集成运算放大器.ppt

第四章 集成运算放大器 运算放大器(operational amplifier)简称 为运放，是一种高增益直流放大器，最初因用在模拟 计算机中进行各种数学运算而得名，如果将整个运算 放大器制成在一个小硅片上，就成为集成运算放大器 (integrated operational amplifier)。 由于集成运放具有性能稳定、可靠性高 、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点得到了 广泛应用。可完成放大、振荡、调制、解调及模拟信 号的各种运算和脉冲信号的产生等。 本章将介绍集成运放的基本知识、基本 电路及其主要应用。 主要内容 第一节 运算放大器的基本知识 第二节 运算放大器的基本电路 第三节 运算放大器的应用 第一节 运算放大器的基本知识 一. 集成运算放大器的组成 集成运放通常由输入放大级、中间 电压放大级、输出级以及偏置电路等四部分组成。 输入级采用差动放大电路，要求输 入阻抗高、零点漂移小、抗共模干扰能力强；中间 级一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增益 的电压放大；输出级与负载相接，要求输出阻抗低 、带负载能力强、能够提供足够大的电压与电流； 偏置电路一般由恒流源电路构成，给上述各级电路 提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作 点。此外，电路还备有过流保护电路。 集成运放的基本组成 右图是运 算放大器的电路符号。 它有两个输入端和一个 输出端。反相输入端标 “-”号，同相输入端标 “+”号。输出电压与反 相输入电压相位相反， 与同相输入电压相位相 同。此外还有两个端分 别接正、负电源，有些 集成运放还有调零端和 相位补偿端。在电路中 不画出。 二. 集成运算放大器的使用 1. 调零 实际运算放大器，当输入为零时输 出并不为零，采用调零技术可使输入为零时输出 也为零。 2. 消振 集成运放是多级直接耦合的放大器 ，因存在着分布电容等分布参数，信号在传输 过程中会产生相移。 信号频率变化时，相移也变化。当 运放闭环(输出端与输入端经过导线、元器件 相连)后，会在某些频率上产生自激振荡。为 了使放大器工作稳定，通常外接RC消振电路 或消振电容，用来破坏产生自激振荡的条件。 3.保护 输入端保护是当输入端所加的电 压过高时会损坏输入级的晶体管。在输入端 处接入两个反向并联的二极管，将输入电压 限制在二极管的正向压降以下； 输出端保护是为了防止输出电压过大，可利 用稳压管来保护，将两个稳压管反向串联，将输出电 压限制在(Uz+UD)的范围内，其中，Uz是稳压管的稳 定电压，UD是它的正向管压降； 电源保护 是为了防止正、 负电源接反，可用二极 管进行保护。 三. 集成运放的主要性能指标 1. 输入失调电压Uis： 对于理想集成运放，当输入电压为零 时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因 ，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压 常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加 一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入 失调电压Uis，其值等于输入电压为零时，输出的 电压折算到输入端的电压值。Uis一般为毫伏级， 它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电 压越大，集成运放的对称性越差。 2. 输入失调电流Iis： 输入失调电流是指输入信号 为零时，两个输入端静态电流I+与I-之差 ，一般为输入静态偏置电流的十分之一 左右。Iis是由差动输入级两个晶体管的 值不一致所引起的。 3. 开环电压增益Kd： 开环电压增益是指集成运放 在无外接反馈电路时的差模电压放大倍 数。也可用Kd的常用对数表示。一般运 放的电压增益都很大，为60100dB，高 增益运放可达140dB(即107)。 (4)输入阻抗ri和输出阻抗ro： 输入阻抗ri是指运放开环运用时 ，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于 两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输 入电流Ii的变化之比，即ri=Ui/Ii，ri越大越 好。双极型晶体管输入级的ri值为104-106 ，单极型场效应管输入级ri可达109以上。输 出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与 地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之 内。 (5)共模抑制比CMRR： 共模抑制比是指集成运放开环运 用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍 数之比。CMRR值越大，抗共模干扰能力越 强，一般集成运放的CMRR都可达到80dB ，高质量的集成运放可达l00dB以上。 运放还有很多其他指标：如转换 速率是指放大器在闭环状态下，输入放大信 号时，放大器输出电压对时间的最大变化速 率。运放的静态功耗是指没有输入信号时的 功耗，通常约为数十毫瓦，有些低耗运放， 静态功耗可低到0.1mW以下，这个指标对 于便携式或植入式医学仪器是很重要的。运 放的最大共模输入电压是指运放共模抑制比 明显恶化时的共模输入电压值，通常约为几 伏到十几伏。运放的电源电压，一般从几伏 到几十伏。 四.集成运算放大器的理想模型 集成运放理想化的条件是：开 环电压放大倍数Kd，输入阻抗ri，输 出阻抗ro0，共模抑制比CMRR，输入 信号为零时，输出电压为0，且特性不随温 度而变化。 由此理想运放在线性运用时有以下重要结 论： 运放两个输入端的电压近似相等，即 U+U-： 因为Kd，则ui=u+-u-=uo/Kd=0，所以 u+=u-。这样，两个输入端可以认为是虚连接 ，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也 为零电位，称为“虚地”(imaginary ground)。 两个输入端的输入电流近似 为零，即Ii0 因为ri，所以Ii=（u+-u- )/ri=0。 上面两个结论，虽然是从理想运 放的特性得到的，但比较符合实际情况， 因此，对于各种实际的集成运放电路，可 以用理想模型进行分析、计算，这样可使 电路的分析大大地简化，同时也不影响结 果。 第二节 运算放大器的基本电路 一. 反相 放大器 输入 电压ui经电阻R1由反 相输入端输入，输出 端与反相端之间接一 反馈电阻RF，同相 输入端与地之间接一 平衡电阻R2，且 R2=R1/RF，以保证 运放输入端的对称。 因Ii=0，故i1if ，因此 又因u+u-=0，因此 KF为反相放大器的 闭环电压放大倍数，它 只与外接电阻R1、RF有 关，而与集成运放本身 参数无关。只要电阻值 足够精确，则输出电压 uo与输入电压ui可得到 高精度的比例关系，负 号表示uo与ui相位相反 ，所以称反相放大器。 当RF=R1时，uo=-ui，构成反 相器。反相放大器是一种电压并联负反馈 电路，输出阻抗低。因其反相输入端为虚 地，所以该电路的输入电阻是R1。 对于具有内阻Rs的信号源，上面公 式中的R1应当用R1+Rs代替，为了不使电压增 益受Rs的太大影响，R1应该取大一些。但为了 保证输入电流远大于偏置电流，R1应远小于运 放的内阻，对于通用型运放，R1不宜超过数十 千欧，反馈电阻RF越大则电压增益越大，但要 求反馈电流也应远大于偏置电流，所以RF也不 能取得过大，通常不宜超过兆欧。因此，当Rs 达到数千欧时，这个电路难以获得高增益。另 外，反相放大器是并联负反馈电路，该放大器 的输入电阻小，故它不能应用到高内阻信号源 上。 右图为 高增益的反相放大器 ，反馈电压从分压电 阻R3和R4的连接点引 出，这仍是一个电压 并联负反馈电路。 由于 R3/R4可以取很大值 ，因此这个电路可以 获得很高的电压增益 。 二. 同相 放大器 将反 相放大器中R1端接 地，输入电压ui经电 阻R2由同相输入端 输入，即可构成同相 放大器 (noninverting amplifier)，实现输 出电压uo与输入电压 ui之间的同相比例运 算。 因Ii=0，故i1if ，因此 又因u+u-，因此 uo与ui之间的比例 关系也与运放本身 的参数无关，电路 精度和稳定度都很 高。KF为正表示uo 与ui同相，并且KF 总是大于或等于1 ，这一点与反相放 大器不同。 当RF=0时KF=1，电路就变成 电压跟随器。 同相放大器实际上是一个电 压串联负反馈放大器，因此其输入阻抗 高、输出阻抗低，而且增益不受信号源 内阻的影响。该电路的不足是其共模抑 制比CMRR不太大。 解：放大电路由A1、A2串行连接而成，其 中A1是跟随器，因此Uo1=Ui=2V 它又是A2的输入信号电压，A2是反 相放大器，因此Uo=-(RF/R1)Uo1=4V 三. 差分放大器 右图是基本的 差分放大器，信号电压同 时从双端输入，可实现减 法运算。 根据理想运放 条件，得 当R1=R2， R3=RF时， R1=R2=R3=RF，则 uo=ui1-ui2。 该电路的反馈对同相输入端是电压 串联负反馈，对反相输入端是电压并联负反馈 ，它的主要缺点是输入阻抗低，运放的高内阻 没有发挥作用；而且对不同信号源，差分放大 器的内阻不同，外接电阻的平衡条件也要随之 改变，因此使用很不方便，实际电路要进行改 进，详见后面的并联型差分放大器。 第三节 运算放大器的应用 一. 加法和减法运算电路 对于低内阻信号源，双端都采取并行 输入可以同时实现加减法运算，下图是实现加 减法运算的基本电路。 由Ii=0，得 设 即 整理后，得 若调节R5，使R+=R-，则 上式表明，输出电压等于各输入电压按 不同的比例相加或相减。 u如果Rl、R2、R3、R4、RF取不同值，需按权重 进行加减法； u如果Rl=R2=R3=R4=RF可以实现加减运算，即 uo=(ui1+ui2)-(ui3+ui4) u如果只从反相端并行输入信号，可以实现反相 加法运算，即uo=-(ui3+ui4) u如果只从相同端并行输入信号，可以实现同相 加法运算，即uo= (ui1+ui2) u输入端个数可以根据实际需要适当增减，剩余 的输入端要接地。 二. 积分和微分 运算电路 积分运算电路 将反相放大 器的反馈电阻换成电 容器CF，放大电路如 图所示。 假定反馈电容CF初始电压为0，则 上式表明，输出电压uo是输入电压 ui对时间的积分，R1CF叫做时间常数，负号表 示输出电压与输入电压在相位上相反。 这个电路应用到有直流成分的输入 电压时，积分时间不能太长，以免输出电压达 到饱和。因此要增加一些开关，积分时间结束 时切断输入回路，积分开始前使电容器放电。 积分运算电路常用于对呼吸流速等 进行积分处理，求得呼吸流量、血液流量等生 理参数。 2. 微分运算 电路 微分运算是 积分运算的逆运算。 将积分运算电路中的 反馈电容CF和输入电 阻R1交换位置，即构 成微分运算放大器。 由上面两式得， 即输出电压与输入电压的微分成正比。 在使用微分电路时，输入电压变化 不能太大，否则运放将达到饱和，甚至被损坏 。微分电路的主要缺点是干扰较严重，因为干 扰电压变化很快，频谱很宽，频率越高的成分 放大越多，形成很多尖峰。 在微分运算前先经过低通滤波可以 大改善这个电路的性能。微分运算放大电路可 用来对血压、阻抗容积图等波形进行处理，以 求得其变化速率。 三. 对数和反对数运算电路 1. 对数运算电路 以二极管代替反相放大器 中的反馈电 阻RF，即可构成对数运算 放大电路。 二极管PN结的正向电流为 ： UT=26mV，i1=ui/R1，理想运放，i1=iD，因此 两边取对数，又uo=-uD，则 上式说明，电路的输出电压与输入 电压的对数成正比关系。 实际电路中，常用三极管的发射结 代替二极管。该电路只适用于ui0的情况，若 uiUR时，输出负饱 和值-Uom(接近负电源-E)，右图 是运算放大器工作在开环状态时 ，电压比较器的传输特性。 可见比较器的输入端进行的是模拟 信号大小的比较，而在输出端则以高电平或低 电平来反映其比较的结果。 当参考电压UR=0时，即输入电压 ui 与零电平比较，称为过零比较器。 比较器是运算放大器的非线性运用 ，由于它的输入为模拟量，输出为数字量，是 模拟电路与数字电路之间的过渡电路，所以在 自动控制、数字仪表、波形变换、模数转换等 方面都广泛地使用电压比较器，目前国内外已 有专门的单片集成比较器。 六. 有源滤波器 集成运算放大器和RC电路可组成有 源滤波电路。 有源滤波电路能提高滤波性能，还 可以将信号放大，且放大倍数易调节。 有源滤波器也可以分为低通滤波器 、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。 右图为低通有源滤波器电 路。对于输入信号中的高频成分， 电容C可近似地看成短路，输出端 与反相输入端虚地连接，所以最终 输出电压很小，抑制了高频信号。 对于输入信号中的低频成分，电容 C可近似地看成开路，这时的放大 倍数为-R2/R1，低频信号顺利通过 。此低通滤波器的上限频率为： 1/2R2C。 R2不直接与信号串联 在一起，所以可取很大的阻值，因 此可以使用较小的电容C。如 R1=30k，R2=560k，C可减少为 0.002F。 前面讨论的双 T选频电路Q值很低，不能满 足应用要求。 如果将它与运放结合起来，可以组成生物信 号检测中广泛应用的高Q值的有源陷波器。上图为有源 双T带阻滤波放大器电路。 该电路的中心频率f0=1/2RC，对 于ff0的高频信号，两个串联的电容C阻抗很 低，信号可经电容直接传输到运放的同相输入 端即u+=ui；对于ff0的低频信号，电容2C的 阻抗非常高，信号可经两个串联的电阻R直接 传输到运放的同相端即u+=ui；只有当f=f0时， 分别从高通滤波通道(两个电容C和一个电阻 R/2构成)和低通滤波通道(两个电阻R和一个电 容2C构成)传输到同相输入端的电压正好大小 相等、相位相反，相互抵消，输出电压为零。 理论上可以证明，该电路的Q值为 如R2=30，R3=1k，则则Q=8。 如果取