第11章集成运算放大器改

1、第第 11 章运算放大器章运算放大器11.1运算放大器的简单介绍运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用11.4运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用11.5运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用11.6使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题第第 11 章运算放大器章运算放大器分立电路分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。是由各种单个元件连接起来的电子电路。 集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、集成电路特点：体积小、重量

2、轻、功耗低、可靠性高、价格低。价格低。集成电路分类集成电路分类集成电路集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按集成度按导电类型按导电类型按功能按功能小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容数字和模拟数字和模拟各类型号集成芯片各类型号集成芯片 1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好； 2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替

3、，电位器需外接；源代替，电位器需外接； 3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；容、电感和变压器均需外接； 4. 二极管多用三极管的发射结代替。二极管多用三极管的发射结代替。第第 11 章运算放大器章运算放大器集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。合放大器。用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。自动控制等领域。本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号

4、处理、波形产生方面的应用，并介绍放大运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。电路中的负反馈。11.1.1 电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源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。的共发射极放大电路构成。 偏置电路偏置电路: 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组

5、成 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 15VI3430PfR815VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的内部电路图的内部电路图 运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际

6、运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b)(a) 符号符号; (b)引脚引脚 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出11.1.2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真关系的最大输出电压。F007(13V） 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。一般约为愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。一般约为1041076. 共模输入电压范

7、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，运放的共模抑制性能下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。降，甚至造成器件损坏。 3. 输入失调电压输入失调电压 UIO 当当UI=0，UO0在输入端加一很小的补偿电压，一般几毫伏在输入端加一很小的补偿电压，一般几毫伏 4. 输入失调电流输入失调电流 IIO 当输入信号为零时，两个输入端基极电流，一般零点零微安当输入信号为零时，两个输入端基极电流，一般零点零微安 5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB 输入信号为零时，两个基极电流的平均值，一般零点几微安输入信号为零时，两个

8、基极电流的平均值，一般零点几微安 级级线性区：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)u+ 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更

9、快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故： 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通

10、滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。 数模转换、数

11、字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 1. 输出只有两种可能输出只有两种可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 当当 u+ u 时，时， uo = + Uo (sat) u+ UR， uo= +UOM，T 导通。导通。 KA 动作，动作，切断电源。切断电源。 温度未超过规定值，温度未超过规定值，Ui UR， uo= UOM，T 截止。截止。 KA 不动作。不动作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+uiuo11.5.1RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路1自激振荡的条件自激振荡的条件

12、电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的电路中无外加输入电压，而在输出端有一定频率和幅度的信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。信号输出，称这种现象为电路的自激振荡。S当当 S 合于合于 1 时，时，开环电压放大倍数开环电压放大倍数diuu doUUA 则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。反馈系数反馈系数又又所以自激振荡的条件是：所以自激振荡的条件是：difuuu ofUUF dfUU 1ofdo UUUUAF2F+ +uf- -若若当当 S 合于合于 2 时，时，Auduiuo1+ +- -+ +- -+ +- -11.5.1RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路( (1) ) 相

13、位条件：相位条件：即即( (2) ) 幅度条件：幅度条件：即即 = A + F = 2n ( (n = 0，1，2， ) )自激振荡的条件：自激振荡的条件：1ofdo UUUUAF if同同相相，为为正正反反馈馈；与与输输入入电电压压反反馈馈电电压压UUdfUU 1ofdo UUUUAF反馈电压反馈电压与输入电压的大小相等；与输入电压的大小相等；幅度特性幅度特性Uom=f(Ufm)反馈特性反馈特性Ufm =FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振荡的建立过程自激振荡的建立过程2振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定振荡建立时应满足：振荡建立时应满足：即即dfUU 1 AFSAuduiuo12F

14、UfmUomO微小的扰动起始信号微小的扰动起始信号不断通过放大不断通过放大 反馈反馈 再再放大放大 再反馈，使再反馈，使 Uom 不断增大，一直到达交不断增大，一直到达交点点 A 时，稳定下来。时，稳定下来。振荡稳定振荡稳定不能振荡不能振荡1 AF1 AF+ +- -+ +- -+ +- -+ +uf- -( (2) )选频电路选频电路同相比例运算电路同相比例运算电路选频电路选频电路其电压放大倍数为其电压放大倍数为( (1) )放大电路放大电路由集成运放构成的同相由集成运放构成的同相比例运算电路。比例运算电路。由由 RC 串并联电路组成，串并联电路组成，它也是正反馈电路。它也是正反馈电路。1F

15、1RRA uo+RFR1u+3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路ui+CRRC3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路oiUUF RCff 210若要与同相，上式分母若要与同相，上式分母的虚部应为零的虚部应为零oUiU31oi UUF1Fio1RRUUAu 这时这时同相比例运算的电压放大倍数为同相比例运算的电压放大倍数为可见，当可见，当 RF = 2R1 时，时，| |Au| |= 3 | |AuF| |= 1即即j2213()CCRXRX220CRX12CRXfC uo+RFR1u+ui+CRRCuo3RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路在特定频率在特定频率ui 和和 uo 同相，即同相，即 RC

16、 串并联电串并联电路具有正反馈和选频作用，路具有正反馈和选频作用， ui 和和 uo 为正弦波。为正弦波。时，时，| |AuF| |= 1电路将等幅振荡；电路将等幅振荡；若若RF 2R1 ，则，则| |AuF| | 2R1 ，则，则| |Au| | 3| |AuF| | 1 电路起振后，振幅越来至饱和；电路起振后，振幅越来至饱和；所以，振荡时应满足所以，振荡时应满足 RF = 2R1。起振时应满足起振时应满足| |Au| | 3 即即 RF 2R1。若若 RF = 2R1 ，则，则| |Au| |= 3012fRC+RFR1u+ui+CRRCuo+RFR1CRRCRT4RC 正弦波振荡电路稳幅

17、措施正弦波振荡电路稳幅措施( (1) )用热敏电阻稳幅用热敏电阻稳幅起振时由于温度低，起振时由于温度低，RT 2R1。振荡后温度增加振荡后温度增加 RT 减少到等于减少到等于 2R1。( (2) )用二极管稳幅用二极管稳幅用具有负温度系数的热敏电阻用具有负温度系数的热敏电阻 RT 代替代替 RF。5振荡频率的改变振荡频率的改变RCf 210由由可知可知改变改变 R、C 或同时改变或同时改变 RC 都都可改变振荡频率。可改变振荡频率。RF1RF2D1D2RFCRoUzDZR2R1 z2 1 2RURRRU Z2 1 2RURRRU RFCRoUzDZR2R1RFCRoUzDZR2R12 RCtc

18、ccceuuutu 0Z212U RRR 1uo ,uC Z212U RRR UZ+UZ1 集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，同时还应注意以下问题。同时还应注意以下问题。 3. 调零调零 外接调零电路外接调零电路 为了提高集成运放的精度为了提高集成运放的精度,消除因失调电压和失调消除因失调电压和失调电流引起的误差电流引起的误差,需要对集成运放进行调零。需要对集成运放进行调零。 集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，集集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，集成运放设有外接调零电路的引线端成运放设有外接调零电路的引线端, 按说明书连接即按说明书连接即可，如常用的可，如常用的 741，其中电位器，其中电位器RP可选择可选择10k的的电位器电位器, 如图所示。如图所示。1. 选用元件选用元件 按技术指标选按技术指标选2. 消振消振 外接外接 RC 消振电