【重庆大学电工学】第5章集成运算放大器

第5章集成运算放大器及其应用本章讲授学时 6学时 集成运算放大器简介 集成运算放大器概述集成运算放大器的组成集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的特点理想集成运算放大器 集成运算放大器概述 集成运放实质上是一种双端输入 单端输出的具有高电压放大倍数 高输入阻抗 低输出阻抗的直接耦合放大器 它在发展初期主要用来实现模拟运算功能 后来 集成运放已成为象晶体管一样的通用增益器件 广泛用于模拟电子线路的各个领域 集成电路外形 2 反相输入端 6 输出端 3 同相输入端 4 正电源端 7 负电源端 8 闲置端 NC 1 5 接调零电位器 运放举例 LM741 集成运算放大器的电路构成 集成运算放大器的输入级都采用差动放大电路 中间级一般都是共发射极电压放大电路 输出级则由对称互补的功率放大器和射极输出器组成 集成运算放大器的主要参数 1 开环差模电压放大倍数Auo Auo是决定运放电路稳定性个运算精度的重要因素 希望Auo越大越好 2 最大输出电压UoPP 在一定电源电压下 集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的峰值称为最大输出电压 其值比电源电压小 如电源电压为15V 该值为10V左右 3 最大差模输入电压Uidmax Uidmax是指集成运放的反向输入端和同向输入端之间所能承受的最大电压 4 最大共模输入电压Uicmax Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压 超过这个值 集成运放的共模抑制比将明显下降 甚至造成器件损坏 5 差模输入电阻rid rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值 rid越大越好 它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小 6 输出电阻ro ro是指集成运放输出级的输出电阻 它反应了运放的带负载能力 7 共模抑制比KCMRR KCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值 用来衡量输入级各参数的对称程度 KCMMR越大 运放的共模抑制能力越强 集成运算放大器的特点 为满足运算精度的要求 理想集成运算放大器的开环电压放大倍数的数值很大 零点漂移小 差模输入电阻很高 一般在105 1011范围 如果用MOS集成电路 输入级的输入电阻高达1011以上 输出电阻很低 一般输出级都采用互补对称电路作为输出级 所以 输出电阻一般在几十欧到几百欧 理想集成运算放大器 理想集成运放的电路模型 理想集成运放及其分析依据 1 开环电压放大倍数 2 差模输入电阻 3 开环输出电阻 4 共模抑制比 理想集成运放的传输特性是指表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线 如右图 理想集成运放的传输特性 实际特性 理想特性 传输特性的特点 传输特性可分为线性区和非线性区 所以 运算放大器可工作在线性区也可工作在非线性区 但是 其分析方法不一样 线性区 非线性区 非线性区 当理想运放工作在线性区时 1 理想运放的两个输入端的电位相等 虚短 2 理想运放的两个输入端的输入电流为零 虚断 虚短 虚断 虚短 线性区 uo Auo u u rid 故两输入端的输入电流为零 Auo uo为有限值故u u uo Auo 0即u u 分析依据 当有信号输入时 如同相端接地 即u 0则u 0 当理想运放工作在非线性区时 1 理想运放的两个输入端的输入电流为零 虚断 2 输出电压有两种取值可能 当 只是两种状态的转换点 式中 Uo sat 为正饱和值 Uo sat 为负饱和值 集成运放的应用 概述运放在信号运算方面的应用运放在信号处理方面的应用运放应用中的反馈集成运放的使用 运放能完成信号的代数运算有 比例 加减 积分与微分等简单运算 还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算 它们都是线性范围内的运算 都适用叠加原理 在讨论运放的运算功能之前 要弄清几个问题 如何保证运放工作在线性区 我们知道 Auo 即当输入差模信号极小时 如毫伏级以下的信号 也足以使运放饱和 我们还知道 负反馈能减小放大倍数 且反馈愈深作用愈明显 加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能 所以 解决之道是 在电路中引入深度负反馈 概述 下面的问题是从输出端将反馈引到同相端还是反相端 引回到反相端 答案是 运放在信号运算方面的应用 比例运算加法运算减法运算积分运算微分运算 比例运算 反向输入 反向比例运算 因为输入信号从反向输入端输入 所以 称为反向输入 Rf 反馈电阻R2 平衡电阻用于消除静态基极电流对输出电压的影响R2 R1 Rf 反向输入 反向比例运算 当R1 Rf时 说明 1 式中的负号表示输出与输入反相 因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器 反馈类型 深度并联电压负反馈 2 如R1和RF的阻值足够精确 而运放的开环放大倍数很高 就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值 而与运放本身的参数无关 因此 保证了比例运算的精度和稳定性 深度负反馈 比例运算 同向输入 同向比例运算 因为输入信号从同向输入端输入时 称为同向输入 电压跟随电路 电压跟随器 加法运算 在反相端输入若干路信号 构成反相加法运算电路 由此得 减法运算 当运放的两个输入端都加入信号时称为差动输入 如图 积分运算 如果将反馈电阻换成电容 则比例运算电路就变成了积分电路 如图 负号表示输出与输入反向 当ui为阶跃信号时 最后达到负的饱和值 微分运算 微分运算是积分运算的逆运算 所以 如果将输入电阻换成电容 则比例运算电路就变成了微分电路 当ui为阶跃信号时 uo为尖脉冲电压 输出电压与输入电压的一次微分成正比 运放除了能完成信号的运算 还能完成信号滤波 采样保持及比较等处理工作 电压比较器有源滤波器 运放在信号处理方面的应用 电压比较器 该电路是对输入电压ui进行比较和鉴别的电路 是集成运放的非线性应用的基本电路 集成运放工作在开环状态 工作原理 1 UR为参考电压 加在同相输入端 输入电压ui加在反向输入端 3 其电压传输特性如图所示 2 当uiUR时 输出电压uo U sat 如果输入信号是正弦信号 调节UR的大小 可以改变输出波形正负半周的宽度 如果UR 0 则构成过零比较器 过零比较器 如果想限制输出电压的大小 可以在输出端接双向稳压管 过零滞回比较器 在许多应用电路中 要求电压比较器的传输特性具有滞回特性 这样 在输入信号为变化缓慢的信号或信号幅值较小时 可以消除由于干扰在输出电压中可能出现的颤动现象 传输特性 电路的构 电路特点 1 输出端至反向输入端之间没有反馈通路 所以属于开环应用 输出电压必为高低两种电平 2 R2和Rf组成正反馈电路 只是为了加快电压比较器状态的翻转过程 使电压传输特性变的更陡 工作过程分析 可见 输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化 所以叫过零滞回比较器 有源滤波器 滤波器是一种选频电路 选出有用信号 而抑制无用信号 使一定频率范围内的信号能顺利通过 衰减小 而在此频率范围以外的信号不易通过 衰减大 按选择频率范围的不同 滤波器可分为低通 高通 带通和带阻等 将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器 因运放是有源器件 性能会得到较大的改善 体积小 效率高 频率特性好等 在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波器 有源低通滤波器 电路的组成 工作原理 称为截止角频率 称为电路的频率特性 频率特性可分为幅频特性和相频特性如下 画出其幅频特性为 有源高通滤波器 工作原理 称为截止角频率 称为电路的频率特性 频率特性可分为幅频特性和相频特性如下 画出其幅频特性为 运放应用中的反馈 在集成运放的线性应用中 必须加入深度负反馈才能使电路稳定运行 而且 输入与输出间的关系与运放电路本身的参数无关 所以 各种反馈都有 电压并联负反馈 电压串联负反馈 电流并联负反馈 电流串联负反馈 输出电流与输出电压和负载电阻无关 所以是电流反馈 结论 1 反馈电路