第三章　集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

§3-1差動(dòng)放大電路§3-2集成運(yùn)算放大器概述§3-3集成運(yùn)算放大器的基本電路§3-4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路§3-5集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)1.?了解零點(diǎn)漂移的基本概念。2.?了解基本差動(dòng)放大電路的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)。3.?理解差模信號(hào)、共模信號(hào)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(shí)具有恒流源的差動(dòng)放大電路。學(xué)習(xí)目標(biāo)§3-1差動(dòng)放大電路工程上常需放大直流信號(hào)和緩慢變化的信號(hào)，例如，為測(cè)量爐子的溫度，先用傳感器將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于溫度的變化比較緩慢，轉(zhuǎn)換成的相應(yīng)電信號(hào)也是一個(gè)緩慢變化的信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)十分微弱，必須經(jīng)多級(jí)放大，才能驅(qū)動(dòng)測(cè)量?jī)x器、儀表記錄數(shù)據(jù)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。這類信號(hào)是頻率趨近于零的電信號(hào)，不能使用阻容耦合或變壓器耦合，必須采用直接耦合方式。一、零點(diǎn)漂移放大直流信號(hào)和緩慢變化的信號(hào)必須采用直接耦合方式，但簡(jiǎn)單的直接耦合放大器，常會(huì)發(fā)生輸入信號(hào)為零輸出信號(hào)不為零的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因很多，如溫度的變化、電源電壓的波動(dòng)、電路元件參數(shù)的變化等，都會(huì)使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生緩慢變化，該變化量被逐級(jí)放大，便會(huì)使放大器輸出端出現(xiàn)不規(guī)則的輸出量，這種現(xiàn)象稱為“零點(diǎn)漂移”，簡(jiǎn)稱“零漂”。二、基本差動(dòng)放大電路1.?電路組成?基本差動(dòng)放大電路如圖所示?；静顒?dòng)放大電路2.?工作原理（1）靜態(tài)分析（2）動(dòng)態(tài)分析1）共模信號(hào)與差模信號(hào)2）對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用3）對(duì)差模信號(hào)的放大作用3.?共模抑制比（KCMR）一個(gè)性能良好的差動(dòng)放大電路，對(duì)差模信號(hào)應(yīng)有很高的放大倍數(shù)，對(duì)共模信號(hào)應(yīng)有足夠的抑制能力。三、具有恒流源的差動(dòng)放大電路具有恒流源的差動(dòng)放大電路1.?了解集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)。2.?理解集成運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端的含義。3.?了解集成運(yùn)算放大器的外形及分類。4.?掌握集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)。學(xué)習(xí)目標(biāo)§3-2集成運(yùn)算放大器概述一、集成運(yùn)算放大器的組成及電路符號(hào)1.?組成框圖集成運(yùn)算放大器的組成框圖如圖所示，通常包括輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路。集成運(yùn)算放大器的組成框圖（1）輸入級(jí)通常是具有較大輸入電阻和一定放大倍數(shù)的差動(dòng)放大電路，利用它可以使集成運(yùn)算放大器獲得盡可能高的共模抑制比。（2）中間級(jí)中間級(jí)的作用是使集成運(yùn)算放大器具有較強(qiáng)的放大能力，通常由多級(jí)共射極放大器構(gòu)成。（3）輸出級(jí)輸出級(jí)的作用是為負(fù)載提供一定幅度的信號(hào)電壓和信號(hào)電流，并具有一定的保護(hù)功能。輸出級(jí)一般采用輸出電阻很小的射極輸出器或由射極輸出器組成的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路。（4）偏置電路偏置電路的作用是為各級(jí)提供所需的穩(wěn)定靜態(tài)工作電流。2.?電路符號(hào)集成運(yùn)算放大器對(duì)外是一個(gè)整體，它的電路符號(hào)如圖所示。集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)二、集成運(yùn)算放大器的封裝和分類1.?封裝集成運(yùn)算放大器的封裝形式有塑料雙列直插式、陶瓷扁平式、金屬圓殼式等多種。圖所示為部分集成運(yùn)算放大器的外形。部分集成運(yùn)算放大器的外形a）塑料雙列直插式b）陶瓷扁平式c）金屬圓殼式2.?分類集成運(yùn)算放大器按電路特性分類可分為通用型和專用型等。所謂通用型，是指這種集成運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)基本上兼顧了各方面的使用要求，沒(méi)有特別的參數(shù)要求，基本上能滿足一般應(yīng)用的需要。專用型又稱為高性能型，它有一項(xiàng)或幾項(xiàng)特殊要求，可在特定場(chǎng)合或特定要求下使用。專用型集成運(yùn)算放大器按某項(xiàng)特性參數(shù)進(jìn)行分類，有低功耗型、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(yùn)算放大器的主要參數(shù)為了表征集成運(yùn)算放大器的性能，生產(chǎn)廠家制定了很多參數(shù)，作為合理選擇和正確使用集成運(yùn)算放大器的依據(jù)。下面介紹幾項(xiàng)主要的參數(shù)，見(jiàn)表。集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.?了解理想集成運(yùn)算放大器的基本概念。2.?了解集成運(yùn)算放大器線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)的特性及工作特點(diǎn)。3.?理解集成運(yùn)算放大器“虛短”“虛斷”的概念。4.?了解集成運(yùn)算放大器電路直流平衡電阻的配置。學(xué)習(xí)目標(biāo)§3-3集成運(yùn)算放大器的基本電路5.?掌握反相比例運(yùn)算放大電路、同相比例運(yùn)算放大電路的組成和電路參數(shù)的計(jì)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(diǎn)。8.?會(huì)判斷集成運(yùn)算放大器電路的反饋類型。學(xué)習(xí)目標(biāo)§3-3集成運(yùn)算放大器的基本電路一、集成運(yùn)算放大器的理想化1.?理想集成運(yùn)算放大器的基本概念在實(shí)際分析過(guò)程中常常把集成運(yùn)算放大器理想化，采用理想集成運(yùn)算放大器進(jìn)行分析，不但簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，而且分析的結(jié)果與實(shí)際情況相差很小。集成運(yùn)算放大器的理想化條件是：（1）開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo→∞。（2）差模輸入電阻rid→∞。（3）開(kāi)環(huán)輸出電阻ro→0。（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）沒(méi)有失調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)也為零。理想集成運(yùn)算放大器的符號(hào)如圖所示。其中“∞”表示開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大。理想集成運(yùn)算放大器符號(hào)集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性2.??理想集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性理想集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性電壓傳輸特性分為線性區(qū)（虛線框內(nèi)）和非線性區(qū)（虛線框外），各區(qū)域的傳輸特性及特點(diǎn)見(jiàn)表。二、集成運(yùn)算放大器的兩種基本電路1.?反相比例運(yùn)算放大電路2.?同相比例運(yùn)算放大電路反相比例運(yùn)算放大電路同相比例運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路中四種負(fù)反饋組態(tài)的比較集成運(yùn)算放大電路中四種負(fù)反饋組態(tài)的比較1.?掌握反相加法運(yùn)算電路的組成及分析方法。2.?掌握減法運(yùn)算電路的組成及分析方法。3.?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。4.?掌握單門限電壓比較器和雙門限電壓比較器的組成及分析方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)§3-4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路集成運(yùn)算放大器工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)時(shí)，它的輸出、輸入呈線性關(guān)系（即比例關(guān)系），集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，這時(shí)構(gòu)成的電路稱為線性應(yīng)用電路。前面介紹的反相比例運(yùn)算放大電路和同相比例運(yùn)算放大電路及下面將要介紹的信號(hào)運(yùn)算電路都是屬于線性應(yīng)用電路。集成運(yùn)算放大器工作在開(kāi)環(huán)（無(wú)反饋）或正反饋狀態(tài)時(shí)，輸出、輸入之間對(duì)應(yīng)關(guān)系不成比例，集成運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)，這時(shí)構(gòu)成的電路稱為非線性應(yīng)用電路。電壓比較器屬于非線性應(yīng)用電路。分析集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路的基本步驟是：（1）判斷集成運(yùn)算放大器的工作區(qū)域。若集成運(yùn)算放大器引入負(fù)反饋，則集成運(yùn)算放大器工作于線性區(qū)；若集成運(yùn)算放大器是開(kāi)環(huán)或引入正反饋，則集成運(yùn)算放大器工作于非線性區(qū)。（2）根據(jù)理想集成運(yùn)算放大器不同工作區(qū)的相應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)電路進(jìn)行分析。一、信號(hào)運(yùn)算電路1.?加法運(yùn)算電路在反相放大器的基礎(chǔ)上，若使幾個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)加在集成運(yùn)算放大器的同一個(gè)輸入端口上，則稱為反相加法運(yùn)算電路；在同相放大器的基礎(chǔ)上，加在同相輸入端時(shí)，則稱為同相加法運(yùn)算電路。圖所示為反相加法運(yùn)算電路。為滿足電路平衡要求，平衡電阻R′=R1∥R2∥R3∥Rf。反相加法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路2.?減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路是指輸出電壓與多個(gè)輸入電壓的差值成比例的電路，如圖所示。二、電壓比較器當(dāng)集成運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋時(shí)，集成運(yùn)算放大器工作于非線性區(qū)域。1.?單門限電壓比較器單門限電壓比較器有反相輸入和同相輸入兩種形式，圖a所示為反相輸入形式。單門限電壓比較器a）原理電路b）門限電壓為UR的傳輸特性c）過(guò)零電壓比較器的傳輸特性利用單門限電壓比較器實(shí)現(xiàn)波形變換a）單門限電壓比較器b）波形變換利用單門限電壓比較器可實(shí)現(xiàn)波形的變換。例如，當(dāng)單門限電壓比較器輸入正弦波時(shí)，相應(yīng)的輸出波形便是矩形波，如圖所示。雙門限電壓比較器a）原理圖b）傳輸特性曲線2.?雙門限電壓比較器雙門限電壓比較器又稱為“遲滯比較器”，也稱“施密特觸發(fā)器”。它是一個(gè)含有正反饋的比較器，其原理圖和傳輸特性曲線如圖所示。1.?能合理選擇集成運(yùn)算放大器。2.?會(huì)對(duì)集成運(yùn)算放大器進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。3.?了解集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)。4.?了解集成運(yùn)算放大器的保護(hù)電路。學(xué)習(xí)目標(biāo)§3-5集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)一、合理選擇集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。集成運(yùn)算放大器種類和型號(hào)繁多，依據(jù)其性能參數(shù)的不同分為通用型和專用型兩大類。通用型又可分為低增益、中增益、高增益三種。通用型集成運(yùn)算放大器適合在一般條件下使用，特點(diǎn)是電源電壓的適用范圍廣，不需要外接補(bǔ)償電容，輸入電壓較大。專用型集成運(yùn)算放大器有高阻型、低漂移型、高速型、低功耗型、高壓型、大功率型、電壓比較器等多種。二、集成運(yùn)算放大器的質(zhì)量檢測(cè)1.?用萬(wàn)用表檢測(cè)?2.?用測(cè)試電路檢測(cè)3.?用專用儀器檢測(cè)三、正確使用集成運(yùn)算放大器1.?調(diào)零由于集成運(yùn)算放大器失調(diào)電壓和失調(diào)電流的存在，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓并不為零。外接調(diào)零電位器RP調(diào)零電路外加補(bǔ)償電壓進(jìn)行調(diào)零的電路a）同相輸入調(diào)零b）反相輸入調(diào)零2.?消除自激振蕩集成運(yùn)算放大器是多級(jí)放大器，具有極高的電壓放大倍數(shù)，但它極易產(chǎn)生自激振蕩，使運(yùn)算放大器不能正常工作。為了防止自激振蕩的產(chǎn)生，通常按產(chǎn)品手冊(cè)要求，在補(bǔ)償端子上接指定的補(bǔ)償電容或RC移相網(wǎng)絡(luò)，以便消除自激振蕩現(xiàn)象。四、集成運(yùn)算放大器的保護(hù)電路1.?防止電源極性接反為了防止電源極性接反而損壞集成運(yùn)算放大器，可利用二極管的單向?qū)щ娞匦詠?lái)控制，如圖所示，二極管