第9章集成运算放大器.ppt

第9章集成运算放大器 9 1集成运算放大器介绍9 2放大电路中的负反馈9 3集成运算放大器的应用 9 4集成运算放大器使用中应注意的问题 9 1集成运算放大器介绍 集成运算放大器 简称集成运放 是一种高电压放大倍数的直接祸合放大器 它工作在放大区时 输人和输出呈线性关系 所以它又被称为线性集成电路 理想的集成运算放大器应该具有电压增益高 输人电阻大 输出电阻小 工作点漂移小等特点 按照集成运算放大器的参数来分 集成运算放大器可分为如下几类 通用型运算放大器 高阻型运算放大器 低温漂型运算放大器 高速型运算放大器 低功耗型运算放大器 高压大功率型运算放大器 下一页 返回 9 1集成运算放大器介绍 9 1 1集成运算放大器的基本组成集成运算放大器电路形式多样 各具特色 但从电路的组成结构看一般是由输人级 中间级 输出级和电流源电路四部分组成 组成框图如图9 1所示 输人级 差动放大电路 输人阻抗高 减小零漂和抗干扰能力强 中间级 电压放大 且放大倍数高 共射极放大电路构成 输出级 互补对称射极输出器构成输出电阻小 带负载能力强 上一页 下一页 返回 9 1集成运算放大器介绍 电流源电路 为各级电路提供稳定 合适的偏置电流 由各种恒流源电路构成 集成运放的符号如图9 2所示 其中图9 2 a 为国际通用符号 图9 2 b 为我国标准符号 图9 3为国产通用型集成运放F007 A741 的外部引脚图 其中引脚定义如表9 1所示 9 1 2集成运算放大器的主要参数1 开环差模电压放大倍数Aod它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数 理想集成运放的开环电压放大倍数Aod为 上一页 下一页 返回 9 1集成运算放大器介绍 2 最大输出电压uop p它是指一定电压下 集成运放的最大不失真输出电压的峰 峰值 理想集成运放的最大输出电压Uop p可以为任意电压值 3 差模输入电阻 rid它的大小反映了集成运放输人端向差模输人信号源索取电流的大小 要求其值愈大愈好 理想集成运放的差模输人电阻rid为 4 输出电阻ro它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力要求其值愈小愈好理想集成运放的输出电阻ro为0 上一页 下一页 返回 9 1集成运算放大器介绍 5 共模抑制比KCMR它放映了集成运放对共模输人信号的抑制能力 其定义同差动放大电路 KCMR越大越好 理想集成运放的共模抑制比KCMR为 6 输入失调电压Uio理论上当Ui Ui 0时 输出电压Uo 0 而实际应用中却Uo 0 加入Ui 0 Ui 0或Ui 0 Ui 0使Uo 0 称Ui 0或Ui 0为补偿电压 即Uio 一般Uio为几个毫伏 其值愈小愈好 在实际应用中输入失调电压并不是直接在反相 同相 输入端上 而是通过一可调电位器加在调零输入端上 1 5脚 7 输入失调电流Iio用来表征输人级差分对管的电流不对称所造成的影响 其定义为当Ui 0 静态 时 Iio Ib1 Ib2 Iio一般为零点几微安 上一页 下一页 返回 9 1集成运算放大器介绍 8 输入偏置电流IiBIiB是衡量差分对管输人电流绝对值大小的标志 其定义为当Ui 0 静态 时 IiB一般为零点几微安 9 最大共模输入电压Uicm反相 同相输人端允许加的最大同极性电压 如果所加电压超过一定电压值 则集成运放的性能会有所下降 失去差模放大的作用 10 最大差模输入电压Uidm最大差模输人电压是指同相输人端和反相输人端之间所能承受的最大电压值 超过一定的电压范围会损坏器件 上一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 9 2 1反馈的基本概念1 反馈的概念前面各章讨论放大电路的输人信号与输出信号间的关系时 只涉及输人信号对输出信号的控制作用 这称做放大电路的正向传输作用 然而 放大电路的输出信号也可能对输人信号产生反作用 简单地说 这种反作用就叫做反馈 引入反馈的放大电路称为反馈放大电路 它由基本放大电路 反馈网络 输出取样 输人求和四部分组成一个闭合环路 称为反馈环路只有一个反馈环路组成的放大电路 称为单环反馈放大电路 如图9 4所示 其中 x1是输人信号 x0是输出信号 xF是反馈信号 xID是净输人信号 这些电量可以是电压 也可以是电流 下一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 2 反馈的分类 1 正反馈与负反馈由图9 4可以得知 反馈信号送回到输人回路与原输人信号共同作用后 对净输人信号的影响有两种结果 一种是使净输人信号比没有引人反馈时减弱了 称这种反馈为负反馈 另一种是使净输人信号比没有引人反馈时增强了 称这种反馈为正反馈 2 直流反馈与交流反馈在放大电路中既含有直流分量 也含有交流分量 因而有直流反馈与交流反馈之分 反馈信号中只含有直流分量的称为直流反馈 或者说存在于放大电路的直流通路中的反馈网络引人直流反馈 直流反馈影响电路的直流性能 如静态工作点 反馈信号中只含有交流分量的称为交流反馈 或者说存在于交流通路中的反馈网络引人交流反馈 交流反馈影响电路的交流性能 上一页 下一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 3 电压反馈与电流反馈在反馈放大电路中 反馈网络把输出电量输出电压或输出电流的一部分或全部取出来送回到输人回路 因此 在放大电路输出端的取样方式有两种 一种是电压取样 这时反馈信号是输出电压的一部分或全部 即反馈信号与输出电压成正比 称为电压反馈 如图9 5 a 所示 另一种是电流取样 这时反馈信号是输出电流的一部分或全部 即反馈信号与输出电流成正比 称为电流反馈 如图9 5 b 所示 4 串联反馈与并联反馈如果反馈信号在放大器输人端以电压形式出现 那么在输人端必定与输人电路相串联 这称为串联反馈 如果反馈信号以电流的形式出现 那么在输人端必定与输人电路相并联 这称为并联反馈 上一页 下一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 9 2 2负反馈的基本类型由于反馈网络在放大电路输出端有电压和电流两种取样方式 在放大电路输人端有串联和并联两种求和方式 因此可以构成四种组态 或称类型 的负反馈放大电路 即电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈和电流并联负反馈放大电路 如表9 2所示 9 2 3负反馈对放大电路性能的影响1 负反馈对放大倍数的影响 1 负反馈使放大倍数下降由放大倍数的一般表达式 可以看出引人负反馈后 放大倍数下降了 1 FA 倍 上一页 下一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 2 负反馈提高放大倍数的稳定性放大倍数的稳定性用相对变化量来表不 对上式求导 从上式可以看出放大倍数的稳定性也提高了 1 FA 倍 2 负反馈对输入电阻的影响它对输人电阻的影响 只取决于反馈电路在输人端的连接方式 即取决于是串联反馈还是并联反馈 1 串联反馈使输人电阻提高 即rif 1 FA ri 2 并联反馈使输人电阻下降 即rif ri 1 FA 上一页 下一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 3 负反馈对输出电阻的影响它对输出电阻的影响 只取决于反馈电路在输出端的取样方式 即取决于是电压反馈还是电流反馈 1 电压反馈使输出电阻降低 即rof ro 1 FA 2 电流反馈使输出电阻提高 即rof 1 FA ro4 负反馈对放大电路非线性失真的影响负反馈可以使放大电路的非线性失真减小 它还可以抑制放大电路自身产生的噪声 注 负反馈只能减小本级放大器自身产生的非线性失真和自身的噪声 对输人信号存在的非线性失真和噪声 负反馈是不能改变的 上一页 下一页 返回 9 2放大电路中的负反馈 5 负反馈对频带的影响引入负反馈后 放大电路上 下限频率改变的表达式为频带的变化表达式为即引人负反馈后 上限频率提高 1 FAm 倍 下限频率下降 1 FAm 倍 频带展宽 1 FAm 倍 上一页 返回 9 3集成运算放大器的应用 9 3 1理想集成运算放大器的基本特性1 理想运算放大器的特性开环电压放大倍数Auo 差模输入电阻rid 开环输出电阻ro 0共模抑制比KCMRR 理想集成运放的符号如图9 6所示 其传输特性为 下一页 返回 9 3集成运算放大器的应用 2 理想集成运放的线性特性为使集成运放具有线性工作特性 通常引人深度电压负反馈使得集成运放同相输人端与反相输人端之间的电压很小 基本工作在图9 7中虚线表不的线性区 对于理想集成运放则有两条重要的析分依据 1 差模输入电阻 2 开环电压放大倍数 上一页 下一页 返回 9 3集成运算放大器的应用 9 3 2集成运算放大器的线性应用1 加法运算加法运算电路如图9 8所示 上一页 下一页 返回 9 3集成运算放大器的应用 2 减法运算 差动运算 减法运算电路如图9 9所示 上一页 下一页 返回 9 3集成运算放大器的应用 9 3 3集成运算放大器的非线性应用1 电压比较器电压比较器如图9 10所示 2 过零比较器过零比较器如图9 11所示 上一页 返回 9 4集成运算放大器使用中应注意的问题 1 选用元件集成运放分为通用型 高速型 高阻型 低功耗型 大功率型 高精度型等 由实际要求选择一种运放 根据管脚图和符号图接外围电路 包括电源 偏置电阻 消振和调零电路等 2 消振集成运放的Auo很高 内部极间电容和外部干扰信号很容易使集成运放产生自激振荡 通常采用外接RC电路或电容器C消除自激振荡目前的集成运放内部已接有消振电路 下一页 返回 9 4集成运算放大器使用中应注意的问题 3 调零由于集成运算放大器内部参数不完全对称 当无输人信号却仍有输出信号时 必须接成闭环电路形式 调零分为 1 无输人信号调零 即将两个输人端接 地 调零 使uo 0 2 有输人信号时调零 即接有输人信号 计算输出信号 而后将实际值调整到计算值 4 保护 1 输人保护 防止共模或差模电压过高损坏输入级 2 输出保护 为防止输出电压过大 利用稳压管限制输出电压 3 电源保护 为防止正 负电源反接 利用