集成运算放大器

第13章集成运算放大器 集成运放的符号和主要参数集成运放的电压传输特性集成运放的线性应用电路及分析方法集成运放的非线性应用 学习要点 13 1集成运算放大电路概述13 2运算放大电路的比例运算电路13 3加减法运算电路13 4积分和微分电路13 5比例积分调节器 PI调节器 13 6电压比较器及应用 第13章集成运算放大器 13 1集成运算放大电路概述 一 集成电路简介 集成电路 IC 是20世纪60年代初期发展起来的一种新型电子器件 它是利用半导体工艺技术把整个电路的绝大部分元件以及相互之间的连线同时制作在一块半导体芯片上 再用塑料封装起来 特点 是体积小 重量轻 性能好 功耗低 可靠性高 分类 按功能分 数字集成电路和模拟集成电路 集成运算放大器属于模拟集成电路 按集成度分 为小规模 中规模 大规模 超大规模 甚大规模集成电路 按其封装方式分 扁平式 双列直插式 金属圆壳式 管脚排列规则 对于双列直插式封装 将器件正放 看顶部 将切口或圆形标记放在左边 由左下角开始按逆时钟方向排列序号 如图13 1所示 二 集成运算放大器 集成运放最初应用于模拟计算机中 用于实现各种数学运算 它是由直流放大电路和深度电压负反馈网络组成的 其实质是一种电压放大倍数高 输入电阻大和输出电阻很小的直接耦合多级放大电路 作为基本运算单元 可以完成比例 加法 减法 积分 微分等数学运算 目前 集成运放已作为电子线路的基本元件使用 广泛应用于测量 自动控制 信号变换等方面 集成运算放大器的组成 通常由差动放大电路构成 目的是为了减小放大电路的零点漂移 提高输入阻抗 通常由共发射极放大电路构成 目的是为了获得较高的电压放大倍数 通常由互补对称电路构成 目的是为了减小输出电阻 提高电路的带负载能力 一般由各种恒流源电路构成 作用是为上述各级电路提供稳定 合适的偏置电流 决定各级的静态工作点 集成运放的电路符号如图所示 它有两个输入端 标 的输入端称为同相输入端 输入信号由此端输入时 输出信号与输入信号相位相同 标 的输入端称为反相输入端 输入信号由此端输入时 输出信号与输入信号相位相反 电路符号 三 集成运算放大器的主要参数 1 开环电压放大倍数 差模电压放大倍数 Ad它是指运放在没有外接反馈的情况下 输入端加一个小信号 测得的电压放大倍数 它是决定运放精度的主要参数 其值越大 精度越高 F007开环电压放大倍数约为105倍 100dB 2 共模抑制比KCMRR表征的是运放对干扰信号的抑制能力 KCMRR越大 共模抑制性能真好 用差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac之比的绝对值来表示 若用分贝为单位 则表示为 F007的KCMRR约为80dB 3 开环输入电阻 差模输入电阻 rid指运放在开环时 输入电压的变化与由它引起的输入电流的变化之比 即从两个输入端看进去的动态电阻 rid越大 表明运放由差模信号源输入的电流就越小 精度超高 F007的约为1 2M 以场效应管为输入级的运放rid可达到106M 4 开环输出电阻ro指运放输出级的输出电阻 ro越小 运放带负载能力就会越强 F007的ro约为500 高质量的运放可小于100 5 输入失调电压UiO输入端的校正电压 UiO越小越好 一般在几毫伏数量级 6 最大输出电压UOPP在输出电压的失真不超过允许值时的最大输出电压幅度 一般用峰 峰值表示 如 F007的 四 集成运放的电压传输特性 运放的输出电压与输入电压之间的关系称为运放的电压传输特性 如图13 5所示是运放实际的同相电压 输入信号在同相端输入 ui u u 传输特性 有三个运行区 AB段为线性运行区 当运放工作在线性区时 有 uo Adui 其中 ui u u 在A B点的两侧为正 负饱和区 当运放工作在饱和区时 uo UOPP 若输入信号在反相端输入时 反相电压传输特性曲线在 象限 在实际的电路中 运放工作在哪个工作区 是由运放外接的反馈性质来决定的 一般来说 当引入深度电压负反馈时 运放工作在线性区 在开环或引入正反馈时 运放工作在饱和区 在电路中引深度电压负反馈 运放工作在线性工作状态 主要用于实现比例 加减 积分和微分等运算电路 为分析问题的方便 我们认为运放的参数是理想的 即理想运放 实践表明 运放理想化以后 对于实际电路并没有多大的影响 13 2运算放大器的比例运算电路 理想运放的主要特点是 1 开环电压放大倍数为无穷大 即Ad 2 差模输入电阻为无穷大 即rid 3 输出电阻为0 即ro 0 4 共模抑制比为无穷大 即KCMRR 一 理想运算放大器 对于工作在线性区的理想运放 可以有以下两个重要的结论 1 由于理想运放的Ad 而输出电压uo有限 由uo Ad u u 因而有 u u uo Ad 0即 u u 这说明理想运放两个输入端的电位相等 相当于短路 把理想运放的两个输入端电位相同的这种现象称为 虚短 2 由于理想运放的输入电阻rid 因此反相端和同相端的输入电流等于0 即i i 0 二 反相输入比例运算电路 二 同相输入比例运算电路 电压跟随器 一 减法运算电路 13 3加减法运算电路 二 加法运算电路 例 求图示电路中uo与ui1 ui2的关系 解 电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成 例 求图示电路中uo与ui的关系 13 4积分和微分电路 一 积分电路 ui为恒定电压和方波时积分电路uo的波形 二 微分运算电路 ui为方波时微分电路uo的波形 13 5比例积分调节器 一 PID调节器 在一个自动控制系统中 为了提高反馈系统的自动调节能力 保证系统精度 减小误差 往往需要增大系统的放大倍数 但是 放大倍数的增大将导致系统的稳定性变差 也不能保证最终消除误差 这时就要用到PID调节器 所谓的PID调节器实质上是对输入信号的比例 P 积分 I 微分 D 的运算能力的综合性装置 由比例 积分 微分运放电路组成 事实上 视系统所需达到的指标不同 PID可以分成若干子调节器 如 PI调节器 PD调节器等 一 PI调节器 由图可得 当给定输入电压为恒定 ui Ui 时 输出电压为 显然 第一项为比例调节 第二项为积分调节 设t 0 在输入端加入固定电压Ui时 由于电容电压不能跃变 Ui 0 只能有比例调节项起作用 此时 当t 0当时 电容开始充电 积分调节部分也开始起作用 随着时间的增长 输出电压作直线变化 由于运放的输出电压范围是有限的 当uo达到输出电压的最大值Uopp后便不再增加 如图中实线所示 其中 1 在t t1时 如果输入电压降为零 电容停止充电 电容端电压uc维持不变 因此 输出电压也就保持在uo uc t1 水平上 如图中虚线所示 2 在t t2时 如果输入信号反相 则电容将反向充电 使得输出电压uo逐渐减小 直到输入电压ui到t t3时刻变为零时 输出电压维持在uo uc t3 水平上不变 如图中点画线所示 13 6电压比较器及应用电路 一 单限电压比较器 运算放大器处在开环状态 由于电压放大倍数极高 因而输入端之间只要有微小电压 运算放大器便进入非线性工作区域 输出电压uo达到最大值UOM 基准电压UR 0时 输入电压ui与零电位比较 称为过零比较器 输出端接稳压管限幅 设稳压管的稳定电压为UZ 忽略正向导通电压 则ui UR时 稳压管正向导通 uo 0 ui UR时 稳压管反向击穿 uo UZ时 输出端接双向稳压管进行双向限幅 设稳压管的稳定电压为UZ 忽略正向导通电压 则ui UR时 稳压管正向导通 uo UZ ui UR时 稳压管反向击穿 uo UZ时 电压比较器广泛应用在模 数接口 电平检测及波形变换等领域 如图所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子 二 滞回电压比较器 上述单限比较器 它的优点是电路简单 缺点是抗干扰能力差 如果值恰好在阈值附近 而电路又存在干扰时 就会不断地发生跃变 从而失去稳定性 因而不能用于干扰严重的场合 为了克服单比较抗干扰能力差的缺点 可在电路中引入正反馈构成滞回比较器 如图所示 显然 同相输入电压 即阈值为 由于电路引入的正反馈 运放工作在非线性状态 稳态时uo可能是高电平UoH也可能是低电平UoL 所以便有相应的两个值 设输出电平为UoH 则对应的阈值电压为UT 当ui由负值连续向正值增大到等于UT 时 uo必将从UoH向下跃变为UoL 这时阈值电压立即变为UT 当ui由正值连续向负值减小到等于UT 时 uo必将从UoL