电子技术基础刘继承第2章.ppt

1、第2章 集成运算放大电路,第1节 集成运算放大器结构特点 和理想运算放大器 第2节 集成运算放大器的三种输入组态 第3节 运算放大器的线性应用 第4节 集成运算放大器在算术运算电路 应用中需注意的问题,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,第2章 集成运算放大器,开 始,作 ？业,本章主要介绍集成运算放大器的构成特点、伏安特性和主要参数，分析基本运算电路的工作原理、分析方法和性能指标以及集成运算放大器的一些典型的线性应用。,集成电路是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件。常见的集成电路的外形有：双列直插式、圆壳式河扁平式，如图：,主菜单,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？

2、业,退 出,开 始,第2章 集成运算放大器,第2章 集成运算放大器,集成运算放大电路实物图。,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,集成运算放大器中的单元电路包括输入级、 中间级、输出级和偏置电路四部分构成。,2.1.1集成运算放大器结构特点, 输入级：差分放大器； 中间级：电压放大器； 输出级：功率放大器； 偏置电路：采用恒流源电路。,退 出,作 ？业,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,电路结构方框图如图2.1.1（a）；,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,集成运算放大器电路符号如图2

3、.1.1 (b)。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,退 出,集成运算放大的器的一些特点与其制造工艺紧密相连，主要有以下几点：,由于构成运放的元器件处在一个硅片上，距离近，对称性好。适于构成差分放大电路，有效的抑制运算放大电路的零点漂移。,作 ？业,2.1.1集成运算放大器结构特点,集成运放内部一般用恒流源提供各级放大电路的直流偏置，或用于有源负载。, 受集成电路体积的限制，电容和电感难于被集成，因此内部采用直接耦合。电容和电感必须用时大都采用外接的办法。,作 ？业,退 出,主菜单

4、,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点, 由于集成运放具有很高的开环放大倍数，线性应用时需要加入深度负反馈，构成一个闭环放大电路。,图2.1.2（a）为集成运算放大器的基本电路，+U和-U为直流电源，u1和u2是输入信号，uO是输出信号。由于通常只关心电路的功能，所以直流电源通常并不画出如图（b）所示。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,

5、返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,图2.1.3 集成运算放大器小信号模型,上图中，u i=u 1-u 2称为差模输入，uO与（u 1-u 2)的比值称为差模放大倍数，记作：Aud。,即：,信号：u 1=u 2 称为共模信号； u 1=-u 2称为差模信号。一般情况，任意两个信号u 1和u 2可以写成共模分量u iC和差模分量u id的叠加。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1集成运算放大器结构特点,Aud=,uo,_,u 1-u 2,共模分量 u i

6、C=,差模分量 u id=,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.1集成运算放大器结构特点,_,u 1+u 2,2,u 1-u 2,2,_,即： u 1=u iC+u id ; u 2 =u iC u id,集成运算放大器的性能指标在实际应用中十分重要，直接关系到所组成的应用电路的性能。但在不同应用电路中各项指标有所侧重。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.2集成运算放大器的主要性能指标,一般可以把集成运算放大器的指标分为三类：直流指标、小信号指标和大信号指标。见下表：,表2.1.1 集成运算放大器指标分类,作 ？业,

7、退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.2集成运算放大器的主要性能指标,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,主要性能指标的图示,IBN+I BP,2,2.1.2集成运算放大器的主要性能指标,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,主要性能指标的图示,2.1.2集成运算放大器的主要性能指标,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.3 理想运算放大器,由于运算放大器性能优良，将实际运放看成理想运放差别并不大。理想化后对分析和应用都十分便利。,理想运放的理想化指标：,1. 输入阻抗无限大

8、：r id=；,2. 开环差模增益无限大：A ud=；,3. 共模信号增益等于零: A uc=0;,4. 频带宽度无限大：f h=。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.3 理想运算放大器,由此可得理想运放等效模型，如图2.1.8,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.3 理想运算放大器,由理想运放的理想参数，可得理想运放的两个理想化条件：,因为：A uo=，所以：U+=U，称为“虚短” ； 因为：r id=， 所以：i += i ，称为“虚断” 。,以上两个理想化条件，又称作“强制零输入”，是分析运算放大器线性应用的理

9、论依据。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.1.3 理想运算放大器,我们可以通过动画演示理解一下理想运算放大器的工作特性。,理想运算放大器的工作特性,2.2 集成运算放大器的三种输入组态,集成运算放大器应用电路中, 根据信号的输入端不同，可以分为反相输入、同相输入和差分输入三种输入方式。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,我们可以通过动画演示理解一下反相比例电路。,反相比例电路,2.2.1 反相输入组态,2.2.1 反相输入组态,图2.2.1 反相输入比例运算电

10、路,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,反馈电阻,平衡电阻,输入回路电阻,RP=R1/R F,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.1 反相输入组态,根据“虚短”和“虚断”两个理想化条件,由图2.2.1可得：,式中：- R F R 1为比例系数;或称电压放大倍数A uf。,图2.2.2 为电压传输特性。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.1 反相输入组态,例2.2.1 在高增益反相放大电路中为了避免使用过大的电阻，常采用图2.2.3所示电路。 (1)导出输出电压u o与输入电压u i的关系

11、； (2)若R 1=1M,R 2= R 4 = 500K,R 3=2K，电压增益为多大？此电路相当于接多大的单反馈电阻R F？ (3)R P应如何选取？,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.1 反相输入组态,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,我们可以通过动画演示理解一下同相比例电路。,同相比例电路,2.2.2 同相输入组态,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.2 同相输入组态,图2.2.4 同相输入比例运算电路,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.2

12、 同相输入组态,根据“虚短”和“虚断”两个理想化条件,由图2.2.4可得：,式中：(1+ R F R 1)为比例系数;或称电压放大倍数A u f。,图2.2.7 为电压传输特性。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.2 同相输入组态,当比例系数（1+R FR 1）中，R F=0或R 1=时，即R F R 1=0时, u o=u i；电路称为电压跟随器。如图2.2.5所示。,同相输入与反相输入组态相比较电路特点有：,同相输入比反相输入组态输入电阻大；对放大有利。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.2 同相输入组态,同相

13、输入比反相输入组态共模分量也大；对放大不利。,同相输入组态，输出与输入信号符号相同；反相输入组态，输出与输入信号符号相反。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.2 同相输入组态,例2.2.2 理想集成运算放大器构成图2.2.8所示电路，若R 1= R 2=100k， R 3=50k, R 4=200k。 (1)写出u o与u i的表达式； (2)求出平衡电阻R p1和R p2的值。,例2.2.3 同相输入比例放大器如下图，已知R 1=R 3=10k， R 2=R 4=100k;试求:输出电压u o=?,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最

14、后,返 回,2.2.2 同相输入组态,解：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,我们可以通过动画演示理解一下差分比例电路。,差分比例电路,2.2.3 差分输入组态,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.3 差分输入组态,当两个信号分别从两个输入端输入时，构成差分输入组态，如图2.2.9所示。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.3 差分输入组态,分析差分输入电路时，可利用线性电路叠加原理，分别求出反相输入和同相输入时输出电压，然后进行叠加即可求出结果。,在图2.2.9电路中u i1作用时(u

15、 i2=0) :,u i2作用时(u i1=0):,u i1与u i2共同作用：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.3 差分输入组态,为了保证集成运算放大器两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，在图2.2.9电路中通常要求：,代入上式得：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.2.3 差分输入组态,图2.2.10是一个性能比较优越的差分放大电路，常用于仪表放大器。,2.3集成运算放大器的应用举例,集成运算放大器应用十分广泛，可分为线性应用和非线性应用两类。本节主要介绍运算放大器在信号运算方面的应用，属于线性

16、应用的范畴。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,在此再次强调，线性应用的分析特点：“虚短”和“虚断”，是分析信号运算电路的理论依据。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,1. 反相求和电路,我们可以通过动画演示理解一下反相求和电路。,反相求和电路,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,图2.3.1 所示电路为反相求和电路。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,当R 1=R 2

17、=R 3=R F时：,平衡电阻：,在上式中,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,2. 同相求和电路,我们可以通过动画演示理解一下同相求和电路。,同相求和电路,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,图2.3.2所示电路为反相求和电路。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,在上式中,R P=R 1/R 2/R 3/R 4 为同相输入端对地总电阻。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回

18、,2.3 .1 加法和减法运算电路,且：,考虑到直流电阻平衡条件：R P=R N 且将反相电阻 R N=R 0/R F，代入上式:,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,当R 1=R 2=R 3=R F时，有,注意：上式成立必须满足R N=R P。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,3. 加、减混合运算电路,图2.3.3所示电路为加、减混合电路。,考虑到运放共模抑制比的要求，电路应满足平衡条件 R P=R N，即：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最

19、 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,依据线性电路叠加原理，考虑到同相输入和反相输入公式，可得,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,例2.3.1 试用一只集成运算放大器和若干电阻设计一个电路能进行如下运算：,限定所用最大电阻的阻值为120k。,解：该算式是加减混合运算，u I1和u I3为正向求和，可采用同相输入； u I2和u I4为反向求和，可采用反相输入。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,若各电阻编号与输入电压编号相同，则可画出设计电路，如图2.3

20、.4。,根据式（2.3.5）有：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .1 加法和减法运算电路,根据题意有：,其中R F的阻值最大，即,由电阻平衡公式,可得：,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .2 积分电路和微分电路,我们可以通过动画演示理解一下反相积分微分电路。,反相积分微分电路,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .2 积分电路和微分电路,1. 积分电路,把反相输入方式电路中的反馈电阻改用电容C取代，即可构成基本积分电路，如图2.3.8 (a)所示。,作 ？业,退 出,主菜

21、单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .2 积分电路和微分电路,当运放工作于线性放大状态时，电路满足：U+=U- ，I+=I -=0的条件，所以,设初始条件为uO(0 )=0,于是运放的输出电压uO将与输入电压ui 成积分关系。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .2 积分电路和微分电路,图2.3.10为反相积分电路的阶跃响应。,RC t p意味着充放电时间很慢，电容充电未结束，输入便翻转，运放始终工作在线性区。 积分电路可以很方便地将矩形波转换为三角波。,作 ？业,退 出,主菜单,开 始,回 退,前 进,最 后,返 回,2.3 .2 积分电路和微分电路,2. 微分电路,如果将图2.3.8 (a)所示的基本积分运算电路中元件R和C的位置互易，使可构成基本微分运算电路，如图2.3.12所示。,作 ？业,退 出,主菜单,