電子技術(shù)基礎(chǔ)課程課件-單元三集成運算放大器應(yīng)用

模塊一

差動放大電路模塊二

集成運算放大器概述模塊三

集成運算放大器的基本電路模塊四

集成運算放大器的應(yīng)用電路模塊五

集成運放的使用常識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(rèn)識具有恒流源的差動放大電路。模塊一

差動放大電路一、零點漂移輸入電壓為零、輸出電壓不為零的現(xiàn)象，稱為零點漂移現(xiàn)象，簡稱零漂。零點漂移現(xiàn)象：

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被進(jìn)一步放大。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。缺點: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(dāng)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(yán)重，會造成后級放大電路無法正常工作。解決的辦法：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。二、基本差動放大電路特點：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uo=UC1–UC2=02.工作原理2IE+IC1UC1UC2uoIC2IB1IB2++-IB1=IB2IC1=IC2UC1=UC2ui1=ui2=0ui=0直流通路IE1IE2IE1=IE2（1）靜態(tài)（2）動態(tài)分析1）差模輸入差模輸入ui1=–

ui2差模輸入電壓uid=ui1

–

ui2=2ui1

使得：ic1=–

ic2uo1=–

uo2差模輸出電壓uod

=uc1–uc2=uo1–

（–

uo2）差模電壓放大倍數(shù)大小相同極性相反ib1=–

ib2=Ad1ie1=–

ie2ie

=0=2uo1ib1+uodui2ui+-ib2++---ui1ic2ic1uo1uo2差模輸入放大電路ie1ie2ie=0++2）共模輸入共模輸入ui1=ui2共模輸出電壓uic=ui1=ui2使得:ie1=ie2ie1ie2ue

=2ie1RE共模輸入電壓uoc=uc1–uc2=0共模抑制比大小相同極性相同共模信號交流通路ui1uodui2uC1uC2共模放大倍數(shù)3）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三、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RE用恒流源代替RE特點：直流電阻為有限值動態(tài)電阻很大（1）三極管電流源簡化畫法+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RCVEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI0電流源代替差動電路中的RE（2）具有恒流源的差動放大電路

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。1.了解集成運算放大器的結(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)。模塊二

集成運算放大器概述一、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為負(fù)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(bǔ)對稱功放電路。

使集成運放具有較強(qiáng)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。

為各級提供所需的穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。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(xí)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。反相輸入端同相輸入端輸出端實際上集成運放的引出端不止三個，但分析集成運放時，習(xí)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。二、集成運放的封裝和分類1.封裝

集成運放封裝有塑料雙列直插式、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。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

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（Ui1-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)Auo

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(bǔ)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Uio

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0.01～0.1mA范圍內(nèi)，此值越小越好。

輸入失調(diào)電流Iio

輸入偏置電流IiB

當(dāng)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。

最大差模輸入電壓Uidm

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。

最大共模輸入電壓Uicm

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。

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rid

開環(huán)輸出電阻ro開環(huán)時的動態(tài)輸出電阻。ro越小帶載能力越強(qiáng)。

共模抑制比CMRR綜合衡量運放的放大能力和抑制共模的能力。CMRR越大越好。模塊三

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。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ro→0（4）共模抑制比CRMM→∞（5）沒有失調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)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→∞2.理想集成運放的電壓傳輸特性0-Uom+Uomuoui電壓傳輸特性線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+Uom-Uomuo與ui是線性關(guān)系，即集成運放的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線，稱為電壓傳輸特性。“虛短”“虛斷”uo只有兩種可能，即+Uom和-Uom“虛短”不成立“虛斷”仍成立集成運放的電壓傳輸特性二、集成運算放大器的兩種基本電路“虛地”R2=R1//Rf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“虛短”“虛斷”反相比例運算電路

“虛地”是反相輸入集成運放電路的一個重要特點，是集成運放線性應(yīng)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(yīng)用時都可以用“虛地”進(jìn)行分析。特點：1.為深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋，Auf=Rf/R12.反相輸入信號時，uP

=uN=0“虛地”當(dāng)R1=Rf時，Auf=-1反相器特殊地：反相器2.同相比例運算放大電路“虛短”“虛斷”R2=R1//Rf平衡電阻：

同相比例運算放大電路同相比例運算電路當(dāng)R1=，Rf=0時，Auf=1跟隨器特殊地：同相器

特點：1.為深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，Auf=1+Rf/R12.uP=uN，“虛短”仍成立，但“虛地”不成立

同相輸入集成運放不存在“虛地”。凡是信號從同相輸入端輸入的，在線性應(yīng)用時，都可利用兩輸入端電位相等進(jìn)行分析。模塊四

集成運算放大器的應(yīng)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。線性應(yīng)用：電路引入了負(fù)反饋，非線性應(yīng)用：電路開環(huán)或引入了正反饋，集成運放工作在線性區(qū)。集成運放工作在非線性區(qū)。（1）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(yīng)特點，進(jìn)一步對電路進(jìn)行分析。分析集成運放應(yīng)用電路的基本步驟是：一、信號運算電路1.加法運算電路if

i1+i2若

Rf=R1=R2

uo=（ui1+ui2）平衡電阻：

加法運算電路則加法運算電路利用疊加原理ui2=0ui1使：2.減法運算電路減法運算電路反相比例運算放大電路ui2使：ui1=0同相比例運算放大電路組合和R1//Rf=R2//R3

平衡電阻：則：減法運算電路當(dāng)R1=R2，

Rf=R3時，上式簡化為如果取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。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。uP>uN時，uo=+Uom（高電平）uP<uN時，uo=-Uom（低電平）1.單門限電壓比較器ui>UR時，uo=-Uomui<UR時，uo=+Uom門限電壓為UR因輸入電壓只跟一個參考電壓UR進(jìn)行比較，故此電路稱為“單門限電壓比較器”。若UR＝0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)。單門限電源比較器單門限電壓比較器的傳輸特性曲線uiuo0UR-Uom+Uom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?.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(dāng)uo=+Uom時，門限電壓用UP1表示當(dāng)輸入電壓上升到ui=UP1時，輸出電壓uo發(fā)生跳變，由+Uom跳變?yōu)?Uom，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(dāng)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。兩個門限電壓之差稱為回差電壓，用ΔUP表示。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(guān)uiuo0UP1UP2+Uom-Uom雙門限電壓比較器的抗干擾作用

當(dāng)輸入電壓ui因受干擾或含有噪音信號時，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。三、RC橋式振蕩電路R3和R4構(gòu)成負(fù)反饋支路；R1C1和R2C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成正反饋支路。由于R3和R4組成的負(fù)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(luò)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2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3.