電工學講義-集成運算放大器

電工學講義-集成運算放大器第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月基本要求1.了解差動放大電路的基本工作原理和對零點漂移的抑制作用。2.掌握集成運放的理想化條件和重點掌握理想集成運放的兩大特征。3.重點掌握集成運放的三種輸入方式及運放的應用。第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由晶體管、電阻、電容等單個元件組成的電路把分立元件集成在一片硅片上組成不可分割整體分立元件電路集成電路集成運放屬于小規(guī)模模擬集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路小規(guī)模：SSI中規(guī)模：MSI大規(guī)模：LSI超大規(guī)模：VLSI概述第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月集成運放的輸入級通常由差動放大電路組成輸入級中間級輸出級輸出端輸入端集成運放的組成如下：？第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月零點漂移零點漂移：當輸入信號為0時，放大電路的靜態(tài)值發(fā)生變化。零點：放大電路的直流電壓源UCC保持不變，環(huán)境溫度保持不變（20oC），輸入信號ui=0時放大電路的靜態(tài)值。引起漂移的原因很多，以溫度影響最嚴重。1.當放大電路輸入信號后，這種漂移伴隨信號共存于放大電路，這兩者都緩慢變化，一真一假，互相糾纏，難以分辨。2在多級放大電路中，當采用直接耦合時，第一級漂移被逐級放大，影響整個電路工作。第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月零點漂移的抑制抑制漂移，應重點著手于第一級電路，其最有效的手段是在輸入級采用差動放大電路。由于電容和變壓器不能集成，所以集成運算放大器中的多級放大電路采用直接耦合方式，無法通過耦合方式抑制零點漂移。第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.電路結構1電路結構對稱（在理想的情況下，兩管的特性及對應電阻元件的參數(shù)值都相等。）2電路具有兩個輸入、兩個輸出端。

典型差動放大電路

+UCCuoui1RC1RB4T1RB2RC2ui2RB3RB1+++–––T2差動放大電路特征：第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.零點漂移的抑制

（靜態(tài)分析）uo=VC1－VC2

=0uo=(VC1+

VC1

)－(VC2+

VC2)=0靜態(tài)時，ui1

=

ui2

=0當溫度升高時:IC

VC

差動放大電路對兩管所產(chǎn)生的零點漂移都有抑制作用+UCCuoui1RCRB4T1RB2RCui2RB3RB1+++–––T22.工作原理uo?（

VC1=

VC2

）第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.有信號輸入時的工作情況(動態(tài)分析)兩管集電極電位呈等量同向變化(1)共模信號

ui1=ui2

大小相等、極性相同+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+–ui1ui2++––T2共模信號需要抑制uo=(uC1+

uC1

)－(uC2+

uC１)=0

Ac=0電路共模信號沒有放大能力第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+++–––T22.有信號輸入時的工作情況兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化(2)

差模信號

ui1=–ui2

大小相等、極性相反uo=(uC1－

uC1

)－(uC2+

uC１)=－2

uC1對差模信號有放大能力+–+–+–+–+–+–差模信號是有用信號（Ad=－2uC1/－2ui

=Au

）第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)任意輸入

ui1、ui2大小和極性是任意的。一般可將其分解為差模分量和共模分量：例:

ui1=10mV,ui2=6mVui2=8mV－2mV可分解成:

ui1=8mV+2mV共模信號差模信號

放大器只放大兩個輸入信號的差值信號,抑制共模信號。這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。共模分量：等于兩個輸入分量的平均值差模分量：等于兩個輸入分量差值的一半第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（CommonModeRejectionRatio)差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大，說明分辨差模信號的能力越強，而抑制共模信號的能力越強。3.共模抑制比共模抑制比一般情況下，電路往往難以完全對稱，對共模信號仍有一定放大作用。我們希望差動放大電路有較大差模放大倍Ad,較小共模放大倍數(shù)Ac，將兩者的比值定義為共模抑制比，全面衡量差動放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力。第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月RP：調零電阻。由于制造工藝上的問題，T1、T2不能完全對稱，調節(jié)RP使放大電路在輸入為0時，輸出為0。典型差動放大電路

RE

：穩(wěn)定靜態(tài)工作點。UEE

：補償RE上的電壓降，擴大放大器動態(tài)工作范圍。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+--第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月差動放大電路輸入輸出方式雙輸入—雙輸出方式ui1ui2uo1uo2單輸入—雙輸出方式ui1uo1uo2ui1單輸入—單輸出方式uo1雙輸入—單輸出方式ui1ui2uo1第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月集成運算放大器概述輸入級中間級輸出級輸出端輸入端集成運放有兩個輸入端和一個輸出端。組成第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月+UCC–UEEuou–u+電路的簡單說明輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，采用帶恒流源的差放

。

中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放大電路構成。輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由射極輸出器構成。第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月運算放大器的符號表示反向輸入端同相輸入端運放輸出端(電源可不必畫，AO指開環(huán)電壓放大倍數(shù))A0u-u+uo反相輸入端ui同相輸入端uiuouo第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月集成運算放大器的主要技術指標1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調電壓UIO4.輸入失調電流IIO5.輸入偏置電流IIB第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月理想運算放大器理想化條件:

開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

輸入電阻ri

輸出電阻ro0

共模抑制比KCMR=u-u+uo∞理想運放圖形符號第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月理想運放的兩大特征根據(jù)Auo=uo/(u+–u–)

,所以(u+–u–)

0，兩個輸入端之間近似無電位差，即u+=u–理想運放輸入電阻無窮大，所以輸入端的電流為0,即：i+=i-=0特征1：兩個輸入端之間的電壓近似等于0特征2：兩個輸入端的電流近似等于0u-u+uo∞i-i+虛短虛斷第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月運算放大器的輸入方式及電路分析反相輸入同相輸入差動輸入輸入信號從反相端接入電路輸入信號從同相端接入電路同相端和反相端均有輸入信號接入u-u+uo∞i-i+第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.反相輸入方式輸入電壓從反相端引入,同相端經(jīng)過R2接地Rf：集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)很高,微弱的輸入信號也會使放大器進入飽和。在輸入與輸出之間接入負反饋電阻Rf作閉環(huán)應用。R2：由于輸入級采用差動放大電路，為使靜態(tài)時,ui=0,uo=0,反向輸入端和同相輸入端對接地端應有相同的電阻，在同相輸入端接入平衡電阻R2R2=R1//Rfuoui∞R1Rfu+u-i-ifi1i+++--R2第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.閉環(huán)電壓放大倍數(shù)反向端雖未接地，但電位接近0，稱反向輸入端為“虛地”

負號表明輸入輸出電壓反向電路分析ui∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--uou–=u+=0(特征2

)，i+=i–=0(特征1)，

所以i1

if

第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月只要滿足理想運放的條件，運放的電壓放大倍數(shù)只與外接電阻Rf和R1有關，而與放大器本身參數(shù)無關。運放具有很高的精度和穩(wěn)定性。這種運放電路稱為反相比例運算電路。當Rf=R1時,Au=–1,又稱反相器。ui∞R1R2Rfu+u-i-ifi1i+++--uo第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓并聯(lián)負反饋輸入電阻低，輸出電阻

02.閉環(huán)輸入電阻rif

和rofuoRFuiR2R1++––++

–

－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相輸入方式因:i+=i-=

0

(特征1)

，所以:u+=ui=

u-(特征2)

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u

對地電阻相同，所以平衡電阻:R2=R1//RFuouiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--輸出電壓與輸入電壓同相，放大倍數(shù)取決于外接電阻Rf,R1第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入電阻高輸出電阻

0電壓串聯(lián)負反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋uoRFuiR2R1++––++

–

2.閉環(huán)輸入電阻rif

和rofrif=ui/ii

=ui/0=

rof

0

（電壓負反饋）第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月若R1開路(R1=

)

，Rf

=R2=0輸出電壓與輸入電壓大小相同且同相電壓跟隨器uiu+u-ifi1∞R1R2Rf++--uoui∞uo第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月由集成運放構成的電壓跟隨器比三極管射極輸出器質量優(yōu)越，幾乎不向前級電路取電流，而向后級供電流時，幾乎不存在內阻。常用作隔離器ui∞uo輸入電阻高輸出電阻

0第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月

例1：左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V7.5k

第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月負載電流的大小與負載無關。

例2：負載浮地的電壓-電流的轉換電路1.

能測量較小的電壓；2.

輸入電阻高，對被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++

–

RLuiR2R1+–++

–

iLi1第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3.差動輸入方式同相端和反相端同時有輸入信號運用疊加原理：當ui1單獨作用（ui2=0）反相輸入方式：當ui2單獨作用（ui1=0）同相輸入方式：(2)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)（1）電路組成uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月在該電路中，根據(jù)對稱性要求：Rf

//R1=R3//R2常用做測量放大電路

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

輸出與兩個輸入信號的差值成正比。uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月分析方法2：因為uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月已知ud為差模信號，uc為共模信號，R1=R2=R3，問當Rf為何值，輸出電壓uo不含共模信號？解：運用疊加原理設ud單獨作用（uc=0),為反相輸入方式：uod=–(Rf/R1)ud設uc單獨作用（ud=0),

則：uo=uod+uoc欲使其不含共模成分，則：(1+Rf/R1)[R3/(R2+R3)]=(Rf/R1)又：R1=R2=R3Rf=R1uoucu+u-if∞R1R2RfR3ud+-++--舉例第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月運算放大器的應用集成運放在外部反饋網(wǎng)絡的配合下，輸出與輸入之間可靈活實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關系：加法電路減法電路積分電路微分電路電壓比較器第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月加法運算電路1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月反相輸入方式，有“虛地”存在u+=u–=0,i1=ui1/R1i2=ui2/R2i3=ui3/R3i+=i–=0if=i1+i2+i3=(0-uo)/Rf當

R1=R2=R3=Ruoui2ui1∞RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3加法運算電路1.反相加法運算電路加法電路的輸出電壓與輸入電壓之和成正比關系第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同相加法運算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月方法2：u+思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–iR1iR2iR1=iR2第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響；同相加法運算電路的特點：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響；反相加法運算電路的特點：ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R2+–第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月同相輸入加法電路應用較少，同相輸入方式時

u+=u_

0，可能產(chǎn)生較大的共模輸入電壓，使放大器

工作于非線性區(qū)域，甚至造成損壞。在設計加法電路時，uo數(shù)值必須低于電源電壓，否則運放易趨于飽和而產(chǎn)生誤差。注意:第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月利用雙端輸入，可構成減法電路減法電路uoui2u+u-if∞R1R2RfR3ui1

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

在雙端輸入的減法電路中，應限制共模電壓的數(shù)值，避免超過集成運放的最大共模電壓。第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月用電容C代替反饋電阻Rf輸出電壓uo正比于輸入電壓的對時間的積分。R1C為積分時間常數(shù)，R1C越小，積分作用越強積分電路uoui∞R1R2ifi1i+++--Cuc+-

由i+=i-=0，u+=u-=0得：

i1=ifif=?信號從反相端輸入，存在“虛地”第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例t<0,ui=0t>0,ui=–U負階躍電壓tui0t0uoui∞R1R2ifi1i+++--Cuc+-線性積分時間積分飽和uO=UOM第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月將比例運算和積分運算結合在一起，就組成比例-積分運算電路。uoCFuiR2R1++––++

–

RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分

這種運算器又稱PI調節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電壓uo與輸入電壓是微分關系。RfC為微分時間常數(shù)，RfC越大，微分作用越強微分電路uoui∞RRfifi1i++-+-Cuc+-信號從反相端輸入，存在“虛地”

由i+=i-=0，u+=u-=0得：

i1=if第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例t=0時：瞬間充電電流i1=Cdui/dt

和uo=–RfC(dui/dt)趨于，

但由于信號源內阻的存在，只能是有效值。t>0時：ui為恒定值uo0，RfC越大，衰減越慢尖脈沖uo0tt<0,ui=0t>0,ui=–U負階躍電壓tui0ui∞RRfifi1i++-+-Cuc+-第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分

控制系統(tǒng)中，PD調節(jié)器在調節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調節(jié)器uoC1uiR2RF++––++

–

R1ifiRiC第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月理想運放工作在飽和區(qū)的特點：1.輸出只有兩種可能+Um1或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–

Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－

0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月運放工作于開環(huán)狀態(tài),放大倍數(shù)高，放大器處于飽和狀態(tài)UR為參考電壓：電壓比較器可用來判斷輸入信號的相對大小，用于控制電路或波形變換∞RRuo電壓比較器0uiui<UR:

放大器處于正飽和狀態(tài)uo=+Um1ui>UR:放大器處于負飽和狀態(tài)

uo=–Um2不存在u+=u－

現(xiàn)象

第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例10-5：若輸入電壓ui=UmSint,且UR<Um,畫uo波形。0uo0ui∞RR第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月反饋電阻Rf

連接在同相輸入端，形成正反饋電路，加速了比較器的翻轉過程，輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。當放大器處于正飽和狀態(tài):

uo=+Um1∞RRfR2uf+-URH稱為上閾值門限電壓受輸出電壓的控制當放大器處于負飽和狀態(tài):

uo=-Um2具有遲滯作用的電壓比較器URL稱為下閾值第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月上門限電壓URH

：ui逐漸增加時的門限電壓下門限電壓URL：ui

逐漸減小時的門限電壓uiuoO

–Um2+Um1電壓傳輸特性uitOuoOt+Um1–Um2兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++

–

R1+–+–第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例10-6：若輸入電壓ui=UmSint,且URH<Uim,|URL|<|Uim|,畫uo波形。0uoui0∞RRRfR2uf+-第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月END第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月引起漂移的原因很多，以溫度影響最嚴重。當采用直接耦合時，第一級漂移被逐級放大，影響整個電路工作。因此抑制漂移，應重點著手于第一級電路，其最有效的手段是在輸入級采用差動放大電路。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月典型差動放大電路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+++–––T2EE+–RE的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點，限制每個管子的漂移。EE：用于補償RE上的壓降，以獲得合適的工作點。第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個輸入端ui1、ui2經(jīng)RB1、RB2接至T1T2基極；輸出電壓uo從兩管集電極取出；RP：調零電阻。由于制造工藝上的問題，T1、T2不能完全對稱，調節(jié)RP使放大電路在輸入為0時，輸出為0。RE：穩(wěn)定靜態(tài)工作點。UEE：補償RE上的電壓降，擴大放大器動態(tài)工作范圍。電路特點電路結構左右對稱RC1=RC2，RB1=RB2，T1T2型號特性相同Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-第60頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理由于兩管對稱Uc1=Uc2Uo=Uc1-Uc2=0當溫度變化引起

IC1、IC2時，由于電路對稱輸出電壓變化量

U=UC1–UC2=0IC1=IC2，UC1=UC2零點漂移被抑制了靜態(tài)分析（ui1=ui2=0）ui1Uccui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo++-+-第61頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)分析對差動放大信號，輸入信號有三種：1）共模信號:兩個輸入信號電壓大小相同，極性相同即：ui1=ui2一般噪聲、干擾、溫度等無用信號為共模信號2）差模信號:兩個輸入信號電壓大小相同，極性相反即：ui1=–ui2一般待放大的有用信號接為差模信號3）任意