集成运算放大器的分析与应用.ppt

第1章 绪论 第2章 半导体器件基础 第3章 双极型模拟集成电路的基本单元电路 第4章 MOS模拟集成电路的基本单元电路 第5章 负反馈放大电路 第6章 集成运算放大器的分析与应用 第7章 直流电源电路,课程章节,主讲:刘颖,问题： 集成运算放大器的由来？ 如何判断电路是否是运算电路？有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关系？ 如何分析集成运算放大器？ 集成运算放大器有哪些应用？,第6章 集成运算放大器的分析及应用,第6章 集成运放的分析及应用,6.1 集成运算放的组成及基本特性 6.2 集成运算放大器的主要参数 6.3 运放的线性应用及理想运放模型 6.4 基本运算电路 6.5 电压比较器 6.6 波形发生器 6.7 集成运放的其他应用电路 小结,6.1 集成运算放的组成及基本特性,一、 概述 二、集成电路的基本结构 三、 模拟集成运放的典型电路,1）通用集成电路 2）模拟信号处理电路 3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路等. 4）通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。 5）测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。 6）仪器专用电路等。,6.1 集成运算放大器的组成及基本特性,1. 模拟集成电路分类 按照应用领域进行分类：,一、 概述,按照电路的功能进行分类 1）运算放大器 2）模拟乘法器（除法器） 3）对数放大器 4）函数发生器 5）滤波器 6）压控振荡器 7）集成功率放大器 8）集成 稳压电源 ,一、 概述(续）,6.1 集成运算放大器的组成及基本特性,集成电路,通用型,专用型,按照集成电路分类,1 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构(续）,2 模拟集成电路组成,输入级,中间级,输出级,偏置 电路,组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。,运放组成,差放 输入级,中间 放大级,低阻 输出级,恒流源 偏置,U+,U-,Uo,三、 模拟集成运放的典型电路,运放旧符号,运放国标符号,1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U表示。,4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.低阻输出级：由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。,差放 输入级,中间 放大级,低阻 输出级,恒流源 偏置,U-,U+,运放组成,集成运放F007的电路原理,2单极型集成运放,第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。,第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。,6.2 集成运算放大器的主要参数,集成运放的性能指标-主要参数如下：,1电源电压 2开环差模电压增益AUd 3共模抑制比KCMR 4差模输入电阻rid 5输入失调电压Uos 6输入失调电压的温漂dUos/dT 7输入失调电流Ios,8输入失调电流的温漂dIos/dT 9输入偏置电流IB 10最大共摸输入电压Uic,max 11最大差模输入电压Uid,max 12-3dB带宽 13单位增益带宽BWG-fT 14转换速率SR(摆率) |duo/dt|max,6.3 线性应用及理想运放模型,一、 线性应用和非线性应用 二、理想运放模型,6.3 线性应用及理想运放模型,运放模型分类,按精度分类,理想模型,非理想模型,运放宏模型,按功能分类,直流模型,交流小信号模型,大信号模型,噪声模型,6.3 线性应用及理想运放模型（续）,运放分析特点：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。,运放分析内容,传输特性(输入与输出信号关系特性),频域特性 时域特性 温度特性 噪声特性 ,主要分析内容,1. 线性应用：运放输入输出成线性关系的应用。闭环应用，如“运算电路”、“有源滤波电路”等。,一、 线性应用和非线性应用,2. 非线性应用：运放输入输出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。,输入,输出,输入,输出,电压放大器,电压比较器,二、理想运放模型,1. 理想运放的性能,1) 开环电压增益Aud=; 2) 输入电阻Rid=; 3)输出电阻Ro=0; 4)频带宽度F=; 5)共模抑制比CMRR=; 6)失调、漂移和内部噪声为零。,主要条件,条件较难满足， 可采用专用运放 来近似满足。,二、理想运放模型（续）,1） 同相端与反相端呈开路状态。 2）输出回路为一受控电压源AUd(U+-U-) ， 由于输出电阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。,2.理想运放模型,3. 线性运用状态时主要特征,1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 ，称虚断。,I+=I-0,2. 理想运放的同相和反相输入端电位近似相等 ，称虚短。,U+=U-,Rid,虚断,虚短,在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。,虚地,如将运放的同相端接地U+=0，则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”，称为“虚地”。,虚地点对地的电阻为“0”,由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。,U+-U-=Uo/AU0,4. 饱和工作状态时特征（非线性工作状态）,1) 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零,2)当U+U-时，Uo为正饱和值； 当U+U-时，Uo为负饱和值。,I+=I-0。,饱和状态的运放通常工作在开环或正反馈状态，主要用于数字电路，比较器电路等。,二、理想运放模型（续）,6.4 基本运算电路,一、比例运算电路 二、加法器 三、减法器 四、积分器 五、微分器 六、对数方大器 七、指数放大器 八、乘、除法器,一、比例运算电路,1. 反相放大电路,平衡电阻 RpR1/Rf,电压并联负反馈,由I+=I- 0 （虚断）,I1=If,U+= 0,U+=U-（虚短）, U-= 0,虚地点对地的电阻为“0”,一、比例运算电路（续）,1. 反相放大电路（续）,平衡电阻 RpR1/Rf,小结：电路的输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相反，比例因子为 Rf/R1 ，因此，该电路常用于反相比例运算。,Auf只与Rf、R1有关， 而与运放的参数无关。,输入电阻 rif,=R1,输出电阻 rof= 0,电压增益,ui= uo =0,非理想情况下，考虑两输入端之间的等效电阻。,若u+= u- ，i+= i-,克服输入偏置电流引起的输入失调电压。,一、比例运算电路（续）,2. 同相放大电路,电压串联负反馈,I- = I+ 0,U+=U-,rif,rid ,rof= 0,小结：同相放大电路输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相同，比例因子为 1+Rf/R1 ，因此，该电路常用于同相比例运算。,一、比例运算电路（续）,2. 同相放大电路（续）,电压跟随器,rif,rid ,rof= 0,当Rf=0时，,二、加法器,1. 反相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=If,U+= 0,U+=U-,U-= 0,平衡电阻 RpR1/R2/Rn/Rf,当R1=R2=Rn=Rf时，Uo= -(U1+U2+Un),2.同相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=0,U+=U-,二、加法器（续）,2. 同相加法器（续）,二、加法器（续）,三、减法器,运放工作在线性放大时，可用叠加原理来推导输出表达式。 当U2=0时，在输入信号U1的作用下，产生的输出为Uo,当U1=0时，在输入信号U2的作用下，产生的输出为Uo 根据叠加原理：Uo= Uo + Uo,当U1单独作用时：,Uo,当U2单独作用时：,Uo,当U1和U2共同作用时：,若R1=R2 R3=Rf,小结： 当R1=R2，R3=Rf时，减法器的输出电压为两个输入信号 之差乘以放大系数Rf/R1, 故又称它为差分放大器。 2)为减小失调误差，需 R1/Rf=R2/R3。,三、减法器（续）,四、积分器,I+=I- 0,i1(t) = if(t),U+= 0,可得,积分器的输出电压与输入电压呈积分 关系，积分时间常数为RC。 ,当ui(t)=E时,uo(t)t按负斜率下降，最终达到负饱和值。, U+= U-， U- =0,积分器应用, 数学运算, 波形变换。如将一方波变换成三角波, 实现波形变换，将一方波变换成三角波,积分器应用（续）,加入直流反馈Rf 的作用：抑制直流漂移，提高控制精度，防止低频、直流增益过大 。,积分器应用（续）,五、微分器,I+=I- 0,ic(t) = if(t),U+=U-=0,R1的作用是: 适当减小放大器高频增益; 抑制高频噪声。,微分器实用电路,微分器应用, 数学运算, 波形变换,微分器应用,注意：在设计微分器时，元件RfC的乘积受运放最大输出电压的限制，即最大输出电压Uom满足,六、对数放大器,原理:利用PN结结电压与电流 之间的对数关系而构成的。,I+=I- 0,Ii = Ic,U+=U-,U+=0,U-=0,由电路可看出：, 输出电压与输入电压的关系呈对数关系； Uo的最大输出电压不会超过Ube； 温度稳定性差。,七、指数放大器, 输出电压与输入电压的关系呈指数关系; 温度的稳定性差.,原理:利用PN结结电流与电压 之间的指数关系而构成的。,八、乘、除法器（了解内容）,乘法原理:利用对数和指数运算电路可以实现乘法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,求和运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,八、乘、除法器（续，了解）,除法原理:利用对数和指数运算电路可以实现除法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,减法运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,要求输出电压的幅值要小于等于Uom， 由此可知，输出电压可表示为,例: 如图所示积分器，已知输入矩形波电压幅值E=1V，T=10ms，运放最大输出电压Uom=10 V，求电路元件R和C的值。,解:,可取电阻：R10k；电容：C0.1F,ui(t),t,uo(t),-E,E,Uom,T,求图所示数据放大器的输出表达式，并分析R1的作用。,解1：,显然调节R1可以改变放大器的增益。,例:,所以：,显然调节R1可以改变放大器的增益。 如放大器AD624等， R1有引线连出，同时有一组R1接成分压器形式，可选择连接成多种的R1数值 。,解2：vs1和vs2为 差模输入信号，为此vo1和vo2也是 差模信号，R1的中点为交流零电位。对A3是双 端输入放大电路。,例:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,积分器的输入和输出波形,6.5 电压比较器,一、单门限比较器 二、迟滞比较器 三、比较器的特点及应用,对两个输入电压进行比较，比较两个电压的大小，将比较结果以高低电平的形式输出。此功能的运放通常工作在饱和区。 通常将一个输入电压固定UR作为参考电压，另一个输入电压Ui与UR比较，结果由Uo反映。,一、单门限比较器, 单门限比较器：, 比较器的功能,是指只有一个门限电压的比较器.,一、单门限比较器（续）,输出应为负饱和值，Uo为低电平-VOL。,当UiUR时，输出为正饱和值， Uo为高电平VOM。,输出电压被限定在 （UZ+UD),原理,例: 电路如图 (a)所示，当Ui如图 (b)所示时，试画出Uo及Uo 的波形。,图（a) 电路,图(b) 波形图电路,一、单门限比较器（续）,二、迟滞比较器,引入正反馈起加 速输出电压变化,原理: 当输出Uo为高电平Uo=VOH时，同相端受到VOH和UR同时作用,当UiU1时，输出将由高电平VOH跳变到低电平VOL。 U1称为上门限电压，也称正向阈值电压。,迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。,二、迟滞比较器（续）,原理: 当输出Uo为低电平Uo=VOL时，同相端受到VOL和UR同时作用,当UiU2时，输出将由低电平VOL跳变到高电平VOH 。 U2称为下门限电压，也称负向阈值电压。,U1,迟滞比较器,上门限电压：,下门限电压：,门限宽度：,7-4,小结： 1. 改变基准电压UR可改变上、下门限电压U1、 U2 ， 但不影响门限宽度U。 2. 改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响U和 U1、 U2 。 3. Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。,三、比较器的特点及应用,1. 工作在开环或正反馈状态。 2.开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。 3.非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。,特点：,应用：比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。,正弦波变换为矩形波,三、比较器的特点及应用（续）,有干扰正弦波变换为方波,6.6 波形发生器,一、矩形波发生电路 二、三角波发生电路 三、脉冲和锯齿波发生电路,1. 基本组成部分 1) 开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。 2) 反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。 3) 延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。,一、矩形波发生电路,输出特点：输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,2. 电路组成,正向充电： uO（+UZ）RC地,反向充电： 地C R uO（UZ）,RC 回路,滞回比较器,一、矩形波发生电路（续）,3. 工作原理,分析方法：,（1）初始态： 设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程： uO up uO ，直至 uOUZ， uP+UT，第一暂态。,一、矩形波发生电路（续）,up,3. 工作原理（续）,原理：电容正向充电，t uN，t ， uN UZ；但当uN +UT时，再增大uN ， uO从+ UZ跃变为 -UZ， uP-UT，电路进入第二暂态。,原理：电容反向充电，t uN，t ， uN -UZ；但当uN -UT时，再减小uN ， uO从- UZ跃变为+UZ， uP+UT，电路返回第一暂态。,（2）第一暂态：uOUZ， uP+UT。,up,（3）第二暂态：uO-UZ， uP-UT。,up,uN,4. 波形分析,一、矩形波发生电路（续）,推导过程（了解）：,利用一阶RC电路的三要素法列出方程如下：,T1,推导过程（续）：,T2,5. 占空比可调电路,思考题:为了占空比调节范围大，R3应如何取值？,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,一、矩形波发生电路（续）,T1,T2,T1,占空比可调电路分析过程：,1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。,实际电路将两个RC 环节合二而一,为什么采用同相输入的滞回比较器？,uO要取代uC，必须改变输入端。,集成运放应用电路的分析方法： 化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。,二、三角波发生电路,uC,滞回比较器,积分运算电路,求滞回比较器的电压传输特性：三要素uOH 、 uOL ， UT 。,二、三角波发生电路(续）,2. 工作原理,up1,三角波发生电路的振荡原理,初始态：合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1 uP1 uO1，直至uO1 UZ（第一暂态）； 第一暂态：积分电路反向积分，t uO，一旦uO过- UT ，uO1从+ UZ跃变为- UZ （第二暂态） 。 第二暂态： 积分电路正向积分，t uO， 一旦uO过+ UT ， uO1从 - UZ跃变为+ UZ ，返回第一暂态。 重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。,电路状态翻转时，uP1=?,up1,3. 波形分析,思考题：如何调整三角波的幅值和频率？,振荡中间过程,三、锯齿波发生电路,1. RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？,2. R3短路时的波形？,三、锯齿波发生电路（续）,思考题：,6.7 集成运放的其他应用电路,一、电压电流变换电路 二、RC有源滤波器 三、测量放大电路 四、单电源供电放大电路 五、线性稳压电路,一、电压电流变换电路, 电流电压变换电路,Uo= -IsRf, 电压电流变换电路,IL=Us/R1,1.一阶低通有源滤波,根据反相比例运算电路的分析,频率特性,截止频率,滤波增益,|A|=R2/R1,二、RC有源滤波器,特性曲线：,2.一阶高通有源滤波,据反相比例运算电路的分析:,频率特性,截止频率：,滤波增益：,|A|=R2/R1,二、RC有源滤波器（续）,特性曲线:,1. 一阶低通有源滤波和积分器(有直流负反馈）电路形式相同，工作原理有区别吗？,思考题目,截止频率,滤波增益,|A|=R2/R1,作为低通源滤波器时：,作为积分器时：,滤波器强调频域特性。 积分器强调时域特性。,分析：当信号频率较低时，信号积分过程可以忽略，输出失真可忽略。,ui(t),t,分析：高频时，输出严重失真，输出是输出的积分。,2.一阶高通有源滤波和微分器实用电路形式相同，工作原理有区别吗？,思考题目,截止频率：,滤波增益：,|A|=R2/R1,做为高通源滤波器时：,做为微分器时：,分析：高频时，输出失真可以忽略。,分析：低频时，输出严重失真，输出是输入信号的微分。,三、测量放大电路, 电桥放大器,主要用于非电量测量如压力，温度，应变等。,RX的阻值随被测量物体的变化而变，RX=R+R。 当RX=R时电桥平衡，Ui=0, Uo=0。 当RX产生R变化时，输出电压将变化Uo， Uo正比于R。 当电阻RfR,且相对变化= R/R1时，输出电压为：,电桥放大器输出推导：利用叠加原理，,四、单电源供电放大电路,集成运放通常采用双电源供电，其中负电源主要提供差分放大级的发射极电源（静态工作点）。 当使用单电源供电时，为保证电路有合适的静态点，运放的输入级由外电路提供偏置电压。,Ec/2,Ec/2,1. 直流偏置：,两个偏置电阻分压，在同相端得到Ec/2的直流偏压，Uo=Ec/2。,2. 当Ui输入交流时，,注：Uo中包含有Ec/2的直流电压，外接负载时，可加隔直电容。,五、线性稳压电路, 正电压可调电源,调节W，可调节R2部分的阻值比，改变输出电