第五章 集成运放.ppt

第5章集成运算放大电路 5 1集成运算放大器简介5 2集成运算放大器的线性应用5 3集成运算放大器的非线性应用5 4集成运算放大器应用实例5 5使用集成运算放大器应注意的问题 1 集成电路 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上 高增益的直接耦合的集成的多级放大器 集成电路的优点 工作稳定 使用方便 体积小 重量轻 功耗小 集成电路的分类 模拟集成电路 数字集成电路 小 中 大 超大规模集成电路 5 1集成运算放大器简介 一集成运算放大器芯片 1概念 2 圆壳式双列直插式扁平式单列直插式菱形式 集成电路的封装形式 封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳 3 1 电路元件制作在一个芯片上 元器件精度低 但具有良好的一致性和同向偏差 有利于实现需要对称结构的电路 采用直接耦合 差分放大电路 2 在集成电路中 制造三极管 NPN 比制造大电阻和二极管方便 大电阻用恒流源代替或外接 二极管一般用三极管的发射结构成 3 几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成 大电容要外接 4 电感不能集成 如需电感 也只能外接 集成电路结构特点 集成电路的芯片面积小 集成度高 所以功耗很小 在毫瓦以下 4 2 集成运放的原理电路 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路 它的方框图如图所示 输入级要使用高性能的差分放大电路 它必须对共模信号有很强的抑制力 而且采用双端输入双端输出的形式 偏置电流源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 互补输出级由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 中间放大级要提供高的电压增益 以保证运放的运算精度 中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器 5 第4级 互补对称射极跟随器 第3级 单管放大器 极性判断 集成运放内部结构 举例 6 Ri大 几十k 几百k 运放的特点 KCMR很大 Ro小 几十 几百 Aod很大 104 107 运放符号 差模开环放大倍数 7 3 集成运算放大器芯片简介 1 外形与符号 运算放大器外形图 a b a 国家标准符号 b 原符号 8 2 LM324简介 LM324是TTL电路的一个典型产品 属于通用型集成运放 具有较宽的电压范围 既可采用双电源供电 也可采用单电源供电 9 1 开环差模电压放大倍数Aod 开环状态 输出不接负载时的差模放大倍数 一般在105 108 5 100 170dB 之间 理想运放Aod为 2 共模抑制比KCMR 其典型值在80dB以上 性能好的高达180dB 3 差模输入电阻Rid 4 输出电阻Ro Ro 几十 几百 二集成运放的主要参数 双极型管Ri 1M 场效应管可达100M 以上 KCMR 20lg Aod Aoc dB 10 5 输入失调电压UIO及其温漂dUIO dT UIO是使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压 uI 0时 输出电压折合到输入端电压的负值 UIO uo Aod dUIO dT是UIO温度系数 是衡量运放温漂的重要参数 其值愈小 温漂愈小 UIO愈小愈好 一般为 1 10 mV 表征运放内部电路对称性的指标 NEXT 11 六 输入失调电流IIO及其温漂dIIO dT IIO IBP IBN 反映输入级差放管输入电流的不对称程度 一般为1nA 0 1 A 七 输入偏置电流IIB 集成运放输入电压为0时 两输入端静态电流的平均值 一般为10nA 1 A 含义 IIB小 输入阻抗高 零漂小 12 八 最大共模输入电压UIcmax 输入级正常工作允许的最大共模输入电压 共模电压超过此值时 输入差分对管出现饱和 KCMR显著下降 放大器失去共模抑制能力 九 最大差模输入电压UIdmax 指运放同相端和反相端之间所能承受的最大电压值 超过后 可能会使输入级的管子反向击穿 13 三理想运放及其重要结论 线性放大区 A B ui在AB之间 工作在线性工作区 ui在AB之外 工作在非线性工作区 1电压传输特性及工作模式 14 4 输入失调电压和输入失调电流为零 2集成运放理想化的条件 1 开环电压放大倍数Kd 2 输入阻抗ri 3 输出阻抗ro 0 15 3理想运放的两个重要结论 1 虚短 因为Ad 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 imaginaryground 因为ri 所以Ii u u ri 0 2 虚断 即从输入端流入或流出的电流为零 好像输入端与运放器件断开一样 但实际上不是断开 所以称虚断 16 5 2集成运算放大器的线性应用 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 1 反相输入比例运算电路 一三种基本运算电路 17 因Ii 0 故i1 if 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 18 1 输出电压与输入电压成比例关系 比例系数为RF R1 当RF R1时 uo ui 构成反相器 结论 2 比例系数的大小仅与运放外电路参数RF与R1的取值有关 19 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 实现输出电压uo与输入电压ui之间的同相比例运算 2 同相输入比例运算电路 20 因Ii 0 故i1 if 因此 又因ui 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 21 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 例 22 右图是基本的差分放大器 信号电压同时从双端输入 根据理想运放条件 得 3 差动输入比例运算电路 当R1 R2 R3 RF时 R1 R2 R3 RF 则uo ui1 ui2 23 二 算数求和运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 1 反相求和运算电路 24 特点 调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系 当R11 R12 R时 25 2 同相求和运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 26 此电路如果以u 为输入 则输出为 u 与ui1和ui2的关系如何 注意 同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响 不能单独调整 流入运放输入端的电流为0 虚开路 27 左图也是同相求和运算电路 如何求同相输入端的电位 提示 1 虚开路 流入同相端的电流为0 2 节点电位法求u 28 本章小结 1 运算放大器都使用差动放大器作为输入级 2 电流源电路是构成运放的基本单