电工电子技术162

1、下一页下一页上一页上一页下一页下一页上一页上一页本章要求：本章要求：1、了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；、了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；2、理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器、理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器 并掌握其基本分析方法；并掌握其基本分析方法；3、理解用运算放大器组成的比例、加减、微分和积分运算、理解用运算放大器组成的比例、加减、微分和积分运算 电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理；电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理；4、理解电压比较器的工作原理和应用。、理解电压比较器的工作原理和应用。 下一页下一页上一页上一

2、页分立元件分立元件集成元件集成元件集成元件：体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格便宜集成元件：体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，价格便宜集成电路分类集成电路分类模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路集成运算放大器、集成集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成功率放大器、集成稳压电源、集成a/dd/a等。等。下一页下一页上一页上一页 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。模拟集成电路。下一页下一页上一页上一页 在集成电路工艺

3、中难于制造电感元件；制造容量大于在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于200pf的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采用直接耦合，必须用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。使用电容的场合，也大多采用外接的方法。（1）级间采用直接耦合方式）级间采用直接耦合方式（2）电路结构和参数具有对称性）电路结构和参数具有对称性 集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为100 30k，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动

4、态电阻）；（动态电阻）；必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。方法。 由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好。性好。（3）用有源器件代替无源器件）用有源器件代替无源器件16.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点下一页下一页上一页上一页特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸auo 高高: 80db140dbrid 高高:

5、 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 kcmr高高: 70db130db集成运放的符号：集成运放的符号：uo+auou+u。 。+uccuee 下一页下一页上一页上一页中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。放大电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一与负载相接，要求输出电

6、阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。般由互补对称电路或射极输出器构成。 偏置电路：偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。下一页下一页上一页上一页+uccueeuu+输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端下一页下一页上一页上一页下一页下一页上一页上一页16.1.3 主要参数主要参数1. 最大输出电压最大输出电压 uopp 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失

7、真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 uicm 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压输入失调电压 uio4. 输入失调电流输入失调电流 iio5. 输入偏置电流输入偏置电流 iib下一页下一页上

8、一页上一页16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1. 理想运算放大器理想运算放大器auo ， rid ，ro 0 ， kcmr 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +uo(sat) u+ u 时，时， uo = + uo(sat) u+ u 时，时， uo = uo(sat) 不存在不存在 “虚短虚短”现象现象 u+ u uouo(sat)+uo(sat) o饱和区饱和区下一页下一页上一页上一页 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体集成运算放大器与外部

9、电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以改变输入电路和反

10、馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。实现不同的运算。下一页下一页上一页上一页16.2.1 比例运算比例运算1. . 反相比例运算反相比例运算1i1ruui fofruui （1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地输出的另一端均为地( )。（2）电压放大倍数）电压放大倍数因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0，称反相输入端称反相输入端“虚虚地地” 反相输入的重要反相输入的重要特点特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i1fourru ifi1ii+1fiofrruuau uorfuir2r1+ 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态

11、时u+、 u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 r2 = r1 / rf动画动画下一页下一页上一页上一页i1fourru 1fiofrruuau uorfuir2r1+ 反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈输入信号和反馈信号加在输入信号和反馈信号加在同一输入端同一输入端并联反馈并联反馈反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈输入电阻低，输入电阻低，共模电压共模电压 0下一页下一页上一页上一页 auf为负值，即为负值，即 uo与与 ui 极性相反。极性相反。因为因为 ui 加加 在反相输入端。在反相

12、输入端。 auf 只与外部电阻只与外部电阻 r1、rf 有关，与运放本有关，与运放本 身参数无关。身参数无关。 | auf | 可大于可大于 1，也可等于，也可等于 1 或小于或小于 1 。 因因u= u+= 0 ， 所以所以反相输入端反相输入端“虚地虚地”。下一页下一页上一页上一页例：例：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 r1= 10 k ，rf = 50 k 。求：求：1. auf 、r2 ； 2. 若若 r1不变，要求不变，要求auf为为 10，则，则rf 、 r2 应为应为 多少？多少？解：解：1. auf = rf r1 = 50 10 = 5r2 = r1 rf =10 5

13、0 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 auf = rf / r1 = rf 10 = 10 故得故得 rf = auf r1 = (10) 10 =100 k r2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uorfuir2r1+ 下一页下一页上一页上一页of11urrru 因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui i1fo)1(urru （1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数1fiof1rruuau uorfuir2r1+ 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地电阻相同

14、，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻r2=r1/rfu+u动画动画下一页下一页上一页上一页输入电阻高输入电阻高共模电压共模电压 = ui 电压串联负反馈电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信号分别加两个输入端加两个输入端串联反馈串联反馈反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈 1fiof1rruuau i1fo)1(urru 反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈uorfuir2r1+ 下一页下一页上一页上一页 auf 为正值，即为正值，即 uo与与 ui 极性相同。极性相同。因为因为 ui 加加 在同相输入端。在同相输入端。 au

15、f只与外部电阻只与外部电阻 r1、rf 有关，与运放本有关，与运放本 身参数无关。身参数无关。 auf 1 ，不能小于，不能小于 1 。 u = u+ 0 ，反相输入端不存在，反相输入端不存在“虚地虚地”现象。现象。下一页下一页上一页上一页 当当 r1= 且且 rf = 0 时，时，uo = ui ， auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uorfuir2r1+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。uoui+ 应用：在电路中起隔离前后两级应用：在电路中起隔离前后两级电路的作用。电路的作用。r2rlr1+_u2+_u1_+ +_uir1r2rl+_u212122urrru 例例下一页下一页上一页上一页 左图是一电压跟随器，左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，在电压跟随器的输入端，当负载当负载rl变化时，其两端变化时，其两端电压电压 uo不会随之变化。不会随之变化