第7章集成电路运算放大器及应用

1,第7章集成电路运算放大器及应用,基本要求：理解差动放大电路的工作原理；掌握运算放大器的分析方法。,2,7.1差动放大电路,集成电路运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。当多级直接耦合放大电路的输入端短路(ui0)，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。抑制零点漂移有效的措施之一是采用差动放大电路。,3,一.基本差动放大电路,图中所示是一个基本差动放大电路，又称为长尾式差动放大电路，其结构特点是：对称，即Rs1=Rs2=Rs，Rc1=Rc2=Rc，1=2=，UBEl=UBE2=UBE两个输入端ui1和ui2两个输出端uo1和uo2,4,1.静态分析(ui1=ui2=0),对称IC1=IC2=IC，IB1=IB2=IB，IE1=IE2=IE/2，UC1=UC2=UC对输入电路RsIB+UBE+2ReIE1=UEE有,UE=2IE1Re-UEE2ICRe-UEE,IBIC/UC=UCCRcICuO=UC1-UC2=0,5,抑制零点漂移的作用,1）电路的对称性有效抑制了零点漂移；2）RE引入的电流负反馈，稳定电路工作点，抑制单个管子的零点漂移。3）电源（-UEE）的作用是：a）对三极管T1、T2提供基极电流；b）补偿IE在RE上产生的直流压降，使UE=0，则UCE=UC，输出电压有较大的变化范围。,6,2.动态分析,1）输入信号分类差动放大电路的输入信号可以分为两种类型：共模信号和差模信号。当两个输入端的信号为ui1-ui2uid/2时，输入方式称为差模输入。uidui1-ui2称为差模信号。当两个输入信号为ui1ui2uic，uic称为共模信号，其输入方式称为共模输入。uic的作用与温度影响相似，所以常常用对共模信号的抑制能力来反映电路对零漂的抑制能力。当两个任意的输入信号电压ui1和ui2可以分解为差模信号和共模信号，即uidui1-ui2uic=(ui1+ui2)/2ui1uic+uid/2ui2=uic-uid/2,7,2）主要技术指标的计算(1)共模电压放大倍数,双端输入、双端输出若电路的完全对称有，uic=ui1=ui2ue=ieRe=2Reie1uoc=0Auc=uoc/uic=0共模电压放大倍数越小，说明放大电路的性能越好。,共模输入信号时的信号通路,8,(2)差模电压放大倍数,双端输入、双端输出ui1=-ui2，ie1=-ie2，ie=0差模信号对Re不起作用，Re可视为短路，差模电压放大倍数与单边放大电路的电压放大倍数相同。Aud=uo/uid=(uo1-uo2)/uid=uo1/ui1=-Rc/(Rs+rbe)当集电极c1、c2间接入负载电阻RL时，电压放大倍为Aud=-RL/(Rs+rbe)RL=Rc/（RL/2）,差模信号通路,9,双端输入、单端输出,uo1=uo/2(同相),或uo2=-uo/2(反相)单端输出电压放大倍数只有双端输出时的一半。Aud1=uo1/uid=Aud/2=-Aud2=-Rc/2(Rs+rbe)若从集电极c1或c2点与地之间接入负载电阻RL时Aud1=-Aud2=-RL/2(Rs+rbe)RL=Rc/RL,差模信号通路,10,单端输入(设ui2=0),uid=ui1-ui2=ui1uic=(ui1+ui2)/2=ui1/2一方面：若电路完全对称，ui1=uic+uid/2uid/2ui2=uic-uid/2-uid/2单端输入可等效为双端输入。另方面：若满足Rerbeie=ue/Re0，则，uid近似地均分在两管的输入回路上。结论：差模电压放大倍数仅与输出形式有关，双端输出，电压放大倍数Aud与单边放大电路相同；单端输出，Aud1=-Aud2=Aud/2，而输入电阻都是相同的。,差模信号通路,11,(3)共模抑制比KCMR,为了衡量差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来，其定义为KCMR=|Aud/Auc|或KCMR=20lg|Aud/Auc|dB若差动放大电路完全对称，双端输出时，KCMR=|Aud/Auc|,12,7.2集成运算放大器,一.集成运算放大器组成,13,二.集成运算放大器的主要参数,1开环差模电压放大倍数Aod是指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压放大倍数。2最大输出电压Uop-p最大输出电压是指在额定的电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰一峰值。用集成运放的传输特性曲线表示Uop-p的影响。3最大差模输入电压Uidmax所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。4最大共模输入电压Uicmax这是指运放所能承受的最大共模输入电压。,14,三.集成运算放大器的低频等效电路,1.低频等效电路集成运放作为完整的独立器件，只画出三个信号端，即2个输入端，1个输出端。因为输入ui1与输出uo反相，所以称u-端为反相输入端。而输入ui2与电压uo同相，所以称u+端为同相输入端。ui称为净输入电压，ii称为净输入电流。,15,2.集成运算放大器的理想模型,理想运算放大器的特点是：开环电压放大倍数为无穷大Au；输入电阻为无穷大ri；输出电阻为零ro=0，共模抑制比无穷大KCMR；。3.线性应用的两个重要概念由于uo有限，如果Au，则ui=u+u-0；两输入端的电位相等，好象短接了一样，这一概念称之为“虚短”。即u+u-由于ui=0，而ri，故净输入电流ii0，输入端好象断开了一样，但又不是真正的断开，这一概念称之为“虚断”。即ii0,16,7.4集成电路运算放大器的应用,“虚短”和“虚断”的概念是分析集成运算放大器线性应用的理论根据。一.比例运算电路对输入信号实现比例运算的电路称比例运算电路。根据输入信号端钮不同，比例运算电路可分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。1.反相比例运算电路,反相比例运算电路图,ii=ii-if0,ii=ifu+=u0，u-端称为“虚地”。,rif=ui/ii=R1r0=0,17,反相比例运算电路的特点：,存在“虚地”，共摸输入分量近似为零。u0与ui成比例关系,相位相反,比值是RF/R1与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。可以进行y=ax的运算，运算式中的系数a0。当R1=Rf时，uo=ui，此电路称为反相器。由于集成运放的开环放大倍数非常大，需要引入负反馈，且是深度负反馈。电路中引入的是并联电压负反馈。R2为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差动放大电路中结构的对称性，应选择R2=R1/Rf。,18,2.同相比例运算电路,ii=0,有ii=ifu-=u+=ui,有,19,同相输入运算电路特点：,u-=u+=ui，引入共摸输入信号，要求CMRR大。u0与u+成比例关系,相位相同,比值是(1+RF/R1)1与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都较高。当R1或Rf=0时，Auf=1，此时称为跟随器。同相比例运算电路可以进行y=ax的运算，且运算式中的系数a1。电路中引入了深度串联电压负反馈，故同相输入运算电路的闭环输入电阻和输出电阻为rif=ui/ii，ro=0R2为平衡电阻，R2=R1/Rf，作用与反相输入运算电路相同,20,二.加法运算电路1.反相加法运算电路,ii=0，u+=u-0ii1+ii2+ii3=if,特点：只调整某一路的Ri，就可改变该路的比例系数。平衡电阻：R2=R11/R12/R13/RF反相求和电路可以实现如下运算：y=-(a0 x0+a1x1.+anx2),an0,21,2.同相加法运算电路,利用同相比例公式有：,22,特点：,可以进行y=(a1x1+a2x2+anxn),an0若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相求和电路比较，同相求和电路调试比较麻烦。引入共摸输入分量，使同相求和电路的应用受到限制。,23,三.减法运算电路采用双端输入可实现减法运算。,因运放工作在线性区，可应用叠加原理。,ui1单独作用时,ui2单独作用时,24,特点：,可以进行y=a1x1a2x2的运算，故又称减法运算电路。若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相求和电路比较，同相求和电路调试比较麻烦。当:RF/R1=R3/R2，则uo=RF/R1(ui2-ui1);当:RF=R1时，得：uo=ui2ui1同样存在共模输入电压，所以，影响其运算精度的因素与同相输入运算放大电路完全相同。,25,四.积分电路与微分电路,1.积分电路i1=if；u-=u+=0if=ui/R1,若ui为图中所示电压，uc(0)=0,则t0,uouoL时，,当uo=uoL时，积分作用停止。,26,2.微分电路,i1=if；u-=u+=0,当输入信号为一系列方波时，微分电路可将方波变成尖顶波。,27,五.测量放大器,根据u-=u+，ii=0，对于A1、A2有UB=Ui1UC=Ui2,28,特点：,当输入电压Ui1、Ui2不变时，调节便可调整输出电压UO。此电路具有非常高的输入电阻，对被测量的影响很小。当电路其它参数一定时，输出电压正比于Ui1与Ui2的差值。,29,六.电压比较器,电压比较器是用来判断输入电压和基准电压之间数值大小的电路。通常由集成运算放大器组成。作为电压比较器时，集成运放工作在开环状态。由于其自身的电压放大倍数很大，只要有微小的净输入电压就足以使集成运放处于饱和工作状态，所以它的输出只有两种可能：当u+u-时，输出高电位UOH，其极性为正，数值接近正电源电压值；当u+u-时，输出低电位UOL，其极性为负，数值接近负电源电压值。工作时，电压比较器的一个输入端输入基准电压UB，另一端则输入要与基准电压进行比较的电压ui。电压比较器广泛应用于数字仪表、模/数转换、自动检测、自动控制、波形变换等方面。,30,1.单门限电压比较器1）过零电压比较器,u+=UB=0，u-=ui当ui0时，uo=UOH，当ui0时，uo=UOL。设输入电压ui=Umsint，电压比较器将输入的连续变化量（模拟量）变成跃变的矩形波（数字量）输出。从电压比较器的工作原理可以看出，输出电压的大小仅与输入电压的大小有关，而与输入电压的波形无关。,31,2）非零电压比较器,u+=UB，u-=ui，当uiUB时，uo=UOH，当uiUB时，uo=UOL。单门限电压比较器具有结构简单，灵敏度高等优点。此类比较器设置了一个门限UB，不管输入电压增加还是减小,经过此门限时，电路都要产生动作，因此这类比较器的抗干扰能力差。为了克服这一缺点，实际应用中常采用多门限电压比较器。,32,2.迟滞比较器,迟滞比较器在结构上引入了正反馈，这样不仅加快了输出电压的翻转过程，而且还给电路提供了两个不同极性的参考电压，即设置两个门限值，使输入电压增加时的门限值与输入电压减小时的门限值不同，电路只对某一个方向变化的电压敏感，将双向敏感改为单向敏感，产生回环，提高电路的抗干扰能力。,33,1）反相输入迟滞比较器,工作在非线性放大区，uo=UZ，u+=u-=UB=uoR2/(R2+R3)=UZR2/(R2+R3)=ui(门限值)。设ui很小，uo输出高电位UOH=+UZ，此时参考电位UB+=UZR2/(R2+R3)，随着ui增加，只要uiUB+时，uo由UoH跃变到UoL=-UZ，参考电压也跃变为UB-=-UZR2/(R2+R3)，随后，只要uiUB-，uo保持UoL=-UZ不变；当uiUB-时，电路回到过程。当电路uo发生变化时，u+=u-=UB所对应的输入电压值为门限值。,34,2）同相输入迟滞比较器,u-=u+=0，u+=uiR3/(R2+R3)+UZR2/(R2+R3)，电路uo发生变化时，u+=u-=0，对应的输入电压门限值ui=-UZR2/R3和UZR2/R3。当ui增加时，只要uiUZR2/R3，u+u-=0，uo=-UZ，只有当uiUZR2/R3时，输出电压跃变为uo=UZ；当ui减小时，只要ui-UZR2/R3，u+u-=0，uo=+UZ，只有当u