《电子技术基础第五版》电子课件第三章[共52页]

1、第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 3-1 3-1 差动放大电路差动放大电路 3-2 3-2 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 3-3 3-3 集成运算放大器的基本电路集成运算放大器的基本电路 3-4 3-4 集成运算放大器的应用电路集成运算放大器的应用电路 3-5 3-5 集成运放的使用常识集成运放的使用常识 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 1.了解零点漂移的基本概念. 2.了解基本差动放大电路的结构及性能特点. 3.理解差模信号、共模信号的含义及共模抑制比 的含义. 4.了解恒流源的基本概念，认识具有恒流源的差 动放大电路. 3-1 3-

2、1 差动放大电路差动放大电路 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 可放大直流信号和缓慢变化信号可放大直流信号和缓慢变化信号 直接耦合放大路：直接耦合放大路： 一、零点漂移一、零点漂移 输入电压为零、输出电压不为输入电压为零、输出电压不为 零的现象，称为零的现象，称为零点漂移现象零点漂移现象， 零点漂移简称零点漂移简称零漂零漂. . 零点漂移现象：零点漂移现象： 在阻容耦合和变压器耦在阻容耦合和变压器耦 合放大电路中，也存在合放大电路中，也存在 零点漂移，但这种缓慢零点漂移，但这种缓慢 的漂移信号不会传递到的漂移信号不会传递到 下一级被进一步放大下一级被进一步放大. . 产

3、生的原因：产生的原因： 如温度的变化，电源电压波动以及电路元件参数的变化等如温度的变化，电源电压波动以及电路元件参数的变化等. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 缺点缺点: : 由于零点漂移的存在，使得输出端既有被放大由于零点漂移的存在，使得输出端既有被放大 的真信号，又有零点漂移产生的漂移信号，当漂移的真信号，又有零点漂移产生的漂移信号，当漂移 信号可以与输出端的有用信号相比时，有用信号将信号可以与输出端的有用信号相比时，有用信号将 被淹没，失去分辩能力被淹没，失去分辩能力. . 对于一个多级直接耦合的放大电路，级数越多，对于一个多级直接耦合的放大电路，级数越多， 放

4、大倍数越大，零点漂越严重，会造成后级放大电路放大倍数越大，零点漂越严重，会造成后级放大电路 无法正常工作无法正常工作. . 解决的办法：解决的办法： 采用差动放大电路采用差动放大电路 抑制零点漂移是直接耦合放大器的突出问题抑制零点漂移是直接耦合放大器的突出问题 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 二、基本差动放大电路二、基本差动放大电路 特点特点： a. 两个输入端，两个输出端 b. 元件参数对称 c. ui1 = ui2 时， uo = 0 能有效地克服零点漂移 ui2 ui + - + - - ui1 + +uo- 1 1、电路组成、电路组成 R R +VCC RE

5、-VEE 基本差动放大电路 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 uo = UC1 UC2 = 0 2、工作原理、工作原理 2IE + IC1 UC1 UC2 uo IC2 IB1 IB2 + + - IB1=IB2IC1=IC2UC1=UC2ui1=ui2=0 ui=0 直流通路直流通路 IE1 IE2 IE1=IE2 （1）静态）静态 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 （2）动态分析）动态分析 1） 差模输入差模输入 差模输入差模输入ui1 = ui2 差模输入电压差模输入电压uid = ui1 ui2= 2ui1 使得：使得：ic1 = ic2

6、uo1 = uo2 差模输出电压差模输出电压uod = uc1 uc2= uo1 （ uo2） id od d u u A 差模电压放大倍数差模电压放大倍数 大小相同大小相同 极性相反极性相反 ib1 = ib2 =Ad1 ie1 = ie2ie = 0 =2uo1 ib1 + uod ui2 ui + - ib2 + + - - - ui1 ic2ic1 uo1uo2 差模输入放大电路差模输入放大电路 ie1 ie2 ie=0 + + 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 2） 共模输入共模输入 共模输入共模输入 ui1 = ui2 共模输出电压共模输出电压 uic =

7、ui1 = ui2 使得使得:ie1 = ie2 ie1 ie2 ue = 2ie1RE 共模输入电压共模输入电压 uoc = uc1 uc2=0 0 ic oc c u u A 共模抑制比共模抑制比 c d A A CMRR 大小相同大小相同 极性相同极性相同 共模信号交流通路共模信号交流通路 ui1 uod ui2 uC1uC2 共模放大倍数共模放大倍数 3）共模抑制比）共模抑制比 +VCC V1 V2 -VEE RCRC RE 衡量差动放大器的质量，即差模放大能力和共模抑制能力衡量差动放大器的质量，即差模放大能力和共模抑制能力 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 三

8、、三、 具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路 增大共模放大倍数的思路：增大共模放大倍数的思路：增大增大RE用恒流源代替用恒流源代替RE 特点：特点： 直流电阻为有限值直流电阻为有限值 动态电阻很大动态电阻很大 （1） 三极管电流源三极管电流源 简化画法简化画法 +VCC RL RE RB1 RB2 IC I0 ui1 V1 +VCC V2 RC R1 uod ui2 RC VEE R2 R3 IC3 V3 ui1 V1 +VCC V2 RC uod ui2 RC VEE I0 电流源代替电流源代替 差动电路中差动电路中 的的RE （2）具有恒流源的）具有恒流源的 差动放大电路差动放

9、大电路 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 在阻容耦合和变压器耦合放大电路中，也 存在零点漂移，但这种缓慢的漂移信号不会传递 到下一级. 返回章目录 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 1.了解集成运算放大器的结构、电路符号. 2.理解集成运放的同相和反相输入端的含义. 3.了解集成运放的外形及分类. 4.掌握集成运放的主要参数. 3-2 集成运算放大器概述集成运算放大器概述 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 一、集成运算放大电路组成一、集成运算放大电路组成 输入级 中间级输出级 偏置电路 组成框图组成框图 为负载提供一定幅度

10、的信号电压为负载提供一定幅度的信号电压 和信号电流和信号电流.一般采用输出电阻很一般采用输出电阻很 低的射极输出器或由射极输出器低的射极输出器或由射极输出器 组成的互补对称功放电路组成的互补对称功放电路. 使集成运放具有较强的放大使集成运放具有较强的放大 能力能力.通常由多级共射极放大通常由多级共射极放大 器构成器构成. 通常是具有较高输入电阻和较高通常是具有较高输入电阻和较高 放大倍数的差动放大器，利用它放大倍数的差动放大器，利用它 可以使集成运放获得尽可能高的可以使集成运放获得尽可能高的 共模抑制比共模抑制比. 为各级提供所为各级提供所 需的稳定的静需的稳定的静 态工作电流态工作电流. 第

11、三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 电路符号电路符号 实际上集成运放的引出端不止三 个，但分析集成运放时，习惯上 只画出图示中的三个端，其他接 线端各有各的功能，但因对分析 没有影响，故略去不画. 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输入端 输出端输出端 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 实际上集成运放的引出端不止三个，但分 析集成运放时，习惯上只画出图示中的三个端， 其他接线端各有各的功能，但因对分析没有影响， 故略去不画. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 二、集成运放的封装和分类二、集成运放的封装和分类 1、封装、封装

12、集成运放封装有集成运放封装有塑料双列直插式塑料双列直插式、陶瓷扁平陶瓷扁平、金属圆壳金属圆壳 封装等多种封装等多种. 2、分类、分类 通用型通用型 ： 专用型专用型 ： 低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高 阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功 率型等率型等. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 三、集成运放的主要参数三、集成运放的主要参数 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo 输入失调电压输入失调电压Uio 输入失调电流输入失调电流Iio 输入偏置电流输入偏置电流IiB 最大差模

13、输入电压最大差模输入电压Uidm 最大共模输入电压最大共模输入电压Uicm 差模输入电阻差模输入电阻 rid 开环输出电阻开环输出电阻ro 共模抑制比共模抑制比CMRR 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 开环差模电压放大倍数简称开环差模电压放大倍数简称“开环增益开环增益”，开环，开环 状态下，输出电压状态下，输出电压Uo与输入差模电压（与输入差模电压（Ui1-Ui2）之比，）之比， 即即Auo=Uo/（Ui1-Ui2）.Auo越大，器件的性能越稳定，其越大，器件的性能越稳定，其 运算精度也就越高运算精度也就越高. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo 第三章

14、第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入 端附加一个的补偿电压，该电压叫做输入失调电压端附加一个的补偿电压，该电压叫做输入失调电压 （U Uio io） ）. .高质量产品高质量产品U Uio io一般在 一般在1mv1mv以下以下. . 输入失调电压输入失调电压U Uio io 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 在输入信号为零时，两输入端静态基极电流在输入信号为零时，两输入端静态基极电流 之差，即之差，即I Iio io= =I IiB1iB1- -I IiB2iB2. .一般

15、在 一般在0 0.0.01 10 0. .1 1mAmA范围内，此范围内，此 值越小越好值越小越好. . 输入失调电流输入失调电流I Ii io o 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 输入偏置电流输入偏置电流I IiB iB 当输入信号为零时，两输入端所需的静态基当输入信号为零时，两输入端所需的静态基 极电流的平均值，即极电流的平均值，即I IiB iB= =（ （I IiB1 iB1+ +I IiB2iB2） ）/2/2. .一般情况在一般情况在 1mA1mA以下以下. .I IiB iB越小零漂越小 越小零漂越小. . 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大

16、器及其应用 最大差模输入电压最大差模输入电压U Uidm idm 正常工作时，在两个输入端之间允许加载的最大正常工作时，在两个输入端之间允许加载的最大 差模电压值，使用时差模输入电压不能超过此值差模电压值，使用时差模输入电压不能超过此值. . 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 最大共模输入电压最大共模输入电压U Uicm icm 两输入端之间所能承受的最大共模电压两输入端之间所能承受的最大共模电压. .如果共如果共 模输入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降，模输入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降， 甚至造成器件的损坏甚至造成器件的损坏. . 第三章

17、第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 两输入端加入差模信号时的交流输入电阻两输入端加入差模信号时的交流输入电阻. .此此 值越大，集成运放向信号源索取的电流越小，运算精值越大，集成运放向信号源索取的电流越小，运算精 度越高度越高. . 差模输入电阻差模输入电阻 r rid id 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 开环输出电阻开环输出电阻r ro o 开环时的动态输出电阻开环时的动态输出电阻. .r ro o越小带载能力越强越小带载能力越强. . 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR 综合衡量运放的放

18、大能力和抑制共模的能综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能 力力. .CMRRCMRR越大越好越大越好. . 返回章目录 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 二、集成运算放大器的两种基本电路二、集成运算放大器的两种基本电路 一、集成运放的理想化一、集成运放的理想化 3-3 集成运算放大器的基本电路集成运算放大器的基本电路 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 1.了解理想集成运放的基本概念. 2.了解集成运放线性工作区和非线性工作区的特性及工作 特点. 3.理解集成运放“虚短”“虚断”的概念. 4.了解运放电路直流平衡电阻的配置. 5.掌握反相比例运算放

19、大电路、同相比例运算放大电路的 组成和电路参数的计算. 6.掌握“虚地”的概念. 7.掌握反相器和电压跟随器的组成和特点. 8.会判断集成运放电路的反馈类型. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 一、集成运放的理想化一、集成运放的理想化 1.理想集成运放的基本概念理想集成运放的基本概念 （1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数Auo （2）差模输入电阻）差模输入电阻rid （3）开环输出电阻）开环输出电阻ro0 （4）共模抑制比）共模抑制比CRMM （5）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号 也为零也为零. 理想集

20、成运放的理想集成运放的 符号符号 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 2.理想集成运放的电压传输特性理想集成运放的电压传输特性 0 -Uom +Uom uo ui 电压传输特性电压传输特性 线性区 非线性区 非线性 区 +Uom -Uom uo与与ui是线性关系，即是线性关系，即 )( PNuoiuoo uuAuAu 为有限值 o u 0 PN uu PN uu即 集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性. “虚短虚短” id r 0 PN ii “虚断虚断” uo只有两种可能，即只有两种可能

21、，即+Uom和和-Uom “虚短虚短”不成立不成立“虚断虚断”仍成立仍成立 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 二、集成运算放大器的两种基本电路二、集成运算放大器的两种基本电路 f 1 ii PN 0 uu “虚地虚地” 1 f i o uf R R u u A R2 = R1 / R f平衡电阻：平衡电阻： 特点：特点：1. .为深度 为深度电压并联负反馈电压并联负反馈，Auf = Rf / R 1 uP = uN N= 0 “虚地虚地” 1、反相比例运算放大电路、反相比例运算放大电路 2.反相输入信号时， 反相输入信号时， R uu R uu f oN 1 Ni 反相

22、比例运算放大电路反相比例运算放大电路 “虚短虚短” “虚断虚断” 1 i f i 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 “虚地”是反相输入集成运放电路的一个 重要特点，是集成运放线性应用“虚短”概念的 具体表现.凡是信号从反相输入端输入的，在线 性应用时都可以用“虚地”进行分析. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 当当 R1 = Rf 时，时， Auf = -1 反相器反相器 特殊地：特殊地： 反相器反相器 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 2、同相比例运算放大电路、同相比例运算放大电路 iPN uuu f 1 ii f io

23、 1 i R uu R u i 1 f o )1 (u R R u 1 f uf 1 R R A 特点：特点： 1. 为深度为深度电压串联负反馈电压串联负反馈， Auf = 1 + Rf /R1 2. “虚短虚短” “虚断虚断” uP = uN N ，“虚短虚短”仍成立，但仍成立，但 “虚地虚地”不成立不成立 R2 = R1 / R f 平衡电阻：平衡电阻： 同相比例运算放大电路同相比例运算放大电路 f i 1 i 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 当当 R1 = ，Rf = 0 时，时， Auf = 1 跟随器跟随器 特殊地：特殊地： 同相器 第三章第三章集成运算放大

24、器及其应用集成运算放大器及其应用 同相输入集成运放不存在“虚地”.凡是信 号从同相输入端输入的，在线性应用时，都可利 用两输入端电位相等进行分析. 返回章目录 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 一、信号运算电路一、信号运算电路 二、电压比较器二、电压比较器 3-4 集成运算放大器的应用电路集成运算放大器的应用电路 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 1.掌握反相输入加法运算电路的组成和电路参数的计算. 2.掌握减法运算电路的组成及分析方法. 3.掌握单门限电压比较器和双门限电压比较器的组成和 电路参数的计算. 4.了解电压比较器的传输特性，特别是双

25、门限电压比较 器的传输特性. 5.了解RC桥式振荡电路的特点和工作原理. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 线性应用：线性应用： 电路引入了电路引入了负反馈，负反馈， 非线性应用：非线性应用： 电路电路开环开环或引入了或引入了正反馈，正反馈， 集成运放工作在集成运放工作在线性区线性区. 集成运放工作在集成运放工作在非线性区非线性区. （1）判断集成运放的工作区域判断集成运放的工作区域. （2）根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行 分析分析. 分析集成运放应用电路的基本步骤是：分析集成运放应用电路的基本步骤是

26、： 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 一、一、信号运算电路信号运算电路 1、加法运算电路、加法运算电路 if i1 + i2 2 i2 1 i1 f o R u R u R u )( 2 i2 1 i1 fo R u R u Ru 若若 Rf = R1= R2 uo = （ui1+ ui2） 平衡电阻：平衡电阻： 加法运算电路加法运算电路 则则 f RRRR/ 21 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 利用叠加原利用叠加原 理 理u i2 = 0 ui1 使：使：i1 1 f o1 u R R u 2、减法运算电路、减法运算电路 减法运算电路减法运

27、算电路 u RR R R R u 2i 32 3 1 f 2o 1）（ 反相比例运算放大电路反相比例运算放大电路 ui2 使：使： ui1 = 0 同相比例运算放大电路同相比例运算放大电路组合组合和和 R1/Rf=R2/R3 平衡电阻：平衡电阻： u R R u RR R R R uuu 1i 1 f 2i 32 3 1 f o2o1o )(1( 则：则： 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 当当R1=R2， Rf=R3时，上式简化为时，上式简化为 )( 1 i2i 1 f ouu R R u 如果取如果取Rf=R1，则，则 uo=ui2-ui1 减法运算实际是差分电路减

28、法运算实际是差分电路 输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 二、电压比较器二、电压比较器 集成运放工作在非线性区时，电路集成运放工作在非线性区时，电路开环开环或引入了或引入了正反馈正反馈. uPuN时，时，uo=+Uom （高电平）（高电平） uPUR时，时，uo=-Uom uiUR时，时，uo=+Uom 门限电压为门限电压为UR 因输入电压只跟一个参考电压因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，故进行比较，故 此电路称为此电路称为“单门限电压比较器单门限电压比较器”. 若若UR0 过零

29、电压比较器过零电压比较器 单门限电压比较单门限电压比较 器器 电路开环，集成运放工作在非线性区电路开环，集成运放工作在非线性区. 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 单门限电压比较器的传输特性曲线单门限电压比较器的传输特性曲线 ui uo 0 UR -Uom +Uom 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 单门限电压比较器的单门限电压比较器的特点特点：电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差 单门限电压比较器可实现波形的变换单门限电压比较器可实现波形的变换 0 t ui 单门限电压比较器单门限电压比较器 把正弦波

30、变为矩形波把正弦波变为矩形波 第三章第三章集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 2、双门限电压比较器双门限电压比较器 输出电压输出电压uo经经Rf和和R1分压加到同相输入端，为分压加到同相输入端，为 电路引入了电路引入了正反馈正反馈 当当uo=+Uom时，门限电压用时，门限电压用UP1表示表示 U RR R U RR R U om 1f 1 R 1f f 1P 当输入电压当输入电压上升上升到到ui=UP1时，输出电压时，输出电压uo发生发生 跳变跳变，由，由+Uom跳变为跳变为-Uom， U RR R U RR R U om 1f 1 R 1f f 2P 集成运放工作在集成运放工作在非线性区非线性区. 门限电压随之变为：门限电压随之变为： 双门限电压比较器双门限电压比较器 当输入电