第8章集成运算放大器

第五章集成放大电路,三、集成运放的结构特点及理想化条件,四、集成运放应用电路的分析方法,一、差动放大电路的工作原理,二、集成电路基本知识,一、直接耦合放大器存在的问题,级间影响：由于级与级之间无隔直(流)电容,因此各级的静态工作点相互影响,从而要求在设计电路时,合理安排,使各级都有合适的静态工作点。,采用差动放大器就可以解决啦！,零点漂移：若将直接耦合放大器的输入端短路（ui=0）,理论上讲,输出端应为零。然而,实际输出电压往往偏离初始静态值,出现了缓慢的、无规则的漂移,这种现象称为零点漂移。,二、差动放大电路,（一）差放电路的基本原理,无任何输入信号时，由于电路完全对称，,差模信号：一个有用信号加到串联电阻2R的两端，由于两个R的均压，两边各得的一半，但因中点接地，2R的上端为正电位，2R的下端为负电位。即：,输入两管的信号大小相等、极性相反，称为差模输入。,共模信号：温度升高引起零漂时，因两管特性完全一致，两边电路参数也完全相同，故两管输出的电压飘移相同，折合到输入端的电压漂移也相同，且都为正电位。即,输入两管的信号大小相等、极性相同，称为共模输入。,差放电路对差模输入信号起放大作用,差模输入时，,表明差放电路与单管放大电路有相同的电压放大倍数。,为两管的电压放大倍数,差放电路对共模输入信号起抑制作用,温度升高时，相当于两管输入相同的干扰信号两管的都增加，因两边完全对称，故,（漂移相同）,实际器件不可能完全一致，所以不可能完全抑制共模信号。引入共模抑制比来衡量差放电路对差摸放大对共模抑制的能力。,（二）典型的差动放大电路,调零电位器,对共模输入有负反馈,抑制零漂。不影响差模放大！,几种差放电路的形式,双入双出型,单入单出型,双入单出型,单入双出型,三、带恒流源的差动放大电路,恒流源,二、集成电路的基本知识,（一）集成运算放大器件的识读常见的集成运算放大器有圆形、扁平型、双列直插式等,有8管脚、14管脚等。,典型封装,4.2集成运放外形结构示意图,集成运算放大器符号,惯用符号,国际符号,（一）基本结构,三、集成运放的结构特点及理想化条件,输入级是一个高性能的差动放大器，提高输入电阻、提高共模抑制比。,多数为两路电源供电。,输入级的好坏影响着集成运放的主要参数。,输入信号加在同相输入端，则输出信号与输入信号相位相同；,一般要求其输入阻抗高，差模放大倍数大，共模抑制比高，差模输入电压及共模电压范围大，且静态电流小。,输入信号加在反相输入端，则输出信号与输入信号相位相反。,中间级，提供较高的电压增益。,输出级，提供较高电压输出的带负载能力（其输出电阻小）。,偏置电路，稳定各级的静态工作点，减小温漂。,它的主要特点是：,有很高的输入阻抗。,很高的差模电压放大倍数Aod，,很低的输出阻抗。,一般为1010，即80140dB,（二）电压传输特性,开环差模电压放大倍数Aod非常高，它的线性区非常之窄。,输出电压最大值接近供电电压（轨到轨，railtorail）,为使运放工作在线性区，通常引入深度负反馈。,（三）理想运放,开环差模电压放大倍数Aod；,差模输入电阻Rid；,输出电阻Ro；,共模抑制比KCMR；,输入偏置电流Iib,上限频率fH,（四）集成运放应用电路的分析方法,（一）利用理想运放的概念简化分析过程,把实际的集成运放作为理想运放处理，在工程计算中是允许的。,（二）集成运放线性应用电路的一般分析方法,理想运放工作在线性区时，有两个重要特点：,第一：净输入电压为零，也就是同相输入端电位与反相输入端电位相等,U+U,即,第二：净输入电流为零，也就是说反相输入端与同相输入端的输入电流均为零,即,II,“虚短”,“虚断”,四、集成运放的基本应用,（一）反相比例运算,0V,闭环电压增益,因净输入电压=0,因净输入电流=0,闭环输入电阻,闭环输出电阻,特例:R1Rf时，Auf,UoUi。反相器。,电阻R2称为平衡电阻,R2R1Rf,在上图中应使,其作用是为了保证运放的两个输入端处于静态平衡的状态，避免因电阻不平衡时，偏置电流引起的失调。,它的求法是：令运放电路中所有信号电压为零，使从同相端和反相端向外看对地的电阻相等。,平衡电阻,（二）同相比例运算,Ui,因净输入电压=0,因净输入电流=0,闭环电压增益,闭环输入电阻,闭环输出电阻,电阻R2称为平衡电阻,R2R1Rf,在上图中应使,电压增益等于1。,（三）电压跟随器,用于隔离、缓冲和阻抗换。,输出电压跟随输入电压。,在同相比例运算电路中,当R1，且RfR2时，可得（b）所示的电压跟随器。,Auf=,Ui,Ui,Ui,Ui,Ui,Uo=Ui,Uo=Ui,Uo=Ui,当R1时，可得（a）所示的电压跟随器,显然,即,（四）减法运算（差动）,设Ui1单独作用（令Ui2）时，,设Ui2单独作用（令Ui1）时，,利用迭加原理,当Ui1、Ui2同时作用于电路时,由于引入了负反馈，电路工作在线性区,电路为反相比例运算,电路为同相比例运算,其电路参数应对称，即,当R1R2,RfR3时,输出信号只反映了输入信号的差值，而不反映共模信号。即放大差模，抑制共模。其闭环差模电压增益为,当R1Rf时，UoUi2Ui1,实现了两个信号的减法运算。,为保证运放输入端保持平衡工作状态。,R1RfR2R3,在仅放大交流信号的场合，应采用交流放大器,（五）反相交流放大器,闭环电压增益,闭环输入电阻,闭环输出电阻,RifR1,Rof。,在通带内，C1可视为短路,应保持输入端对地的直流电阻相等,R2=Rf,（六）同相交流放大器,闭环电压增益,闭环输入电阻,闭环输出电阻,RifR2,Rof。,在通带内，C1、C2、C3均可视为短路,应保持输入端对地的直流电阻相等,R2=Rf,去掉C1（R1）的左端直接接地）对交流分析无影响。,R2=R1/Rf,但这时应使,R2是为了给运放的同相端提供直流通道的，但却闭使环输入电阻减低了。,提高闭环输入电阻的电路,由于1对交流相当于短路，因此，输出信号通过f在1上产生的反馈电压uBuuuA。即2两端交流电压近似为零。,1具有自举作用,流经电阻2的电流趋于零，亦即2的视在值趋于无穷大。从而使电路总的输入电阻if得以极大的提高。,若令f，则可构成具有极高输入电阻，极低的输出电阻的交流电压跟随器。用作隔离器和阻抗变换器,（七）音调控制放大器,人为地调节低频、中频、高频的成分比例，改变前置放大器的频率响应特性，以满足聆听者对音色的不同爱好。,基本原理就是调节反馈网络或衰减网络的频率特性，使它对信号中的不同频率成分产生不同程度的反馈或衰减，即使某些频率的信号幅度被提升，某些频率的信号幅度被削弱。,六、运算放大器的其他应用,当Rp2动点右移时，负反馈减弱，增益提高，高音被提升,对输入信号中的低音（频）成分,当Rp1动点左移时，负反馈减弱，增益提高，低音被提升；,当Rp1动点右移时，负反馈加强，增益减小，低音被衰减；,C2可视为短路，Rp1对信号不起作用。,C3可视为开路，高频反馈支路断开。,高频反馈支路,对输入信号中的高音（频）成分,当Rp2动点左移时，负反馈加强，增益减小，高音被抑制。,高频反馈支路,（八）加法器,利用迭加原理,同相加法器,设：R1=R2=R3=R,ui1单独作用时,ui2、ui3单独作用时，情况类似,例已知R1R2R3f。如果ui1、ui2、ui3的波形如图16（）所示，试画出输出电压uo的波形。,解输出电压uo为,（九）积分器,当ui=Ui时(常量),0V,（十）微分器,0V,例求解uo与u1、u2、u3之间的运算关系。,解逐级写出表达式,解首先分析电路的输入、输出关系。,例,试求输出电压uo的表达式。,设其两个输入信号ui1和ui2皆为阶跃信号请画出uo的波形,t0.5s,将换算成,解ui1单独作用,例,ui2单独作用,t0.5S,-2.5,5,-5,“直线+直线=直线”,将“点”连成直线,先求“合成直线”的“端点”,（十一）有源滤波器,滤波电路（滤波器）是一种能让某一部分频率的信号顺利通过，而另一部分频率的信号受到较大幅度衰减的电路。,在理想情况下，通带内的幅频特性应是某个常数，而在阻带幅度为零。它们以某个频率为分界，这个频率叫做滤波器的通带截止频率。,允许通过的频率范围叫做滤波器的通带，通带之外则为阻带。,按照通带在频率轴上的位置，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。,有源滤波器：其中有源是指有受控源一般是指放大器,有源滤波器：滤波元件（电容、电感）必须在闭环环路中,（十二）过零电压比较器,也就是说，比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是数字量，即“”或“”。,运放开环工作状态，所以集成运放都工作在非线性区。,因而输出电压只有两种情况，不是UOM,就是UOM。,因此，比较器可以作为模拟电路与数字电路的接口。,为了使比较器的输出电压等于某个特定值，可以采取限幅的措施,稳压管的稳压值UzUOM，VZ的正向导通电压为UD。,电阻R和双向稳压管VZ构成限幅电路,所以输出电压uo（UzUD）。,UZ+UD,-(UZ+UD),（十三）单限电压比较器,单限电压比较器（简称单限比较器）又称为电平检测器，可用于检测输入信号电压是否大于或小于某一特定值,反相比较器,同相比较器,（十四）滞回电压比较器,滞回电压比较器（简称滞回比较器）又称为施密特触发器。,结