放大能力和共模抑制能力第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用三、三、 具有電流源的差動放大電路具有電流源的差動放大電路增大共模放大倍數(shù)的思路：增大共模放大倍數(shù)的思路：增大增大RE用恒流源代替用恒流源代替

7、RE特點：特點：直流電阻為有限值直流電阻為有限值動態(tài)電阻很大動態(tài)電阻很大（1） 三極管電流源三極管電流源簡化畫法簡化畫法+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RCVEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI0電流源代替電流源代替差動電路中差動電路中的的RE（2）具有恒流源的）具有恒流源的差動放大電路差動放大電路第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用在阻容耦合和變壓器耦合放大電路中，也存在零點漂移，但這種緩慢的漂移信號不會傳遞到下一級。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用1.了解集成運算放

8、大器的結(jié)構(gòu)、電路符號。2.理解集成運放的同相和反相輸入端的含義。3.了解集成運放的外形及分類。4.掌握集成運放的主要參數(shù)。3-2 集成運算放大器概述集成運算放大器概述第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用一、集成運算放大電路組成一、集成運算放大電路組成輸入級中間級輸出級偏置電路組成框圖組成框圖 為負載提供一定幅度的信號電壓和信號電流。一般采用輸出電阻很低的射極輸出器或由射極輸出器組成的互補對稱功放電路。 使集成運放具有較強的放大能力，通常由多級共射極放大器構(gòu)成。 通常是具有較高輸入電阻和較高放大倍數(shù)的差動放大器，利用它可以使集成運放獲得盡可能高的共模抑制比。 為各級提供所需的

9、穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用電路符號電路符號實際上集成運放的引出端不止三個，但分析集成運放時，習慣上只畫出圖示中的三個端，其他接線端各有各的功能，但因?qū)Ψ治鰶]有影響，故略去不畫。反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用實際上集成運放的引出端不止三個，但分析集成運放時，習慣上只畫出圖示中的三個端，其他接線端各有各的功能，但因?qū)Ψ治鰶]有影響，故略去不畫。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用二、集成運放的封裝和分類二、集成運放的封裝和分類1. 封裝 集成運放封裝有塑

10、料雙列直插式、陶瓷扁平、金屬圓殼封裝等多種。2. 分類通用型 ：專用型 ： 低功耗型、高精度型、高速型、寬帶型、高阻型、高壓型、低漂移型、低噪聲型、大功率型等。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用三、集成運放的主要參數(shù)三、集成運放的主要參數(shù) 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Auo 輸入失調(diào)電壓Uio 輸入失調(diào)電流Iio 輸入偏置電流IiB 最大差模輸入電壓Uidm 最大共模輸入電壓Uicm 差模輸入電阻 rid 開環(huán)輸出電阻ro 共模抑制比CMRR第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)簡稱“開環(huán)增益”，開環(huán)狀態(tài)下，輸出電壓Uo與輸入差模電壓（U

11、i1-Ui2）之比，即Auo=Uo/（Ui1-Ui2）。Auo越大，器件的性能越穩(wěn)定，其運算精度也就越高。 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Auo第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 輸入電壓為零時，為使輸出電壓為零，在輸入端附加一個的補償電壓，該電壓稱為輸入失調(diào)電壓（Uio）。高質(zhì)量產(chǎn)品Uio一般在1mV以下。 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓U Uioio第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 在輸入信號為零時，兩輸入端靜態(tài)基極電流之差，即Iio=IiB1-IiB2。一般在0.010.1mA范圍內(nèi)，此值越小越好。 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流I Ii i

12、o o第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 輸入偏置電流輸入偏置電流I IiBiB 當輸入信號為零時，兩輸入端所需的靜態(tài)基極電流的平均值，即IiB=（IiB1+IiB2）/2。一般情況在1mA以下。IiB越小零漂越小。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓U Uidmidm 正常工作時，在兩個輸入端之間允許加載的最大差模電壓值，使用時差模輸入電壓不能超過此值。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓U Uicmicm 兩輸入端之間所能承受的最大共模電壓。如果共模輸入電壓超過

13、此值，集成運放的共模抑制性能明顯下降，甚至造成器件的損壞。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 兩輸入端加入差模信號時的交流輸入電阻。此值越大，集成運放向信號源索取的電流越小，運算精度越高。 差模輸入電阻差模輸入電阻 r ridid第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻r ro o開環(huán)時的動態(tài)輸出電阻。ro越小帶載能力越強。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用 共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR綜合衡量運放的放大能力和抑制共模的能力。CMRR越大越好。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用3

14、-3 集成運算放大器的基本電路集成運算放大器的基本電路1.了解理想集成運放的基本概念。2.了解集成運放線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)的特性及工作特點。3.理解集成運放“虛短”“虛斷”的概念。4.了解運放電路直流平衡電阻的配置。5.掌握反相比例運算放大電路、同相比例運算放大電路的組成和電路參數(shù)的計算。6.掌握“虛地”的概念。7.掌握反相器和電壓跟隨器的組成和特點。8.會判斷集成運放電路的反饋類型。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用一、集成運放的理想化一、集成運放的理想化1.理想集成運放的基本概念（2）差模輸入電阻rid（3）開環(huán)輸出電阻ro0（4）共模抑制比CRMM （5）沒有失

15、調(diào)現(xiàn)象，即當輸入信號為零時，輸出信號也為零理想集成運放的符號（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用2.理想集成運放的電壓傳輸特性理想集成運放的電壓傳輸特性0-Uom+Uomuoui電壓傳輸特性電壓傳輸特性線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+Uom-Uomuo與與ui是線性關系，即是線性關系，即)(PNuoiuoouuAuAu為有限值ou0PNuuPNuu即集成運放的輸出電壓與輸入電壓之間的關系曲線，稱為電壓傳輸特性。集成運放的輸出電壓與輸入電壓之間的關系曲線，稱為電壓傳輸特性。“虛短虛短”idr0PNii“虛斷虛斷”uo只有兩種可能，即只有兩種可能，即+U

16、om和和-Uom“虛短虛短”不成立不成立“虛斷虛斷”仍成立仍成立集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性 第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用二、集成運算放大器的兩種基本電路二、集成運算放大器的兩種基本電路f 1 ii PN0 uu“虛地虛地”1fioufRRuuAR2 = R1 / R f平衡電阻：平衡電阻：1. 反相比例運算放大電路反相比例運算放大電路RuuRuufoN1Ni反相比例運算放大電路反相比例運算放大電路“虛短虛短”“虛斷虛斷”1ifi反相比例運算電路反相比例運算電路第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用“虛地”是反相輸入集成運放電路的一

17、個重要特點，是集成運放線性應用“虛短”概念的具體表現(xiàn)。凡是信號從反相輸入端輸入的，在線性應用時都可以用“虛地”進行分析。特點：特點：1. .為深度為深度電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋， Auf = Rf / R 12. 反相輸入信號時，反相輸入信號時，uP = uN N= 0“虛地虛地”第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用當當 R1 = Rf 時，時，Auf = -1反相器反相器特殊地：特殊地：反相器反相器第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用2. 同相比例運算放大電路同相比例運算放大電路 iPN uuuf 1 ii fio1iRuuRui1fo)1 (uR

18、Ru1fuf1RRA“虛短虛短”“虛斷虛斷”R2 = R1 / R f平衡電阻：平衡電阻：同相比例運算放大電路同相比例運算放大電路fi1i同相比例運算電路同相比例運算電路第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用當當 R1 = ，Rf = 0 時，時，Auf = 1跟隨器跟隨器特殊地：特殊地：同相器 特點：特點：1. 為深度為深度電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋，Auf = 1 + Rf /R12. uP = uN N ，“虛短虛短”仍成立，但仍成立，但 “虛地虛地”不成立不成立第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用同相輸入集成運放不存在“虛地”。凡是信號從同相輸入

19、端輸入的，在線性應用時，都可利用兩輸入端電位相等進行分析。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用3-4 集成運算放大器的應用電路集成運算放大器的應用電路1.掌握反相輸入加法運算電路的組成和電路參數(shù)的計算。2.掌握減法運算電路的組成及分析方法。3.掌握單門限電壓比較器和雙門限電壓比較器的組成和電路參數(shù)的計算。4.了解電壓比較器的傳輸特性，特別是雙門限電壓比較器的傳輸特性。5.了解RC橋式振蕩電路的特點和工作原理。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用線性應用：線性應用：電路引入了電路引入了負反饋，負反饋，非線性應用：非線性應用：電路電路開環(huán)開環(huán)或引入了或引入了

20、正反饋，正反饋，集成運放工作在集成運放工作在線性區(qū)。線性區(qū)。集成運放工作在集成運放工作在非線性區(qū)。非線性區(qū)。（1）判斷集成運放的工作區(qū)域。判斷集成運放的工作區(qū)域。（2）根據(jù)理想運放不同工作區(qū)的相應特點，進一步對電路進行根據(jù)理想運放不同工作區(qū)的相應特點，進一步對電路進行分析。分析。分析集成運放應用電路的基本步驟是：分析集成運放應用電路的基本步驟是：第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用一、一、信號運算電路信號運算電路1. 加法運算電路加法運算電路if i1 + i22i21i1foRuRuRu)(2i21i1foRuRuRu若若 Rf = R1= R2 uo = （ui1+ u

21、i2）平衡電阻：平衡電阻：加法運算電路加法運算電路則則fRRRR/21加法運算電路加法運算電路第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用利用疊加原理利用疊加原理ui2 = 0 ui1 使：使：i11fo1uRRu2. 減法運算電路減法運算電路減法運算電路減法運算電路 uRRRRRu2i3231f2o1）（反相比例運算放大電路反相比例運算放大電路ui2 使：使：ui1 = 0 同相比例運算放大電路同相比例運算放大電路組合組合和和R1/Rf=R2/R3 平衡電阻：平衡電阻：uRRuRRRRRuuu1i1f2i3231fo2o1o)(1(則：則：減法運算電路減法運算電路第三章第三章集成

22、運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用當R1=R2， Rf=R3時，上式簡化為)(1 i2i1fouuRRu如果取Rf=R1，則uo=ui2-ui1減法運算實際是差分電路輸出電壓等于各個輸入電壓之差，實現(xiàn)減法運算。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用二、電壓比較器二、電壓比較器集成運放工作在非線性區(qū)時，電路開環(huán)或引入了正反饋。uPuN時，uo=+Uom （高電平）uPUR時，uo=-UomuiUR時，uo=+Uom門限電壓為UR因輸入電壓只跟一個參考電壓UR進行比較，故此電路稱為“單門限電壓比較器”。若UR0 過零電壓比較器單門限電壓比較器電路開環(huán)，集成運放工作在非線性區(qū)

23、。單門限電源比較器第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用單門限電壓比較器的傳輸特性曲線uiuo0UR-Uom+Uom第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用單門限電壓比較器的特點：電路結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，但是抗干擾能力差 單門限電壓比較器可實現(xiàn)波形的變換0tui單門限電壓比較器把正弦波變?yōu)榫匦尾ǖ谌碌谌录蛇\算放大器及其應用集成運算放大器及其應用2. 雙門限電壓比較器輸出電壓uo經(jīng)Rf和R1分壓加到同相輸入端，為電路引入了正反饋當uo=+Uom時，門限電壓用UP1表示URRRURRRUom1f1R1ff1P當輸入電壓上升到ui=UP1時，輸出電壓uo發(fā)生跳

24、變，由+Uom跳變?yōu)?Uom，URRRURRRUom1f1R1ff2P集成運放工作在非線性區(qū)。門限電壓隨之變?yōu)椋弘p門限電壓比較器當輸入電壓減小，直至ui=UP2時，輸出電壓再度跳變，由-Uom跳變?yōu)?Uom。第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用兩個門限電壓之差稱為回差電壓，用UP表示。URRRUUUom1f12P1PP2雙門限電壓比較器的傳輸特性曲線回差電壓與參考電壓無關 uiuo0UP1UP2+Uom-Uom第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用雙門限電壓比較器的抗干擾作用雙門限電壓比較器的抗干擾作用 當輸入電壓當輸入電壓ui因受干擾或含因受干擾或含有噪

25、音信號時，只要變化幅度不有噪音信號時，只要變化幅度不超過回差電壓，輸出電壓就不會超過回差電壓，輸出電壓就不會在此期間發(fā)生頻繁地跳變，而仍在此期間發(fā)生頻繁地跳變，而仍保持為比較穩(wěn)定的輸出電壓波形。保持為比較穩(wěn)定的輸出電壓波形。 第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用三、三、RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路 R3和R4構(gòu)成負反饋支路；R1C1和R2C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡，構(gòu)成正反饋支路。 由于R3和R4組成的負反饋支路沒有選頻作用，故只有依靠R1C1和R2C2組成的串并聯(lián)網(wǎng)絡可用來實現(xiàn)正反饋和選頻，才能使電路產(chǎn)生振蕩。1. RC橋式振蕩電路的組成第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用2. RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性第三章第三章集成運算放大器及其應用集成運算放大器及其應用3. 振蕩電路及振蕩頻率 該電路的振蕩頻率為： 改變選頻網(wǎng)絡的R和C值可以實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。通常電阻和電容采用雙連電