第八章 集成运算放大器.ppt

第8章集成运算放大器 IOP 模拟集成电路 8 1集成运算放大器简介8 2运放的线性应用电路8 3运放的非线性应用电路8 4使用中的一些问题 内容提要 运算放大器实质 高开环放大倍数并带有深度负反馈的直接耦合多级放大电路 一 方框图 8 1 1OP的组成 P2277 1 简单运算放大器 同相 反相 输入级的零点漂移小 具有较大的共模抑制比 输入阻抗高 一般为双入 双出差动放大电路 中间级将双出变为单出并进行电平转移使uo静态为0 具有很高的放大倍数 输出级采用OCL 无输出电容的互补功率输出 输出阻抗小 带负载能力强 二 符号 a b a 国家标准符号 b 原符号 v vP 同相输入端 v vN 反相输入端 vo 输出端 另外 正 负电源端 补偿端和调零端等 集成运放的符号和电压传输特性 在线性区域 线性区 非线性区 非线性区 两个工作区域 运放的电压传输特性 设 电源电压 VCC 10V 运放的AVO 104 Ui 1mV时 运放处于线性区 AVO越大 线性区越小 当AVO 时 线性区 0 AVO为开环放大倍数 理想运放工作在线性区的条件 电路中有负反馈 非线性区 正 负饱和输出状态 运放工作在非线性区的条件 电路中开环工作或引入正反馈 运放工作在非线性区的分析方法 虚断 三 型号命名数字序号 与世界上其它厂家同类型产品的序号相同 其它例如 集成功率放大器的型号命名CD 集成稳压器的型号命名CW CF741 目前 集成电路的命名国际上还没有一个统一的标准 各制造公司都有自己的一套命名方法 给我们识别集成电路带来很大的困难 但各制造公司对集成电路的命名存在一些规律 NationalSemiconductorCorp 国家半导体公司 AD A D转换器 DA D A转换器 CD CMOS数字电路 LF 线性场效应 LH 线性电路 混合 LM 线性电路 单块 LP 线性低功耗电路 LM324N3字头代表民品LM224N2字头代表工业级LM124J1字头代表军品LF356BI FET单运算放大器 运算放大器外形图 运算放大器外形图 F007 A741 电路原理图 F007 A741 电路中的放大电路部分 一 静态参数 1 输入失调电压Uio inputoffsetvoltage 对称性mV uV 2 输入失调电流Iio inputoffsetcurrent Iio I I uA pA 3 输入偏置电流IB inputbiascurrent Iio I I 2平均值nA 8 1 2主要参数 4 输入失调电压温漂dUio dT 5 输入失调电流温漂dIio dT 6 最大差模输入电压Uidmax超过反向击穿 7 最大共模输入电压Uicmax超过时差动对管饱和 放大器不能正常工作 P2297 1 4 二 动态技术指标 1 开环差模电压放大倍数Auo没有外接反馈电阻 即开环 时的电压放大倍数105 107 80dB 140dB 理想运算放大器是 2 差模输入电阻rid 4 共模抑制比KCMRR 3 差模输出电阻rod 5 转换速率SR SlewRate压摆率 反映对信号变化速度的适应能力 V s 简化的集成运放低频等效电路 一 通用型二 高速型和宽带型三 高精度 低漂移型 四 高输入阻抗型五 低功耗型六 功率型 运放分类简介 通用型 专用型 性能指标比较适中 某些技术指标比较突出 输入失调电压 1 2mV输入失调电流 20nA差模输入电阻 2M 开环增益 100dB共模抑制比 90dB输出电阻 75 共模输入电压范围 13V转换速率 0 5V s 一 通用型 技术指标比较适中 价格低廉 典型 CF741 A741 例如 CF2520 2525AD9620AD9618OP37CF357 二 高速型和宽带型 用于宽频带放大器 高速A D D A 高速数据采集测试系统等 带宽 开环增益下降到1时的频率 用于精密仪表放大器 精密测试系统 精密传感器信号变送器等 例如 OP177CF714 三 高精度 低漂移型 用于测量设备及采样保持电路中 例如 AD549CF155 255 355 四 高输入阻抗型 用于空间技术和生物科学研究中 工作于较低电压下 工作电流微弱 例如 OP22正常工作静态功耗可低至36 W OP290在 0 8V电压下工作 功耗为24 W CF7612在 5V电压下工作 功耗为50 W 五 低功耗型 这种运放的输出功率可达1W以上 输出电流可达几个安培以上 例如 LM12TP1465 六 功率型 1 Auo 实际上Auo 80dB即可 一 四个条件 2 差模输入电阻Rid 3 输出电阻Ro 0 8 1 3理想运放的条件与特性 4 KCMRR 理想运放符号 P2287 1 3 条件 线性运用 在深度负反馈下 二 线性与非线性应用时的两个特性 1 虚短 两输入端视为等电位 2 虚断 两输入端视为等效开路 差模输入电阻Rid 典型运放的电压传输特性1 uid mV uo V 2 2 4 4 5 5 10 UCC 10 UEE 负饱和 Uo sat 正饱和 Uo sat 线性工作区 典型运放的电压传输特性2 uid uid mV uo V 2 2 4 4 5 5 10 UCC 10 UEE 负饱和 Uo sat 正饱和 Uo sat 线性工作区 条件 非线性运用 无负反馈或正反馈下 1 工作在非线性区 输出电压只种状态 2 虚断 两输入端视为等效开路 差模输入电阻Rid 由于运放的开环放大倍数很大 输入电阻高 输出电阻小 在分析时常将其理想化 称其所谓的理想运放 理想运放的条件 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 运放工作在线性区的特点 8 2运放的线性应用电路 信号运算 理论上有无限的带负载能力 P2397 3 由运放为放大电路组成的运算电路均工作在线性工作区 并且输入 输出信号均以 地 为参考点 在运算电路中 以输入电压为自变量 以输出电压为函数 通过对输入端子及反馈电路的不同组合 实现各种数学运算功能 通过输出电压反映运算结果 这就是运算电路的基本思想 运算放大器 也因此得名 比例运算电路 微积分运算电路 微分运算电路积分运算电路 加减运算电路 其他运算电路 i1 iF uo RF R1 RP ui 1 放大倍数 虚短路 虚开路 一 反相比例运算电路 虚开路 运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断 2 电路的输入电阻 ri R1 RP R1 RF为使两输入端对地直流电阻相等 uo RF R1 RP ui 为保证一定的输入电阻 当放大倍数大时 需增大RF 4 共模电压 输入电阻小 共模电压为0以及 虚地 是反相输入的特点 3 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 电压并联负反馈电路 深度负反馈 电压负反馈 电压反馈与电流反馈的判断 一 电压并联 电压反馈与电流反馈的判断 二 电流并联 反馈网络的分析 电压并联 电流并联 电压串联 电流串联 反相比例电路的特点 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此对输入电流有一定的要求 u u 0 虚地 Auf Rf R1 T型反馈反相比例运算电路 R1 R ui i1 Rf1 Rf2 Rf3 If1 If2 If3 uO Rf1 Rf2 Rf3代替Rf 求Au i1 i2 虚短路 虚开路 为提高比例系数 采用T形网络反相比例运算电路 解 该放大电路 在放大倍数较大时 可避免使用大电阻 但R3的存在 削弱了负反馈 例 自举扩展输入电阻反相比例电路 求Ri 解 A1为一反相比例放大器 则 A2也为一反相比例放大器 则 有II IR1 IR 而 故 二 同相比例运算电路 u u ui 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短路 虚开路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 虚开路 同相比例电路的特点 3 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 代价 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 ri 对KCMRR的要求高 uIC ui u u uI 此电路是电压并联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 在电路中作用与分离元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 三 电压跟随器 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 电压串联负反馈电路 深度负反馈 电压负反馈 四 反相求和运算 加法电路 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 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻 不影响其它路输入电压和输出电压的比例关系 调节方便 五 同相求和运算 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 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 叠加 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 叠加定理求u R2 R3 R4 R1 Rf 若R2 R3 R4 则uO uI1 uI2 Rf 2R1 同相加法运算 续 六 单运放的加减运算电路 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 差动求和电路 解出 单运放的加减运算电路的特例 差动放大器 也可用叠加定理 减法运算实际是差分电路 差动放大器放大了两个信号的差 但是它的输入电阻不高 2R1 这是由于反相输入造成的 反相求和式减法电路 双运放 应用较为广泛 上图所示是用加法电路构成的减法电路 第一级为反相比例放大电路 若Rf1 R1 则vO1 vS1 第二级为反相加法电路 可以推导出 若取R2 Rf2 则vo vS1 vS2由于两个运放构成的电路均存在虚地 电路没有共模输入信号 故允许vS1 vS2的共模电压范围较大 P244 例7 3 1 运放电路 测量放大器 虚短路 虚开路 三运放电路是差动放大器 放大倍数可变 由于输入均在同相端 此电路的输入电阻高 例 由三运放放大器组成的温度测量电路 E 5V R R R Rt ui Rt 热敏电阻 集成化 仪表放大器 Rt f t 选择题1 反相比例运算电路中 运放的反相输入为 A 接地点B 虚地点C 与地点无关2 反相比例运算电路的输入电流基本上流过反馈电阻Rf上的电流 A 大于B 小于C 等于D 无关 3 运算电路的电压增益AVF为一Rf R1 反相比例B 同相比例C 加法D 减法 4 比例运算电路的特例是电压跟随器 它具有Ri很大和Ro很小的特点 常用作缓冲器 反相比例B 同相比例C 加法D 减法 5 电路如下图所示 设运放是理想的 当输入电压为 1V时 则VO V A 1B 2C 3D 4 电压跟随器 6 电路如下图所示 设运放是理想的 当输入电压为 2V时 则VO V A 4B 5C 7 5 vi 2V vi 7 电路如上题图所示 设运放是理想的 电阻RP的值应约为k A 1B 1 7C 10D 2 3 8 电路如下图所示 设运放是理想的 当输入电压为 1V时 则输出电压VO V A 1B 1C 2D 2 vi 0 5V 1V 1V 9 电路如下图所示 设运放是理想的 当输入电压为 1V时 则流过电阻Rf的电流If为mA A 0 5B 0 5C 0 25D 0 25 vi 答案 1 B2 C3 A4 B5 A6 B7 B8 D9 A 课堂练习 u u 0 ui 七 微分运算 输入方波 输出是三角波 八 积分运算 应用举例1 当uI UI时 设uC 0 0 时间常数 R1Cf 积分运算电路在不同输入情况下的波形 移相90 时间延迟 方波转换为三角波 同相积分运算电路图 C1 C2 C 推导过程 uN uP PID调节器电路图 比例 积分 微分调节器 常用于自动控制系统中做为一种经典的控制算法 在计算机控制系统中 需要将其进行离散化 在常规调节中 比例运算 积分运算常用来提高调节精度 而微分运算则用来加速过渡过程 例题 电路如图1所示 uc 0 0V 输出电压的最大值 UO sat 10V 输入信号的波形如图2所示 R 1M 试求 当C 1 F和C 0 05 F时的输出波形 ui R R C uo 图1 t s ui V 1 1 1 2 3 4 5 7 6 8 0 图2 解答 1 当C 1 F t s uo V 1 2 1 2 3 4 5 7 6 8 0 图3 解答 2 当C 0 05 F则RC 0 05s t s uo V 1 2 3 4 5 7 6 8 0 图4 10 10 例 电路如图 a 所示 若R1 1K R2 2K C 1 F ui1和ui2的波形如图 b 所示 在t 0时uC 0 试画出uo的波形图 解 利用叠加原理可得输出为 在0 t 2ms时 ui2 0 这时 在t 2ms时 在t 2ms时 ui2 2V 这时 所以 uo的波形如图 b 所示 电流 电压转换电路 是一种信号转换电路 在工业控制仪表中应用十分广泛 电流 电压转换电路 uo RF R2 u u 反相输入端是 虚地 电压 电流转换的基本原理电路 这里负载无接地点 实用的电压 电流转换电路 R1 R2 R3 R4 R 推导 A1是同相求和运算电路 A2是电压比较器 小结 1 运算电路的两种基本形式 同相输入 反相输入 2 运算电路的分析方法 运用 虚短 和 虚断 的概念分析电路中各电量间关系 运放在线性工作时 虚短 和 虚断 总是同时存在 虚地只存在于同相输入端接地的电路中 2 运用叠加定理解决多个输入端的问题 8 3 1比较器8 3 1 1概述8 3 1 2三种比较器8 3 1 3比较器的应用8 3 2非正弦波发生电路 运放非线性应用 开环或正反馈 8 3比较器和非正弦波发生电路 P2399 6 8 3 1比较器 将一个模拟电压信号与一个门限电压相比较 输出一定的高低电平 门限电压VT 使输出电压发生跳变时的输入电压 Threshold 阈值电压阀值电压 8 3 1 1概述 功能 特性 非线性开关特性 高低电平 1 电路 2 传输特性曲线 8 3 1 2三种比较器 分析方法 对于开环或正反馈运放 如果 端电位高 正饱和如果 端电位高 负饱和 一 单门限 固定幅度 限幅电路 P2409 6 2 电路图和传输特性曲线如图所示 a b a 电路图 b 传输特性曲线 3 特例 过零比较器 电压比较器的输出限幅电路 将稳压管接在反馈通路中 保护了输入级并且不需要从饱和区脱离的时间 一般单限比较器及其电压传输特性 设计一个简单的电压比较器 要求如下 UREF 2V 输出低电平约为 6V 输出高电平约为0 7V 当输入电压大于2V时 输出为低电平 解 因输入电压大于2V时 输出为低电平 故输入信号应加在反相输入端 同相输入端加2V的参考电压 又因输出低电平约为 6V 输出高电平约为0 7V 故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端 它的稳定电压为6V 当输出高电平时 稳压管作普通二极管使用 其导通电压约为0 7V 故输出电压为0 7V 当输出低电平时 稳压管稳定电压为6V 故输出电压为 6V 综上所述 满足设计要求的电路如下图所示 电路如下图所示 uo uI DZ UZ 6V UREF 2V P241 例9 7 例9 8 例题 电路如下图所示 uo1 R 1K C 1 F uo uI DZ 过零比较器 积分器 UZ 6V uC 0 0V 正弦信号 T 2msUim 1V 问题 1 电路由哪几部分组成 2 由uI画出uO1 uO的波形 3 计算uO的幅度 解答 1 电路过零比较器和积分器组成 2 由uI画出uO1 uO的波形 见下图 t s uO1 V 1 1 1 2 3 4 1 3 2 4 0 t ms 0 uI V 6V 6V uO V uO的幅度为6V 单门限电压比较器虽然有电路简单 灵敏度高等特点 但其抗干扰能力差 例如 在单门限电压比较器的下图中 当vI中含有噪声或干扰电压时 其输入和输出电压波形如图所示 由于在vI Vth VREF附近出现干扰 vO将时而为VOH 时而为VOL 导致比较器输出不稳定 如果用这个输出电压vO去控制电机 将出现频繁的起停现象 这种情况是不允许的 提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器 二 双门限 滞回 迟滞 比较器 上限阈值 下限阈值 传输特性 则 两门限 回差电压 电压串联正反馈 阈值随输出信号的大小与极性而变化 1 电路组成 迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器 图a所示为反相输入迟滞比较器原理电路 它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络 其传输特性如图b所示 如将vI与VREF位置互换 就可组成同相输入迟滞比较器 滞回比较器特点 uI从小逐渐增大 以及uI从大逐渐减小时 两种情况的门限电平是不同的 a b 2 门限电压的估算 由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态 因此一般情况下 输出电压vO与输入电压vI不成线性关系 只有在输出电压发生跳变瞬间 集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零 设运放是理想的并利用叠加原理 则有 上限阈值 下限阈值 回差电压 针对输入 针对输入 设电路参数如图a所示 Vom 5V Vom 5V 3 传输特性 分析过程 vI vO O VOM VOM VT VT 传输特性 滞回比较器波形图 可见 迟滞比较器的门限电压是随输出电压vo的变化而改变的 它的灵敏度低一些 但抗干扰能力却大大提高了 例 设电路参数如图a所示 输入信号vI的波形如图c所示 试画出其传输特性和输出电压vO的波形 VT VT R2 R1 R4 R3 A vi V vo V 解答 解 1 求门限电压由于Vref 0 根据求门限电压的公式有 2 画传输特性见图 b 3 画出vO的波形根据图b c可画出vO的波形 依此类推 可画出vO的波形 如图d所示 由图可知 虽然vI的波形很不 整齐 但得到的vO是一近似矩形波 因此 图a所示电路可用于波形整形 具有迟滞特性的比较器在控制系统 信号甄别和波形产生电路中应用较广 6V 同相输入时的滞回比较器 习题9 18 50K 100K 三 窗口比较器 1 电路 设R1 R2 则两门限 2 传输特性 用来检测输入电压是否在两个给定电压之间 8 3 1 3比较器的应用 主要用于 对输入波形进行整形 即将不规则的输入波形整形为方波输出 a 正弦波变换为矩形波 b 有干扰正弦波变换为方波用比较器实现波形变换 通过以上三种电压比较器的分析 可得如下结论 1 在电压比较器中 集成运放多工作在非线性区 输出电压只有高电平和低电平两种可能情况 2 一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系 3 电压传输特性的三个要素是 输出电压的高 低电平 阈值电压和 输出电压的跃变方向 输出电压的高 低电平的值取决于限幅电路 令u u 所求出的uI就是阈值电压 uI等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端 8 3 2 1方波发生电路8 3 2 2三角波发生电路 8 3 2非正弦波发生电路 8 3 2 1方波发生电路 一 构成要点 1 比较器能持续翻转 2 周期控制 RC定时电路 二 工作原理 设电源刚接通 t 0 时 动画14 1方波发生器波形图 三 占空比可调的矩形波电路 要点 应改变C的充 放电时间常数 C充电时 充电电流经电位器的上半部 二极管D1 Rf C放电时 放电电流经Rf 二极管D2 电位器