第2章.集成运算放大器

1,2.1集成运算放大器,第2章运算放大器,2.2理想运算放大器,2.3基本线性运放电路,2.4同相输入和反相输入电路的其他应用,2,2.1集成运放概述,集成电路把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有某种特定功能的电子电路。,体积小，重量轻，成本低，可靠性高，组装和调试的难度小。,1.集成电路的主要特点,1.典型结构,3,2.集成电路的分类,(1)按功能分,a.模拟集成电路,b.数字集成电路,主要用于放大和变换连续变化的电压和电流信号。,主要用于处理离散的、断续的电压和电流信号。,数字集成电路种类多，形式较为简单，通用性强。,4,(2)按集成度分,a.小规模集成电路（SSIsmallscaleintegrationcircuit)。,b.中规模集成电路（MSImiddlescaleintegrationcircuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在100个以下。,集成度：一块芯片上包含的元器件在1001,000之间。,5,c.大规模集成电路（LSIlargescaleintegrationcircuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在1,000100,000之间。,d.超大规模集成电路（VLSIverylargescaleIntegrationcircuit),集成度：一块芯片上包含的元器件在100,000以上。,6,e.目前的集成电路,(a)已经可以在一片硅片上集成几千万只，甚至上亿只晶体管。,(b)集成电路的性能（高速度和低功耗等）也迅速提高。,(c)集成度大约每3年增加一倍。,(d)出现了系统级芯片（SOCsystemonchip）。,(e)集成电路逐步向集成系统（integratedsystem）的方向发展。,7,(3)按制造工艺分,a.半导体集成电路,b.薄膜集成电路,集成电路的元器件和电路由不到1mm厚的金属半导体或金属氧化物重叠而成。,c.厚膜集成电路,厚膜集成电路与薄膜集成电路基本相同，膜的厚度约几微米到几十微米。,8,3.模拟集成电路的分类,(1)线性集成电路,输出信号与输入信号呈线性关系。,(2)非线性集成电路,线性集成电路有：集成振荡器、混频器、检波器、集成开关稳压电源等。,线性集成电路有：集成运算放大器、集成音频功率放大器、集成高频、中频放大器等。,输出信号与输入信号呈非线性关系。,9,4.集成运算放大器概述,(1)集成运算放大器简称集成运放,b.信号处理。,(2)集成运算放大器的主要应用,a.完成比例、求和、积分、微分、对数、反对数、乘法等数字运算。,c.波形产生。,d.信号测量。,10,(3)集成运放发展的三个阶段,a.通用型集成运放的广泛使用。,b.专用集成运放的出现。如高速型、高输入电阻型、高压型、大功率型，低漂移型和低功耗型等。,c.开发更高性能指标的产品，进一步提高集成度。,11,(5)是线性集成电路中发展最早、应用最广、最为庞大的一族成员。,(3)输出电阻小，几百欧以下。,(4)通用型和灵活性强、成本低、用途广、互换性好。,5.集成运放的主要特点,(1)电压放大倍数高，103105倍。,(2)输入电阻大，几十千欧到几兆欧。,12,(1)相邻元器件的特性一致性好。,(2)用有源器件代替无源器件。,(3)二极管大多由三极管构成。,(4)只能制作小容量的电容，难以制造电感和较大容量的电容(C2000pF)。,(5)电路采用直接耦合的方式。,2.1.1集成电路中元器件的特点,13,2.1.2集成运放的典型结构,1.典型结构,14,(1)偏置电路,2.各部分的作用,具有与输出同相和反相的两个输入端，较高的输入电阻和抑制干扰及零漂的能力。,为各级电路提供稳定合适的偏置电流，并使整个运放的静态工作点稳定且功耗较小。,(2)输入级,15,为负载提供足够的电压和电流，具有很小的输出电阻和较大的动态范围。,主要进行电压放大，具有很高的电压增益。,(3)中间级,(4)输出级,16,(1)开环电压放大倍数Avo,第一叫开环电压放大倍数。运算放大器由于是多级放大电路组成，他主要放大的是差模信号，也就是说开环电压放大倍数主要是差模信号的放大倍数，而这个放大倍数很大，一般在105107之间。如果要将他理想化，理想运放的Avo为。,3.主要参数,每一个元件都应该有参数，就像一个电阻它有多少欧姆？它能流过多大的电流，它的功率是四分之一瓦的还是二分之一瓦的，还是一瓦的。电阻有参数，运算放大器也是一个元件，当然也要有参数。,17,(2)共模抑制比KCMMR,运算放大器既然是多级放大电路，那么由于内部结构的存在，共模抑制比不是无穷大，他对共模信号也有放大作用，但是他对共模信号的放大倍数很小，共模抑制比很大，常用分贝作单位，一般100dB以上。理想的情况下，我们也认为他是无穷大.,18,(a)是国家标准规定的符号,(b)是国内外常用的符号,运放既然是个器件，当然有符号，下面是运算放大器的符号，里面画个三角，表示这是运算放大器；,有反向输入端、同相输入端、还有输出端，同相输入端和输出端是相位相同，所以都写了一个加号（），反向输入端和输出端相位相反，写了一个减号（），Avo表示他的放大倍数；有时候在一些工程类的书上，也看到右边的符号，一个大的三角，输出vo,负的（v)反向输入端，正的(v+)同相输入端.,4.集成运算放大器的电路符号,19,20,5.运算放大器的电路模型,21,通过测试得到，他的输入和输出满足这么一个曲线的关系，这个关系曲线叫做传输特性曲线，这个曲线分为两个区，横坐标是vi，纵坐标是vo。,线性放大区,这是一个运算放大器，他的输入和输出到底有什么样的关系呢？,22,注意vi是什么？vi是同相输入端减去反向输入端，就是差模信号。,vivPvN,23,如果vi很小的化，由于放大倍数很大，vo和vi是什么关系？线性关系，在这里把这各区域叫做线性区，当vi达到一定值的时候，输出就饱和了，把这各区域叫做饱和区。,线性放大区,24,饱和的电压是什么？饱和的电压就是电源电压;为什么会饱和？因为电压大到一定值的时候，放大倍数很大，输出不会在随着输入再继续增加，就达到了正负饱和电压，+VOM和-VOM,在这里称作正负饱和电压.,饱和区,25,旁边两个区叫做饱和区，中间这个去叫做线性区.正负饱和电压能达到什么值？肯定不会超过电源电压，输出的正负饱和电压最大等于电源电压.这个特性曲线是传输特性曲线，传输的是vi与vo之间的关系。,线性放大区,饱和区,26,这么两个区就使得运放具有不同的作用，运放工作在线性区有线性区的作用；工作在饱和区有饱和区的作用；线性区是指的输出是随着输入的变化而变化;饱和区是指的输入信号达到一定值以后输出电压饱和在某个值上；这就是我们说的传输特性曲线，传输特性曲线是指的vo与vi之间的关系。,27,电路模型中的输出电压不可能超越正负电源电压值：,设：,线性区,28,Avo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若VOM=12V，Avo=106，则|vi|12V时，运放处于线性区,否则就处于饱和区。,线性放大区,饱和区,解：,29,例：电路如图所示，运放的开环电压增益输入电阻，电源电压（1）试求当时输入电压的最小幅值（2）输入电流画出传输特性曲线。说明运放的两个区域。,30,解：（1）输入电压的最小幅值,当,时，,（2）输入电流,画传输特性曲线,连接a、b两点得ab线段，其斜率,时，,电路工作在线性区；,，则运放进入非线性区。,运放得电压传输特性如图所示,31,32,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,33,2.2理想运算放大器,运算放大器在工程上应用是非常广的，就是应为他有各种各样的特性，可以完成各种各样的功能。这些功能是在测试系统中不可缺少的功能，所以他的应用非常广，我们分为几类去进行介绍运算放大器的应用。运算放大器既然是运算，他可以完成加减乘除运算，乘除都是通过加减来的，还可以完成对数和反对数的运算，还可以完成积分和微分运算，我们只介绍加减，比例放大，还有微分和积分运算等,34,如果运放用于信号运算，我们主要是指的运放工作在线性区，利用虚拟短路和虚拟断路的分析依据，这两条一定要记住。如何让他工作在线性区，加入负反馈，他的应用范围一个就是信号运算，一个还可以作为滤波器。,35,1.输出电压的饱和极限等于运放的电源电压，即和2.运放的开环电压增益很高，以至差分输入电压的值尽管很小，仍可驱使运放进入饱和区。即，若则将趋于正饱和极限即，若则将趋于负饱和极限3.若未达到饱和极限，则差分输入电压必趋近于0值。当处于与之间，则运放必将工作在线性区。,非线性区限幅区,36,4.内部的输入电阻的阻值很高，因而可近似认为无限大；由此可以假定，流入或流出同相和反相端的电流为零。5.内部的输出电阻的阻值很低乃至可近似认为它为零。,37,将上述近似理想的运放的性能参数理想化，便可得到如图所示的理想运放的电路模型。,它表示输入电阻是开路的，即输出端的电阻输出电压,38,运放工作在线性区的特点,理想运放的条件,虚短路,虚开路,放大倍数与负载无关，可以分开分析,运放线性应用,信号的放大、运算,有源滤波电路,39,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻髙，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其为理想运放。,40,前面讲了一下理想运算放大器的一些特点，在分析电路的时候我们可以用两个重要的特点：一个是虚断（虚假的开路）;一个是虚短（虚假的短路）。利用理想放大器的特性，分析一下各种运算放大器构成的比例运算电路。,2.3基本线性运放电路,41,什么是比例运算电路？所谓比例运算电路是将信号按比例进行放大；例如：输入信号是5V，按2倍的比例进行放大，输出就是10V，这就是同相的比例放大；如果是负2倍的放大，输出就是负10V，这就叫做反相比例放大；比例运算电路分为两类：同相比例放大、反相比例放大。比例运算电路需要引入负反馈，他主要引入的是电压负反馈，引入的负反馈还是深度负反馈，如果是深度负反馈和开环的放大倍数无关，只和反馈系数有关。,42,比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,43,2.3.1同相运算放大器1.基本电路,(+),同相放大电路,vo通过电阻R2有反馈，它接到运放的反向输入端，这是一个负反馈，既然是负反馈，就满足虚短和虚断。,输入是从同相端输入,如果是负反馈，那么v+=v-=？输入的电流为零，Rp上没有电流，那么：v+=vi，这叫虚短路，v+=v-=vi，这叫虚短路。,44,(+),同相放大电路,虚短,输入信号,看里面的值是正值，那么vo和vi的相位应该是相同的。,再看反相输入端，反相输入端参考两个电流，这两个电流应该相等.,这时候vo和vi的关系是：,则：,45,2.负反馈的基本概念,此时引入的反馈是负反馈。负反馈的的作用是利用输出电压通过反馈元件对放大电路起自动调整作用，从而牵制了的变化，最后达到输出稳定平衡。,46,3.虚假短路,在同相放大电路中，加到两输入端的电压大小接近相等，相位相同是它在闭环工作状态下的重要特征。,47,(+),同相放大电路,反馈电压,虚短,48,4.几项技术指标的近似计算,(1)电压增益,只取决于,49,(2)输入电阻,50,(2)输出电阻,信号源置零,51,5.电压跟随器,vo和vi之间的关系：这里用一根反馈线作为反馈网络;什么反馈？负反馈.既然是负反馈，vp=vn，vp=vn=vi，vo=vi;这里输入和输出是相同的，这是同相比例运放的一个特例，这种电路的特性比较稳定.,52,53,如将电压跟随器接在髙内阻的信号源与负载之间。,该电路几乎不从信号源吸取电流，,因此，当负载变化时，输出电压几乎不变，从而消除了负载变化对输出电压的影响,54,例如：当具有内阻为的信号源直接驱动的负载时，如图所示。它的输出电压为,55,2.3.2反相放大电路,1.基本电路,反相比例放大电路引入的是什么样的负反馈？,R2是一个反馈网络；它直接取到的是输出端，就是电压负反馈；R2又和输入端接的是同一跟线，这是并联负反馈；电压并联负反馈电路。,56,下面计算vo和vi的关系我们要用到虚拟短路和虚拟断路，还要用到基尔霍夫定律.,虚断是指的输入运放的电流为零；反向输入端有一个电流ii，同相输入端也有一个电流ii，既然输入的电流为零，同相输入的电阻RP流过的电流应该是零。RP两端等电位点，RP左端的电位是零，RP右边也应等于零，同相输入端的电位也就是零。,v+=v-0，这是虚短,57,根据虚断ii=0vn=0根据虚短Vp=0,电压增益：,58,由理想运放组成的放大器的放大倍数和理想运放本身的放大倍数有关系吗？没有关系。和它外加的器件有关系，完全由外部电路器件决定它的放大倍数。这是一个反向输入，当然这是一个反向比例放大。,59,2.几项技术指标的近似计算,（1）电压增益,虚短路,60,2.几项技术指标的近似计算,（2）输入电阻和输出电阻,由于电压负反馈得作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,61,RP=R1/R2,在反相比例放大电路的RP称作平衡电阻，主要是保证输入的对称性，这个电阻如何的取值？,62,反馈方式,这是一个电压并联负反馈,既然是电压并联负反馈，输出电阻很小！,输出电阻小指的就是带负载的能力强!,63,例2.3.2,将如图所示电路中的电阻用T形网络代替，如图所示。（1）求电路的电压增益表达式,（2）该电路作为话筒的前置放大电路，若选当时，当时，计算的值；（3）直接用代替T形网络的电阻时，当时，求的值.,64,解：(1)利用虚短,利用虚断,M,列出节点n和M的电流方程,即,得：,65,得：,因此闭环增益,（2）当,可利用调节的值来改变电压增益的大小。,66,求差电路的输入信号从反向输入端、同相输入端都有接入，此时vo完成的是这两个输入的比例放大以后再进行相减。,2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用,2.4.1求差电路,到底是哪个减哪个呢？按照前面学到的应该清楚，是同相输入端的减去反向输入端的，这里同样有负反馈，既然有负反馈，就有虚拟开路，虚拟短路。,67,2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用,下图所示电路是用来实现两个电压相减的求差电路，又称差分放大电路。,68,它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放条件下,节点n和p的电流方程为：,即：,即：,69,得：,即得输出电压与输入电压之差成比例，实现求差功能。,电压增益,改变R4和R1，输出就是vi2减去vi1的比例放大.,70,例：一个5v的电压，加到vi2上，有一个3v的电压，加到vi1上，如果想得到一个4v的电压，该如何做？,解：R4作为R1的2倍就可以了。合理的设置R4和R1就可以了。,71,例2.4.1高输入电阻得差分放大电路如图所示，求输出电压的表达式，并说明该电路得特点。,解：该电路第一级为同相输入放大电路，它的输出电压为,72,第二级为差分放大电路，可利用叠加原理求输出电压,为反相输入放大电路，输出电压,73,为同相输入放大电路，输出电压,同相放大器的增益为：,74,2.4.2仪用放大器（数据放大器）,用于传感器取出信号送入放大器进行信号放大。,75,所以的中心点一定接到地端。,76,77,根据求差公式,78,因运放的两输入端形成虚短和虚断,79,显然调节R1可以改变放大器的增益，产品数据放大器，如AD624D等，R1由引线连出，同时有一组R1接成分压器形式，可选择连线接成多种的R1阻值。反扑归真,80,运算放大器可以作为加法运算的一个加法器来使用，他可以将若干个信号进行叠加，求和，或者这些信号成比例的增加。他的类型主要有两个，一个是反向求和，另一个是同向求和。,2.4.3求和电路,作用：将若干个输入信号之和按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,81,1、反相求和运算,在反相运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路。此时两个输入信号电压产生的电流都流向R3，所以输出是两输入信号的比例和。,反相求和电路,反相求和运算是指的输入的电压从反向输入端进来，这里vi1和vi2都是从反向输入端进来的，有没有负反馈呢？R2为反馈网络，这里是电压负反馈，反馈网络通过R2反馈到反相输入端。输入信号是两个信号vi1和vi2。,82,下面看输出vo和vi1和vi2是什么关系？这里面引入了负反馈，就可以用到虚短路和虚开路;因为存在负反馈，虚短路就可以用了，vp=vn，虚开路是指的流入运放的电流ii为零.,83,或,若：,根据基尔霍夫电流定律求出,运算放大器的反向输入端的电流为零，流入节点的电流等于流出节点的电流，现在我们就可以把输入电压和输出电压带入上式进行求解，,这是一个反向加法器，如果vi1是正的，vi2是正的，vo就是一个负的电压，,84,如果：vi1=3v，vi2=5v，vo=？此时：vo=-8v；如果想得到16v的电压，R3=？R1=？R2？；此时R3=2R1=2R2，vo=-16v,反向加法器。如果有一个正的电压想得到一个负的电压，就可以让信号加到运放的反向输入端，只要调节电阻，就可以方便的得到想要的输出电压，只要把电阻的参数以调节就可以。,例如：,85,所谓同相求和是指vi1和vi2都加到同相输入端；反馈网络是Rf，负反馈。同样满足虚短路和虚开路，现在还有一点要求，这里为例达到输入的平衡，要求,2、同相求和运算,就是反向输入端接的这些电阻的并联等于同相端这些电阻的并联，就是为了使输入的平衡.,86,下面就求vo和vi1和vi2之间的关系,因运放具有虚断的特性，对运放同相输入端的电位用叠加原理求得。,注意：这时候运放的反相输入端是零吗？反相输入端虽然接了电阻R，但是这个电阻上面有电流，那么反向输入端就不为零，反向输入端电位不为零，同相输入端电位也不为零。,87,那么vn是什么？vn是vo在Rf和R1相串连在R1上的分压，因为运放反向输入端的电流为零，根据虚开路，Rf和R1就是一种串联的关系，那么vo和vnvp之间就存在这么一个关系:,首先知道vo和vn之间是什么关系？也就是要找到vo和vp之间的关系，因为,88,此电路如果以vp为输入，则输出为：,vp与vi1和vi2的关系如何？,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,我们利用中间变量vp，求vo与输入信号vi1和vi2之间的关系.,89,用叠加原理求同相端的输入电压,令,90,令,91,92,令,93,令,如果,如果vi1是正的，vi2也是正的，vo同样也是正的，这就是同相加法器，如果要都得到和输入一样的一个正电压，就可以用同相加法器.,94,2.4.4积分电路和微分电路,1.积分电路,什么是积分？如果有一个阶跃信号，积分以后变成有斜率的线性信号.积分运算所完成的功能可以实现一个波形的变换。,95,2.4.4积分电路,首先看反馈网络是不是负反馈？在这里注意：前面介绍的反馈网络是电阻反馈网络，这里是电容反馈网络，电容也是反馈网络，连接的是vo与vn。负反馈满足虚短和虚断。,我们分析积分运算vo与vi之间是什么关系？,96,我们做的方法和前面一样，运算的方法都一致。,RC时间常数,等式两边积分,97,输入阶跃电压,输出电压,随时间线性下降,运放的最大输出电压,输出饱和,98,输入电压,输出电压,99,当输入信号为如图(a)所示的阶跃直流电压时，在它的作用下，电容器将以近似值恒流方式进行充电，输出电压与时间成近似线性关系如图(b)所示,积分时间常数,当,时,运放输出电压的最