第一章-集成运放放大器基础.ppt

1 1集成运算放大器概述 最初应用于模拟计算机对模拟信号进行加 减 微分 积分等数学运算而得名 随着工艺水平和设计能力的提高 集成运放在性能和品种方面都得到迅速发展 已成为一种通用性很强的功能部件 广泛应用于信息处理 自动控制 测量仪器及其他电子设备等领域 第一章集成运算放大器基础 各类集成运放的性能特点 一 高精度型 性能特点 漂移和噪声很低 开环增益和共模抑制比很高 误差小 二 低功耗型 性能特点 静态功耗一般比通用型低1 2个数量级 不超过毫瓦级 要求电压很低 有较高的开环差模增益和共模抑制比 三 高阻型 性能特点 通常利用场效应管组成差分输入级 输入电阻高达1012 高阻型运放可用在测量放大器 采样 保持电路 带通滤波器 模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中 四 高速型 大信号工作状态下具有优良的频率特性 转换速率可达每微秒几十至几百伏 甚至高达1000V s 单位增益带宽可达10MHz 甚至几百兆欧 性能特点 常用在A D和D A转换器 有源滤波器 高速采样 保持电路 模拟乘法器和精度比较器等电路中 五 高压型 性能特点 输出电压动态范围大 电源电压高 功耗大 六 大功率型 性能特点 可提供较高的输出电压较大的输出电流 负载上可得到较大的输出功率 1 2集成运放的主要技术指标 集成运算放大器的符号 一 开环差模电压增益Aod 一般用对数表示 定义为 单位 分贝 理想情况Aod为无穷大 实际情况Aod为100 140dB 运算放大器的符号 二 输入失调电压UIO 三 输入失调电压温漂 UIO 定义 为了使输出电压为零 在输入端所需要加的补偿电压 一般运放 UIO为1 10mV 高质量运放 UIO为1mV以下 定义 一般运放为每度10 20 V 高质量运放低于每度0 5 V以下 四 输入失调电流IIO 五 输入失调电流温漂 IIO 当输出电压等于零时 两个输入端偏置电流之差 即 定义 一般运放为几十 一百纳安 高质量的低于1nA 定义 一般运放为每度几纳安 高质量的每度几十皮安 六 输入偏置电流IIB 七 差模输入电阻rid 八 共模抑制比KCMR 定义 输出电压等于零时 两个输入端偏置电流的平均值 定义 一般集成运放为几兆欧 定义 多数集成运放在80dB以上 高质量的可达160dB 九 最大共模输入电压UIcm 输入端所能承受的最大共模电压 十 最大差模输入电压UIdm 反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压 十一 3dB带宽fH 表示Aod下降3dB时的频率 一般集成运放fH只有几赫至几千赫 十二 单位增益带宽BWG Aod降至0dB时的频率 此时开环差模电压放大倍数等于1 十三 转换速率SR 额定负载条件下 输入一个大幅度的阶跃信号时 输出电压的最大变化率 单位为V s 在实际工作中 输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值 其他技术指标还有 最大输出电压 静态功耗及输出电阻等 理想运算放大器 理想运放的技术指标 开环差模电压增益Aod 输出电阻ro 0 共模抑制比KCMR 差模输入电阻rid UIO 0 IIO 0 UIO IIO 0 输入偏置电流IIB 0 3dB带宽fH 等等 1 3集成运放的工作特点 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 理想运放工作在线性区特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 即 虚短 集成运放的电压和电流 一是一个有源器件 二具有两种工作状态 2 理想运放的输入电流等于零 由于rid 两个输入端均没有电流 即 虚断 理想运放工作在非线性区时的特点 传输特性 UOPP UOPP 集成运放的传输特性 理想运放工作在非线性区特点 当u u 时 uO UOPP当u u 时 uO UOPP 1 uO的值只有两种可能 在非线性区内 u u 可能很大 即u u 虚地 不存在 2 理想运放的输入电流等于零 虚断 实际运放Aod 当u 与u 差值比较小时 仍有Aod u u UOPP 运放工作在线性区 例如 F007的Uopp 14V Aod 2 105 线性区内输入电压范围 但线性区范围很小 集成运放的传输特性 集成运放使用中的几个具体问题 集成运放参数的测试 使用中可能出现的异常现象 1 不能调零 调零电位器故障 电路接线有误或有虚焊 反馈极性接错或负反馈开环 集成运放内部损坏 重新接通即可恢复为输入信号过大而造成 堵塞 现象 2 漂移现象严重 存在虚焊点 运放产生自激振荡或受强电磁场干扰 集成运放靠近发热元件 输入回路二极管受光照射 调零电位器滑动端接触不良 集成运放本身损坏或质量不合格 3 产生自激振荡 按规定部位和参数接入校正网络 防止反馈极性接错 避免负反馈过强 合理安排接线 防止杂散电容过大 集成运放的保护 1 输入保护 a 反相输入保护 b 同相输入保护 输入保护 2 电源极性错接保护 保护元件 VD1 VD2 3 输出端错接保护 保护元件 稳压管VDZ1 VDZ2 利用稳压管保护运放 电源接错保护 R2 R1 RF 由于 虚断 i 0 i 0 由于 虚短 u u 0 虚地 由iI iF 得 反相比例运算电路 由于反相输入端 虚地 电路的输入电阻为 Rif R1 当R1 RF时 Auf 1 单位增益倒相器 电路为电压并联负反馈 1 4集成运放的基本应用 同相比例运算电路 R2 R1 RF 根据 虚短 和 虚断 的特点 可知 i i 0 又u u u 得 由于该电路为电压串联负反馈 所以输入电阻很高 输出电阻很低 当RF 0或R1 时 Auf 1 电压跟随器 差动比例运算电路 差动比例运算电路 在理想条件下 由于 虚断 i i 0 由于 虚短 u u 所以 电压放大倍数 差模输入电阻 Rif 2R1 三种比例运算电路之比较 比例电路应用实例 两个放大级 结构对称的A1 A2组成第一级 互相抵消漂移和失调 A3组成差分放大级 将差分输入转换为单端输出 当加入差模信号uI时 若R2 R3 则R1的中点为交流地电位 A1 A2的工作情况将如下页图中所示 三运放数据放大器原理图 由同相比例运放的电压放大倍数公式 得 则 同理 所以 则第一级电压放大倍数为 改变R1 即可调节放大倍数 R1开路时 得到单位增益 A3为差分比例放大电路 当R4 R5 R6 R7时 得第二级的电压放大倍数为 所以总的电压放大倍数为 求和电路 求和电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果 反相输入求和电路 由于 虚断 i 0 所以 i1 i2 i3 iF 又因 虚地 u 0 所以 当R1 R2 R3 R时 同相输入求和电路 由于 虚断 i 0 所以 解得 其中 积分和微分电路 积分电路 由于 虚地 u 0 故 uO uC 由于 虚断 iI iC 故 uI iIR iCR 得 RC 积分时间常数 积分电路的输入 输出波形 一 输入电压为矩形波 t0 t1 UI 当t t0时 uI 0 uO 0 当t0 t t1时 uI UI 常数 当t t1时 uI 0 uo保持t t1时的输出电压值不变 即输出电压随时间而向负方向直线增长 二 输入电压为正弦波 可见 输出电压的相位比输入电压的相位领先90 因此 此时积分电路的作用是移相 微分电路 基本微分电路 由于 虚断 i 0 故 iC iR 又由于 虚地 u u 0 故 可见 输出电压正比于输入电压对时间的微分 微分电路的作用 实现波形变换 对数和指数运算电路 一 对数运算电路 由二极管方程知 当uD UT时 或 利用 虚地 原理 可得 用三极管代替二极管可获得较大的工作范围 1 采用二极管和三极管的对数运算电路 二 指数运算电路 当uI 0时 根据集成运放反相输入端 虚地 及 虚断 的特点 可得 所以 可见 输出电压正比于输入电压的指数 1 基本电路 利用对数和指数电路实现的乘除电路 乘法电路的输出电压正比于其两个输入电压的乘积 即 uo uI1uI2 求对数 得 再求指数 得 所以利用对数电路 求和电路和指数电路 可得乘法电路的方块图 对数电路 对数电路 uI1 uI2 lnuI1 lnuI2 求和电路 lnuI1 lnuI2 指数电路 uO uI1uI2 同理 除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相除所得的商 即 求对数 得 再求指数 得 所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即可得到除法电路的方块图 对数电路 对数电路 uI1 uI2 lnuI1 lnuI2 减法电路 lnuI1 lnuI2 指数电路 模拟乘法器及其在运算电路中的应用 模拟乘法器可用来实现乘 除 乘方和开方运算电路在电子系统之中用于进行模拟信号的处理 模拟乘法器简介 输出电压正比于两个输入电压之积 uo KuI1uI2 比例系数K为正值 同相乘法器 比例系数K为负值 反相乘法器 模拟乘法器有单象限 两象限和四象限 变跨导式模拟乘法器的原理 一 恒流源式差动放大电路 当IEQ较小 电路参数对称时 所以 结论 输出电压正比于输入电压uI1与恒流源电流I的乘积 输出电压为 设想 使恒流源电流I与另一个输入电压uI2成正比 则uO正比于uI1与uI2的乘积 当uI2 uBE3时 二 可控恒流源差分放大电路的乘法特性 uI1可正可负 但uI2必须大于零 故右图为两象限模拟乘法器 模拟乘法器在运算电路中的应用 一 乘方运算电路 利用反函数型运算电路的基本原理 将模拟乘法器放在集成运放的反馈通路中 便可构成除法运算电路 因为i1 i2 所以 则 二 除法运算电路 除法运算电路 三 开方运算电路 利用乘方运算电路作为集成运放的反馈通路 就可构成开方运算电路 防止闭锁的平方根电路 I U变换 变换 当时 有 电平移位电路 峰值检波 精密半波整流 非正弦波发生电路 矩形波发生电路 一 电路组成 RC充放电回路 滞回比较器 滞回比较器 集成运放 R1 R2 充放电回路 R C 钳位电路 VDZ R3 二 工作原理 设t 0时 uC 0 uO UZ 则 u u 当u uC u 时 t1 t2 则 当u uC u 时 输出又一次跳变 uO UZ 输出跳变 uO UZ 三 振荡周期 电容的充放电规律 对于放电 解得 结论 改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻 即可改变振荡周期 矩形波的幅度与R1 R2和UZ有关 四 占空比可调的矩形波发生电路 使电容的充 放电时间常数不同且可调 即可使矩形波发生器的占空比可调 充电时间T1 放电时间T2 占空比D 一 电路组成 三角波发生电路 二 工作原理 当u u 0时 滞回比较器的输出发生跳变 A1滞回比较器A2反向积分电路 设t 0时 uO1 UZuC 0 三 输出幅度和振荡周期 解得三角波的输出幅度 当u u 0时 uO1跳变为 UZ uO达到最大值Uom 振荡周期 锯齿波发生电路 一 电路组成 二 输出幅度和振荡周期 在三角波的基础上 将积分电容的充电 放电时间常数变为相差悬殊则可 电压比较器 电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较 输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 比较器中的集成运放一般工作在非线性区 处于开环状态或引入正反馈 分类 过零比较器 单限比较器 滞回比较器及双限比较器 附 理想运放的非线性工作区 UOPP UOPP 集成运放的电压传输特性 理想运放工作在非线性区特点 当u u 时 uO UOPP当u u 时 uO UOPP 1 uO的值只有两种可能 在非线性区内 u u 可能很大 即u u 虚地 不存在 2 理想运放的输入电流等于零 过零比较器 简单的过零比较器 由于理想运放的开环差模增益为无穷大 所以 当uI 0时 uO UOPP 当uI 0时 uO UOPP 过零比较器的传输特性为 UOPP为集成运放的最大输出电压 阈值电压 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压 利用稳压管限幅的过零比较器 一 设任何一个稳压管被反向击穿时 两个稳压管两端总的的稳定电压为UZ UOpp UZ UZ 当uI0时 右边的稳压管被反向击穿 uO UZ 利用稳压管限幅的过零比较器 二 电路图 传输特性 问题 如将输入信号加在 端 传输特性如何 单限比较器 单限比较器有一个门限电平 当输入电压等于此门限电平时 输出端的状态立即发生跳变 当输入电压uI变化 使反相输入端的电位为零时 输出端的状态将发生跳变 UZ UZ 过零比较器是门限电平为零的单限比较器 如何求门限电平 门限电平为 单限比较器的作用 检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平 缺点 抗干扰能力差 解决办法 采用具有滞回传输特性的比较器 滞回比较器 UREF为参考电压 输出电压uO为 UZ或 UZ uI为输入电压 当u u 时 输出电压的状态发生跳变 比较器有两个不同的门限电平 故传输特性呈滞回形状 UT UT 滞回比较器 若uO UZ 当uI逐渐减小时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 回差 门限宽度 UT 若uO UZ 当uI逐渐增大时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 作用 产生矩形波 三角波和锯齿波 或用于波形变换 抗干扰能力强 双限比较器 参考电压UREF1 UREF2