集成电路运算放大器及应用.ppt

第五章 集成电路运算放大器,1,第五章 集成电路运算放大器及应用,基本要求： 了解差动放大电路的工作原理； 掌握运算放大器的分析方法。 基本内容： 差动放大电路 集成运算放大器 集成电路运算放大器的应用,第五章 集成电路运算放大器,2,5. 1 差动放大电路,集成电路运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 当多级直接耦合放大电路的输入端短路( ui0 )，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。 产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。 抑制零点漂移有效的措施之一是采用差动放大电路。,第五章 集成电路运算放大器/5.1 差动放大电路,3,一. 电路结构,特点：对称 二.静态分析 （ui1 = ui2 = 0 ),第五章 集成电路运算放大器,4,综上所述：,1）电路(对称性)具有抑制 零点漂移的作用； 2）RE 的主要作用是引入电 流负反馈，稳定电路工作点， 抑制单个管子的零点漂移。 3）电源（-UEE）的作用是： a）对三极管T 1、T 2 提供基极电流； b）补偿I E 在RE 上产生的直流压降，使VE = 0，则UCE = VC，输出电压有较大的变化范围。,第五章 集成电路运算放大器,5,若ui1 = ui2 时，称 为共模信号，记为：uic= ui1= ui2。 分析： 电路是完全对称；则uo=uc1uc2= 0， Auc = 0 差动放大电路双端输出时，对共模信号没有电压放大作用。,三.动态分析（ui10， ui2 0 ) 1.共模输入信号（Common-mode input）,第五章 集成电路运算放大器,6,若 ui1 = ui2 时，称为差模输入信号，记为uid1=- uid2或“uid =(uid1-uid2) =(ui1-ui2) ”。 分析： ib1 =ib2，ic1 =ic2， ie1 =ie2， ie = 0 uRE = 0 ， RE 对差模信号电流不起作用。 设: uid1 0 , uid2 0 ; uid = uid1- uid2 =2uid1,2. 差模输入信号 （Differential-mode input）,uO = uO1 - uO2 = 2 uO1,第五章 集成电路运算放大器,7,差模信号通路,(c1和c2间接入RL),微变等效电路,双端输入、双端输出时，电压放大倍数为单管电压放大倍数。 双端输入、单端输出时，,第五章 集成电路运算放大器,8,表述：当两个输入信号既非共模，又非差模，它们的大小和极性是任意的，这样的输入信号称为比较输入信号。 分析：对于任何ui1 和 ui2 都可以将其分解成共模信号和差模信号的叠加，即 ui1 = uc + uid1 ui2 = uc + uid2,3.比较输入信号,Auc=0,Aud0,根据叠加原理 uo =Aud uid+ Aucuic= Aud ( ui1- ui2) 电路对差模信号有放大作用，故称差动放大电路,第五章 集成电路运算放大器,9,四. 差动放大电路的四种接法,1 .双端输入、双端输出 uid=ui1-ui2, u0=u01-u02 Aud = uo /uid=Au1 2 .单端输入、双端输出 ui1或ui2 =0, u0=u01-u02 Aud = uo /uid 同上 3 .双端输入、单端输出 uid=ui1-ui2, u0=u01 Aud单 = Aud /2 4 .单端输入、单端输出 ui1或ui2 =0, u0=u01 Aud单 = Aud /2,差动放大电路电压放大倍数只与输出形式有关,第五章 集成电路运算放大器,10,五. 电路的相位关系,因为输入电压ui1 与输出电压uO 反相，所以称ui1 端为反相输入端。而输入电压ui2 与输出电压uO 同相，所以称ui2 端为同相输入端。 集成运放作为完整的独立器件，图形符号只画出三个信号端，即2个输入端，1个输出端, v- 为反相输入端, v+ 端为同相输入端。,第五章 集成电路运算放大器,11,5.3 集成运算放大器,一. 集成运算放大器组成,第五章 集成电路运算放大器/ 5.3 集成运算放大器,12,二. 集成运算放大器的主要参数,1开环差模电压放大倍数Aod 是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压放大倍数。 2最大输出电压Uop-p 最大输出电压是指在额定的电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰一峰值。用集成运放的传输特性曲线表示Uop-p的 影响。 3最大差模输入电压Uid max 所指的是集成运放的反相和 同相输入端所能承受的最大 电压值。 4最大共模输入电压Uic max 这是指运放所能承受的最大 共模输入电压。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.3 集成运算放大器,13,三. 集成运算放大器的低频等效电路,1.低频等效电路 集成运放作为完整的独立器件，只画出三个信号端，即2个输入端，1个输出端。 因为输入ui1与输出uo反相，所以称u-端为反相输入端。而输入ui2 与电压uo同相，所以称 u+端为同相输入端。ui称为净输入电压，ii称为净输入电流。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.3 集成运算放大器/ 集成运算放大器的低频等效电路,14,2. 集成运算放大器的理想模型,理想运算放大器的特点是： 开环电压放大倍数为无穷大Au； 输入电阻为无穷大ri； 输出电阻为零ro=0， 共模抑制比无穷大KCMR；。 3. 线性应用的两个重要概念 由于uo有限，如果Au，则ui=u+u-0；两输入端的电位相等，好象短接了一样，这一概念称之为“虚短”。即u+u- 由于ui=0，而ri ，故净输入电流ii 0 ，输入端好象断开了一样，但又不是真正的断开，这一概念称之为“虚断”。即ii0,第五章 集成电路运算放大器,15,5.4 集成电路运算放大器的应用,“虚短” 和“虚断”的概念是分析集成运算放大器线性应用的理论根据。 一. 比例运算电路 对输入信号实现比例运算的电路称比例运算电路。根据输入信号端钮不同，比例运算电路可分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。 1. 反相比例运算电路,反相比例运算电路图,ii= ii - if 0, ii = if u+= u0， u-端称为“虚地”。,rif=ui /ii=R1 r0=0,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 比例运算电路,16,反相比例运算电路的特点：,存在“虚地”，共摸输入分量近似为零。 u0与ui成比例关系,相位相反,比值是RF/R1与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。 可以进行y=ax的运算，运算式中的系数a0。当R1=Rf时，uo=ui，此电路称为反相器。 由于集成运放的开环放大倍数非常大，需要引入负反馈，且是深度负反馈。电路中引入的是并联电压负反馈。 R2为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差动放大电路中结构的对称性，应选择R2=R1/Rf。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 比例运算电路,17,2. 同相比例运算电路,ii=0, 有 ii=if u-= u+=ui ,有,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 比例运算电路,18,同相输入运算电路特点：,u-=u+=ui，引入共摸输入信号，要求CMRR大。 u0与u+成比例关系,相位相同,比值是(1+RF/R1)1与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都较高。当R1或Rf=0时，Auf=1，此时称为跟随器。 同相比例运算电路可以进行y=ax的运算，且运算式中的系数a1。 电路中引入了深度串联电压负反馈，故同相输入运算电路的闭环输入电阻和输出电阻为 rif=ui/ii ， ro=0 R2为平衡电阻，R2=R1/Rf，作用与反相输入运算电路相同,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用,19,二. 加法运算电路 1. 反相加法运算电路, ii=0， u+= u- 0 i i1 + i i2 + i i3 = i f,特点： 只调整某一路的Ri，就可改变该路的比例系数。 平衡电阻：R2 = R11 / R12 / R13 / RF 反相求和电路可以实现如下运算： y = -(a0 x0+ a1 x1.+an x2), an0,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 加法运算电路,20,2. 同相加法运算电路,利用同相比例公式有：,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 加法运算电路,21,特点：,可以进行y = ( a1 x1+a2 x2 + an xn), an0 若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相求和电路比较，同相求和电路调试比较麻烦。 引入共摸输入分量，使同相求和电路的应用受到限制。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用,22,三. 减法运算电路 采用双端输入可实现减法运算。,因运放工作在线性区，可应用叠加原理。,ui1单独作用时,ui2单独作用时,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 减法运算电路,23,特点：,可以进行y=a1x1a2x2的运算，故又称减法运算电路。 若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相求和电路比较，同相求和电路调试比较麻烦。 当: RF/R1=R3/R2 ，则uo= RF/R1(ui2-ui1);当: RF = R1时， 得：uo = ui2 ui1 同样存在共模输入电压，所以，影响其运算精度的因素与同相输入运算放大电路完全相同。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用,24,四. 积分电路与微分电路,1. 积分电路 i1 = if ；u-=u+=0 if =ui / R1,若ui为图中所示电压，uc(0)=0,则t0, uo uoL 时，,当uo=uoL时，积分作用停止。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/积分电路与微分电路,25,2. 微分电路, i1 = if ；u-=u+=0,当输入信号为一系列方波时，微分电路可将方波变成尖顶波。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用,26,六. 电压比较器,电压比较器是用来判断输入电压和基准电压之间数值大小的电路。通常由集成运算放大器组成。 作为电压比较器时，集成运放工作在开环状态。由于其自身的电压放大倍数很大，只要有微小的净输入电压就足以使集成运放处于饱和工作状态，所以它的输出只有两种可能：当u+u-时，输出高电位UOH，其极性为正，数值接近正电源电压值；当u+u-时，输出低电位UOL，其极性为负，数值接近负电源电压值。 工作时，电压比较器的一个输入端输入基准电压UB，另一端则输入要与基准电压进行比较的电压ui。 电压比较器广泛应用于数字仪表、模/数转换、自动检测、自动控制、波形变换等方面。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 电压比较器,27,1. 单门限电压比较器 1）过零电压比较器,u+ =UB=0，u-=ui 当ui0时，uo=UOH，当ui0时，uo=UOL。 设输入电压ui=Umsint，电压比较器将输入的连续变化量（模拟量）变成跃变的矩形波（数字量）输出。 从电压比较器的工作原理可以看出，输出电压的大小仅与输入电压的大小有关，而与输入电压的波形无关。,第五章 集成电路运算放大器/ 5.4 集成运放的应用/ 电压比较器,28,2） 非零电压比较器,u+ =UB，u-=ui ，当ui UB时，uo=UOH，当ui UB时，uo=UOL。 单门限电压比较器具有结构简单，灵敏度高等优点。 此类比较器设置了一个门限UB ，不管输入电压增加还是减小,经过此门限时，电路都要产生动作，因此这类比较器的抗干扰能力差。为了克服这一缺点，实际应用中常采用多门限电压比较器。,第五章 集成电路运算放大器,29,集成电路运算放大器的特点是，高放大倍数、直接耦合、多级放大。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差动放大电路作输入极。 基本差动放大电路是靠以下两方面来抑制零漂：一是利用了电路的对称性；二是射极接了大电阻Re，也就是引进了电流负反馈，从单管着手，稳定静态工作点。 差动放大电路有两个输入端ui1和ui2，uid=ui1-ui2称为差模输入信号；uic=(ui1+ui2)/2称为共模输入信号。任意两个输入信号都可用差模信号和共模信号表示，即ui1= uic +uid/2，ui2= uic -uid/2。 集成运算放大器线性应用时的两个重要概念：“虚短”，u+u-； “虚断”，ii0。,小结,第五章 集成电路运算放大器,30,反相输入运算