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第八章集成运算放大器及应用 基本要求 理解差动放大电路的工作原理 了解集成电路运算放大器的性能指标 理解分析理想集成运放线性工作区和非线性工作区的重要依据 掌握基本运算放大电路的计算方法 8 1直接耦合与零点漂移 8 4基本运算放大器 8 2差动放大电路 8 3运放主要参数 8 1直接耦合与零点漂移 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 ui 0 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 抑制零点漂移要着重于第一级 有效的措施之一是采用差动放大电路 8 2差动放大电路 一 电路结构特点 对称二 静态分析 ui1 ui2 0 三动态分析 四输入输出的四种接法 五电路的相位关系 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T1 T2提供基极电流 b 补偿IE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 1 共模输入信号 Common modeinput 若ui1 ui2时 称ui1为共模信号 记为记为 uic ui1 ui2 三 动态分析 ui1 0 ui2 0 分析 电路是完全对称 则uc1 uc2uo uc1 uc2 0 Auc 0 差动放大电路对共模信号没有电压放大作用 若ui1 ui2时 称为差模输入信号 记为uid1 uid2或 uid uid1 uid2 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 modeinput uO uO1 uO2 2uO1 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 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 uid1ui2 uc uid2 3 比较输入信号 Auc 0 Aud Aud1 根据叠加原理uo Auduid Aucuic Aud ui1 ui2 电路对差模信号有放大作用 故称差动放大电路 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 u02Aud uo uid Au12 单端输入 双端输出ui1或ui2 0 u0 u01 u02Aud uo uid同上3 双端输入 单端输出uid ui1 ui2 u0 u01Aud单 Aud 24 单端输入 单端输出ui1或ui2 0 u0 u01Aud单 Aud 2 差动放大电路电压放大倍数只与输出形式有关 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 1 开环电压放大倍数Au 开环增益 在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数 Au越大 运算精度越高 2 最大输出电压UOM能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大电压 3 共模抑制比CMRR Aud Auc CMRR愈大 抑制能力愈强 8 3集成运算放大器的主要性能参数 4 电压传特性输差模输入电压与输出电压的关系曲线称为集成运放的传输特性 一 理想集成运算放大器理想参数 1 Au 2 ri 重要结论 1 v v 两输入端可近视为短路 称为 虚短 2 ii 0 两入端对外电路而言可近视为开路 称为 虚断 8 4信号的基本运算电路 二 基本运算电路 一 理想集成运算放大器 基本运算电路就是对输入信号进行比例 加 减 积分 微分运算 属于运算放大器的线性应用 因为Au较大 要保证集成运放工作在线性区 必须加负反馈 这时集成运放线性应用电路的共同特点 分析工作在线性区的集成运放的依据是 v v ii 0 二 基本运算电路 1反相输入 4积分与微分电路 2同相输入 3双端输入 1 反相比例运算根据运放线性区的重要结论有 i i ii if 0 ii ifv v 0v 端称为 虚地 反相比例运算电路图 1 反相输入 R2是一平衡电阻 R2 R1 RF 其作用是保证运放中差动放大电路结构的对称性 当RF R1时 uo ui Auf 1 则电路称为反相器 特点 存在 虚地 共摸输入分量近似为零 uo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 电路中引入了并联电压负反馈 例1 电路如图所示 试计算电压放大倍数Auf 解 v v 0ii 0 2 反相求和电路 ii1 ii2 ii3 if 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 a1x1 anxn an 0 2 同相输入 1 同相比例运算电路方法一 ii 0 有ii if v v ui v v ii 0 有 当R1 断开 或RF 0 短路 时 则Auf 1 uo ui 电路称为电压跟随器 平衡电阻R2 R1 RF 分压公式 v ui 方法二 v v ui 引入共摸输入信号 要求CMRR大 u0与ui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 电路中引入了串联电压负反馈 特点 2 同相求和电路 利用同相比例公式有 1 y a1x1 a2x2 anxn an 02 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 3 引入共摸输入分量 使同相求和电路的应用受到限制 特点 v v 3 双端输入运算电路 因运放工作在线性区 可用叠加原理求uo ui1单独作用时 ui2单独作用时 特点 当 R1 R2 R3 RF 或 输出为 当 RF R1时 得 uo ui2 ui1 1 y a1x1 a2x2 anxn an可正可负 2 若改变某一路的输入电阻 可能将影响输出表达式所有系数项 3 可能引入共摸输入分量 显然该电路是有反相求和电路和同相求和电路合并而成 令ui3 ui4 0 例3试求输出与输入关系 令ui1 ui1 0 两极反相求和电路实现代数求和 作业 8 3 8 5 8 4 1 积分电路 i1 if v v 0if ui R1 4 积分电路与微分电路 反相积分电路基本形式 若ui为图中所示电压 uc 0 0 则t 0 uo uoL 时 当uo uoL时 积分作用停止 例题电路 称为比例 积分调节器 解 由电路图可列出 例4 试求图中所示电路的uo与ui的关系式 根据运放工作在线性放大区时的公式