数控专业课件 第六章集成运算放大电路

第六章集成运算放大电路 运算放大器是目前应用最广泛的集成放大器 早期用于模拟计算机 对信号进行模拟计算 并由此而得名 随着微电子技术的发展和运算放大器价格的降低 现已作为一种通用的高性能放大器件来使用 在各种放大器 比较器 振荡器 信号运算电路中得到了广泛应用 集成运放的基本单元电路 集成运放介绍 集成运放的应用 本章小结 第一节集成运放的基本单元电路一 集成运放的电路构成集成运放的常见封装外形有双列直插式和圆壳式等 集成运放的内部电路组成如右下图所示 包括输入级 中间级 输出级和辅助电路等部分 集成运放的常见封装外形集成运放的组成框图 二 电流源1 单三极管电流源单三极管电流源电路如图所示 当温度升高时 放大器静态电流IC增大 在RC上的压降也增加 而V3管的基极电压是由Rbl与Rb2分压提供的一个基本稳定的电压 因而管子V3的发射结电压VBE将随着RC上压降的增大而减小 使三极管V3的基极电流IB减小 从而抑制了放大器静态电流的增大 使输出电流IC近似不变单三极管电流源电路 2 镜像电流源镜像电流源如图所示 V1管与V2管的参数完全相同 故IC1 IC2 因IB很小 可忽略 所以V2管的集电极电流IC2 即电流源输出电流 近似等于基准电流IREF 当R确定后 基准电流IREF就确定了 电流源输出电流IC2也随之稳定 可把IC2看作是IREF的镜像 所以该电路称为镜像电流源 镜像电流源电路电流源作为有源负载3 电流源作为有源负载由于电流源具有直流电阻小 而交流电阻很大的特点 在集成电路内部的放大器广泛使用电流源作为负载 称为有源负载 三 差分放大电路差分放大电路由于它在解决零点漂移方面有突出的优点 因而成为集成运放的主要单元 1 零点漂移现象零点漂移是指将直流放大器输入端对地短路 使之处于静态状态时 在输出仍然会出现不规则变化的电压 造成零漂的原因是电源电压的波动和三极管参数随温度的变化 其中温度变化是产生零漂的最主要原因 零点漂移的检测输出电压漂移曲线 2 基本差分放大器 1 电路结构基本差分放大电路是由两个完全对称的单管放大器组成的 左右两个三极管的特性及相对应的电阻参数完全一致 2 抑制零漂原理差分放大电路因左右两个放大电路完全对称 因此具有零输入时零输出的特点 当温度变化时 两管的输出变化 即每管的零漂 相同 从而有效地抑制了零点漂移 基本差分放大电路 3 差模输人输入信号vI被Rl R2分压为大小相等 极性相反的一对输入信号分别输入到两管的基极 称为差模信号 差分放大器的差模放大倍数为上式表明 基本差分放大器的AVD和单个管放大电路的放大倍数AV是相等的 用多一倍的元件的代价换来了对零点漂移的抑制能力 4 共模输入在两个输入端加上一对大小相等 极性相同的信号vI1 vI2 vI 称为共模信号 这种输入方式称为共模输入 对于完全对称的差分放大器 输出电压vO vO1 vO2 0 共模电压放大倍数为 共模放大倍数AVC愈小 则表明抑制零漂能力愈强 差分放大器常用共模抑制比KCMR来衡量放大器对有用信号的放大能力及对无用漂移信号的抑制能力 其定义是 3 典型差分放大器基本差分放大器是借助电路的对称性来抑制零漂 单管输出信号时 仍然存在零点漂移的问题 为了克服以上缺点 差分放大器通常采用如图所示的典型电路 增加了调零电位器RP和负电源VEE 1 调零电位器RP当输入信号vI 0时 输出电压不为零 这时可调节RP 使电路达到对称 使vo 0 2 发射极电阻Re其作用是引入共模负反馈 典型差分放大器 4 具有恒流源的差分放大器在差分放大电路中 射极电阻Re越大 抑制零漂的效果越好 但Re过大 必然要相对提高负电源的电压VEE 因此最好的办法是用一个恒流源来代替Re 如图所示 V3 R1 R2 R3构成恒流源 恒流管的直流压降小 无需提高负电源VEE电压值 当温度升高时 管子IC1和IC2增加 流过R3的IE3也随着增加 使V3管的发射极电位VE3提高 由于VB3不变 则VBE3下降 IC3下降 从而阻止了IC1 IC2随温度升高而增大 起到抑制零漂的作用 具有恒流源的差动放大器 5 差分放大器的几种输入 输出方式双端输入 双端输出差分放大器双端输入 单端输出差分放大器单端输入 双端输出差分放大器单端输入 单端输出差分放大器 第二节集成运放介绍一 集成运放符号与引脚功能集成运放是目前最通用的模拟集成器件 可以将它看成是一个高电压放大倍数 低零漂的双端输入单端输出式差分放大器 其符号如左下图所示 CF741集成运放的引脚功能见右下图 集成运放的电路符号 CF741引脚功能 二 集成运放的种类与主要参数1 集成运放的种类 1 通用型用于无特殊要求的电路之中 2 低功耗型具有静态功耗低 工作电流电压低等特点 适用于能源有严格限制的情况 3 高精度型在温度变化时其漂移电压很小 能保证运算放大器组成的电路对微弱信号检测的准确性 4 高阻型具有高输入电阻的运放 适用于测量放大电路 信号发生器电路或取样 保持电路 LM324是四运放集成电路 2 主要参数 1 开环电压放大倍数AVD指集成运放无外加反馈回路时 输出信号电压与输入差模电压之比 它体现运放器件的放大能力 2 差模输入电阻rid是指集成运放的两个输入端之间的交流电阻 rid大的集成运放性能好 3 开环输出电阻rod指集成运放无外加反馈回路时的输出电阻 4 共模抑制比KCMR用来综合衡量集成运放的放大和抗零漂 抗共模干扰的能力 5 输入失调电压VIO在输入信号为零时 为使输出电压也为零 在输入端所加的补偿电压值 它反映差分放大部分参数的不对称程度 VIO越小越好 6 输出峰一峰电压VOPP指放大器在空载情况下 最大不失真输出电压的峰一峰值 7 静态功耗PD集成运放在输入端短路 输出端开路时所消耗的功率 8 开环带宽BW与放大器的幅频特性的频带宽度相类似 指下限频率与上限频率之间的频率范围 第三节集成运算放大器的运用一 集成运放的理想特性开环电压放大倍数AVD 输入电阻rid 输出电阻rod 0 频带宽度BW 1 同相输入端的电位等于反相输入端的电位vI vI 当有一个输入端接地时 另一个输入端非常接近地电位 称为 虚地 2 输入电流等于零理想集成运放的输入电阻rid 因此输入端不取用电流 即iI iI 0 理想运放等效电路 二 集成运算放大器的三种输入形式1 反相放大器输入信号vI从运算放大器的反相输入端加入 就构成反相放大器 R1为输入耦合电阻 Rf为反馈电阻 R2为平衡电阻 取值R2 Rl Rf 反相电路的放大倍数为反相电路的输出电压为 反相放大器 2 同相放大器输入信号vI从运算放大器的同相输入端加入 就构成同相放人器 输入电压vI通过电阻R2接到同相输入端 在输出端与反相输入端之间接有反馈电阻Rf 为使输入端保持平衡 R2 R1 Rf 同相放大器的电压放大倍数为同相放大器的输出电压为 同相放大器 3 差分放大器输入信号vI1通过R1加到反相输入端 另一输入信vI2则通过R2加到同相输入端 Rf为反馈电阻 R3为平衡电阻 当R1 R2 且Rf R3时 差分放大器的电压放大倍数为 差分放大器的输出电压为 差分放大器 不能调零电路没有加入外接反馈电阻Rf 可能产生该故障 若电路已接入合适的反馈电阻Rf 还出现不能调零问题 其原因可能是接线错误 电路虚焊或集成运放损坏 堵塞 现象切断电源后再重新通电 或把集成运放的两个输入端短路一下 这样电路就能恢复到正常 产生 自激 加强对正 负电源的滤波 调整电路板的布线结构 避免电路接线过长 用 工 程 应 根据集成运放的理想特性有iI 0 所以集成运放的反相输入端为虚地点 故有当R1 R2 R3 Rf时 有 二 信号运算电路 1 加法运算电路 加法器 通常又称为加法器 其电路实际上是在反相放大器的基础上增加几路输入信号源 图中的R1 R2 R3为输入耦合电阻 R4为平衡电阻 R4 R1 R2 R3 Rf 加法运算电路 输出电压vo为各输入信号电压之和 式中的负号表示输出电压与输入电压相位相反 根据集成运放的理想特性有iI 0 所以集成运放的反相输入端为虚地点 故有当R1 R2 R3 Rf时 有 二 信号运算电路 1 加法运算电路 加法器 通常又称为加法器 其电路实际上是在反相放大器的基础上增加几路输入信号源 图中的R1 R2 R3为输入耦合电阻 R4为平衡电阻 R4 R1 R2 R3 Rf 加法运算电路 输出电压vo为各输入信号电压之和 式中的负号表示输出电压与输入电压相位相反 3 反相器反相器的功能是将输入信号倒相后输出 vo vI反相器电路原理图反相器图形符号4 电压跟随器电压跟随器的输出电压等于输入电压 vo vI 同相器电路原理图 本章小结1 集成运算放大器是一种高电压放大倍数的多级直接耦合集成放大电路 内部主要由差分式输入级 中间级 互补对称式输出级及辅助电路所组成 2 恒流源电路和差分放大器是集成运放的基本单元电路 恒流源电路的直流压降小 交流阻抗大 可以构成偏置电路或作为有