G电子技术基础-第5章_集成运放电路

1、第第5章章集成运放电路集成运放电路成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院自动化工程系自动化工程系 雷永锋雷永锋2013第第5 5章章 集成运算放大器集成运算放大器5.1 5.1 集成运算放大器集成运算放大器5.2 5.2 反馈放大电路反馈放大电路5.3 5.3 信号的运算与处理电路信号的运算与处理电路 5.3.1 5.3.1 运算电路运算电路5.3.2 5.3.2 模拟计算模拟计算5.3.3 5.3.3 有源滤波器有源滤波器5.3.4 5.3.4 电流电流- -电压变换器电压变换器5.3.5 5.3.5 电压比较器电压比较器5.1 5.1 集成运算放大器集成运算放大器集成电路：应用半

2、导体工艺,将管 子电阻,导线制造在一块硅片上 的固体器件5.1.1 5.1.1 集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述 集成电路模拟数字集成电路线性非线性稳压器运算放大器宽频带放大器功率放大器模拟乘法器模数和数模转换转换器模拟锁相环特点：特点： 电阻几十电阻几十 几十几十K , 高阻用晶体管代替高阻用晶体管代替 电容电容,电感制作困难电感制作困难, 来用直接耦合来用直接耦合 二极管用三极管集基短接二极管用三极管集基短接, 用发射结代替用发射结代替 对称性要求高对称性要求高差放差放退出退出集成电路的发展集成电路的发展1952年，Darmil提出制造IC的设想，英国1957年，Si晶体触发器，英

3、国1958年，第一块IC， TI公司德州仪器 (Texas Instruments) ，美国1961年，商业化，美国集成电路的规模、最新进展及我国的现状集成电路的规模、最新进展及我国的现状1 1 通用型集成电路运算放大器通用型集成电路运算放大器 2. 2. 专用型集成电路运算放大器专用型集成电路运算放大器一、高输入阻抗型：一、高输入阻抗型：1、特点：差模输入电阻、特点：差模输入电阻rid(1091012) ,输入偏置电流输入偏置电流IIB为几个为几个PA几十个几十个PA。2、构成：利用、构成：利用FET输入阻抗高、输入阻抗高、BJT电压增益高的优点，相结合而构成差分输入级电路电压增益高的优点，

4、相结合而构成差分输入级电路3、应用：生物医学电信号测量和精密放大电路、有源滤波器、取样、应用：生物医学电信号测量和精密放大电路、有源滤波器、取样-保持放大器，对保持放大器，对 数和反对数放大器和模数、数模转换器等。数和反对数放大器和模数、数模转换器等。二、二、高精密、低漂移型：高精密、低漂移型：2、构成：采用超、构成：采用超 BJT管、低噪声差分式输入级和减小温漂的自动控温电路及低温度管、低噪声差分式输入级和减小温漂的自动控温电路及低温度 系数的精密电阻组成电路。系数的精密电阻组成电路。3、应用：用于毫伏量级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电、应用：用于毫伏量级或更低的微弱

5、信号的精密检测、精密模拟计算、高精度稳压电 源及自动控制仪表中。源及自动控制仪表中。三、三、高速型高速型：1、特点：转换速率、特点：转换速率SR30V/us最高可达几百伏最高可达几百伏/us，单位增益带宽，单位增益带宽BWG10MHZ。2、构成：尽量采用构成：尽量采用NPN型管，采用型管，采用FET和和BJT相兼容的相兼容的BiFET或用全或用全MosFET结构。结构。3、应用：应用于快速、应用：应用于快速A/D和和D/A转换器、有源滤波器、高速取样转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、保持电路、锁相环、 精密比较器和视频放大器中。精密比较器和视频放大器中。四、四、低功耗型低功耗型：

6、1、特点：电源电压、特点：电源电压 15V时，时，Pmax 6mW，或低电源电压（如，或低电源电压（如1.54V）时，具有低的）时，具有低的 静态功耗和保持良好的电气性能静态功耗和保持良好的电气性能2、结构：采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻电路。、结构：采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻电路。3、应用：对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术研究设备中。、应用：对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术研究设备中。五、五、高压型高压型：1、特点：具有高输出电压或大的输出功率。、特点：具有高输出电压或大的输出功率。2、结构：利用、结构：利用BJT的的cb结和单

7、管的半接方式来提高耐压，或用结和单管的半接方式来提高耐压，或用FET的输入级。的输入级。4. 4. 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数 （） 开环电压增益开环电压增益 103107（60140dB） （） 输入失调电压输入失调电压 当输入电压ui=0时，u00 （） 输入失调电流输入失调电流 IOS=|IB1-IB2| （） 输入偏置电流输入偏置电流 (IB1+IB2)/2 （） 最大差模输入电压最大差模输入电压 一般为5V；F007型的则为30V （） 静态功耗静态功耗 一般为几十到几百毫瓦 F007型集成电路的主要参数 参数符号和数值参数符号和数值开环电压增益Ao=2105最

8、大输出电压UP-P=14V共模输入电阻ri=1M最大差模输入电压30V输出电阻ro=0.6k最大共模输入电压13V共模抑制比KCMR=90dB输入失调电压Uos=1mV静态功耗Pco=50mW输入失调电压温漂Uos/T电源电压15V =4.5uV/基极输入电流IiB=0.2uA输入失调电流Ios=20nA5.1.2. 5.1.2. 电压传输特性和线性区的等效电路模型电压传输特性和线性区的等效电路模型+uu+uoAo+uu+uo2.2. 电压传输特性电压传输特性 放大器的输出信号和输入信号的关系曲线为传输特性传输特性，运算放大器的电压传输特性如图所示。 Ouo+UomUomui=uu+3 3.

9、线性区的等效电路模型线性区的等效电路模型 uu+A0rid+uouii12i21roA0ui1. 图形符号 开环电压增益开环电压增益或开环电压放大倍数 i.-.)(uAuuAuooo输入端u_稍高于u+; 输出端uo就达到负饱和值-Uom(接近负电源电压-UEE)；输入端u_稍低于u+，输出端uo就达到正饱和值+Uom（接近正电源电压+UCC） “电压控制电压”的受控制源，rid是运算放大器的输入电阻，ro是运算放大器的输出电阻。 5.1.35.1.3、集成运放电路的基本分析方法、集成运放电路的基本分析方法 理想运放的条件理想运放的条件1. 开环电压增益开环电压增益 AVO=;2. 输入电阻输

10、入电阻 Ri =;3. 输出电阻输出电阻 Ro=0;4. 频带宽度频带宽度 BW=;5. 共模抑制比共模抑制比 KCMR=;6. 失调、漂移和内部噪声为零。失调、漂移和内部噪声为零。运算放大器具有很高的Au,并带深度负反馈 的直耦差放集成电路。 具有负反馈电路的各种优点, 可实现比例,加减,乘除,微积分等运算 uu+A0rid+uouii12i21roA0ui1.理想集成运放算放大器 2. 2. 分析原则分析原则(1) 线性应用线性应用 (引进负反馈引进负反馈)1. U+ = U- Uo= - Ao (U- - U+) (U- - U+) = Uo / Ao = 0 Ao 2、 I =0 输入

11、电流近似为输入电流近似为0 rid 3、 虚地虚地 U- = U+ = 0 同相端接地，反相端也近似接地虚地(2) 非线性应用非线性应用 (开环，引进正反馈开环，引进正反馈) 输出饱和输出饱和 Uo = Uom= Us A 例5.2.1. 电路如图所示，试写出输出电流io与输入电流is之间关系的表达式。 R1R2R2iSiOuOiR2uS+0iI2ROii 1RSii SuuuO2SO2O2RRRiuuuuiS1OS1O-1RRRiuuuuiORiiRRRuuRiiS212SS1S2S21OiRRi解：由于图5.2.8引进了负反馈,根据运算放大器线性应用分析原则,运放输入电流为零则又因运放同相

12、端的电位等于反相端的电位则有得5.1.4 5.1.4 集成电路封装和应用知识集成电路封装和应用知识双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212、1414、1616等种类等种类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212等种类等种类213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)C14578C14578外引线排列图外引线排列图四个运放共用四个运放共用V VDDDD、V VSSSS端端每两个运放共用一个偏置电阻每两个运放共用一个偏置电阻 半导体集成电路封装主要有玻璃或陶瓷封装、塑料封装、金属外壳封装

13、等。玻璃或陶瓷封装主要用于小功率集成电路；塑料封装用于小功率和中大功率的集成电路；金属封装用于各种功率等级的集成电路。 表面贴装元器件表面贴装元器件SMTSMT 目前集成电路的封装主要采用表面贴装元器件SMT, 图示为表面贴装SMT和通孔插装THT的比较。 SMTSMT集成电路种类集成电路种类 CHIP片式阻容器件SOIC: Small Outline Integrated Circuit小外形集成电路PLCC: Plastic Leaded Chip Carrier 塑封有引线芯片载体QFP Quad Flat Package 方形扁平封装BGA: Ball Grid Arrange 球栅列

14、封装COB: Chip on Board 板载芯片 SMTSMT应用应用电路电路 线性集成电路应用知识线性集成电路应用知识 （1）对线性集成电路的参数进行测试制造厂家在线性集成电路出厂前都进行过测试。各种参数列于产品样本中。根据需要可查阅这些资料，了解线性集成电路的性能和指标，但是这些参数只是典型数据。为了缩短所设计的装置调试装置，在集成电路安装使用之前，常对其主要参数进行测试。测试电路和方法可参阅有关资料。因篇幅所限，故在此不作介绍。（2）调零线性集成电路存在着失调电压和电流。当输入信号为零，而输出不为零时，应调节外加的调零电位器，使输出也为零。（3）消除自激振荡线性集成电路是一个高增益、多

15、级直耦放大电路。在应用中若引入较深的负反馈，往往容易引起自激，使电路不能正常工作。为此在应用中要对电路进行适当的频率补偿和相位补偿，以便消除自激，使电路闭环时能稳定工作。补偿元件做在集成块中的称为内补偿型集成电路，而外加补偿元件的称为补偿型集成电路。（4）保护措施输入保护在一些应用电路中，如比较器、方波发生器等电路，会使集成电路输入端承受过高的差模输入电压，为此在输入端应加入限幅电路加以限制。输出保护由于负载变化或其它原因使集成电路的输出电流过大时，常引起集成块的损坏，因此输出要采用保护措施。保护电路可查阅有关资料，根据所学知识可以进行分析。 5.2 5.2 反馈放大电路反馈放大电路科学技术：

16、控制，通信，生物技术科学技术：控制，通信，生物技术人类社会：社会政治，管理，生活人类社会：社会政治，管理，生活，爱情爱情5.2.1 5.2.1 反馈概念反馈概念1. 反馈: 从输出端取出部分或全部信号，经某种(反馈)电路 以一定方式引回到输入端， 与原输入信号叠加后再作用到放大电路, 构成闭合回路反馈类型反馈类型 正反馈：反馈信号削弱输入信号正反馈：反馈信号削弱输入信号, 使使AU降低降低 负反馈：反馈信号增强输入信号负反馈：反馈信号增强输入信号, 使使AU提高提高 输出端：输出端：电压负反馈，电流负反馈电压负反馈，电流负反馈 输入端：输入端：串联负反馈，并联负反馈串联负反馈，并联负反馈 直流

17、反馈直流反馈 交流反馈交流反馈反馈应用反馈应用开环开环闭环闭环退出退出闭环放大倍数的一般表达式闭环放大倍数的一般表达式 开环放大倍数开环放大倍数ioXXA反馈网络的反馈网络的反馈系数反馈系数 ofXXF放大电路的放大电路的闭环放大倍数闭环放大倍数fiiXXXFAAXXXAXXA1)(fiiof2. 2. 反馈的基本方程反馈的基本方程 反馈深度 它反映了反馈对放大电路影响的程度。可分为下列三种情况:.1FA 环路增益环路增益 是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益,当当 11时称为时称为深度负反馈深度负反馈，.FA.FA.f.11FFAAA (1)当当 1时，时， ，相当负反馈，相当负反馈 (2

18、)当当 1时，时， ，相当正反馈，相当正反馈 (3)当当 =0 时，时， = ，相当于输入为零时仍有输出，相当于输入为零时仍有输出，“自激状态自激状态” 1 AF.1 AF.1 AF.A.fA.fA.fA.A.在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数在深度负反馈条件下，闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数5.2.2 5.2.2 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响串联反馈Ri 并联反馈Ri电压反馈Ro 电流反馈Ro增益与通频带之积为常数HmHmmmfHmf)1 ()1 (AFAFAAA退出退出1、降低放大倍数、降低放大倍数.f.11FFAAA2、提高放大倍数稳定性、

19、提高放大倍数稳定性AdAAFAdA11ff3、改善波形失真、改善波形失真4、展宽通频带、展宽通频带5、输入、输入 / 输出电阻影响输出电阻影响FXiAXd-XfXo+电压反馈与电流反馈的判断：电压反馈与电流反馈的判断：电压反馈: 将输出电压短路，若反馈回来的反馈信号为零，电流反馈: 若反馈信号仍然存在，串联反馈和并联反馈并联反馈: 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极 此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；串联反馈: 反之，加在放大电路输入回路的两个电极 此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。 5.2.3 5.2.3 反馈类型的分析反馈类型的分析正正/ /负负反馈的判断反

20、馈的判断瞬时极性法瞬时极性法电压电压/ /电流电流反馈的判断反馈的判断v vo o短路法短路法串联串联/ /并联并联反馈的判断反馈的判断输入节点法输入节点法负反馈：反馈支路接到负反馈：反馈支路接到 “ - ”端端 正反馈：反馈支路接到正反馈：反馈支路接到 “+”端端输入：串输入：串/并联并联 同相同相/反相输入反相输入 输出：电压输出：电压/电流电流 直接反馈直接反馈, 电压电压/从输出分流支路取出从输出分流支路取出退出退出交流反馈和直流反馈交流反馈和直流反馈交流反馈: 反馈信号只有交流交流成分时，直流反馈: 反馈信号只有直流直流成分时，交直流反馈:既有交流成分又有直流成分时。正反馈和负反馈的

21、判断瞬时极性法：正反馈和负反馈的判断瞬时极性法：正反馈:反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同相同的 反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相反相反的，负反馈:反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相反相反的 反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同相同的I.iX.iX.fI.iI.f 并联反馈并联反馈+-X.iX.fI.iI.fI.i.XfX.iU.i.UfU.i+-X.fX.i.UfU.iU.i 串联反馈串联反馈例例5.3.1 试判断图所示电路的反馈组态。试判断图所示电路的反馈组态。解解: 根据瞬时极性根据瞬时极性法，见图中的红色法，见图中的红色“+”

22、、“- -” 号，号，可知是负反馈。可知是负反馈。 因反馈信号和因反馈信号和输入信号加在运放输入信号加在运放A1的两个输入端，的两个输入端，故为串联反馈。故为串联反馈。 因反馈信号与输出电压成比例，故为电压反因反馈信号与输出电压成比例，故为电压反馈。馈。结论：交直流串联电压负反馈。结论：交直流串联电压负反馈。R3R2A1A2R4R5R6R1iUoUfU5.3 5.3 信号的运算与处理电路信号的运算与处理电路 U+ = U-U+ = U- I = 0I = 05.3.1 运算电路运算电路5.3.2 模拟计算模拟计算5.3.3 有源滤波器有源滤波器5.3.4 电流电流-电压变换器电压变换器5.3.

23、5 电压比较器电压比较器 运算电路运算电路R1 vivoRfRP-+i1if平衡电阻平衡电阻RP = RNeqR1/Rf电压并联负反馈电压并联负反馈i1fovRRvi1fo)1 (vRRvR2vivo-+电压串联负反馈电压串联负反馈RfR1AOUIU同相跟随器(1)、反相输入比例运算电路、反相输入比例运算电路1 1 、比例运算电路、比例运算电路根据运放分析原则 fiiuu1, 0,111RuRuuiiiFoFofRuRuui1RRuuAFiof闭环放大倍数闭环放大倍数平衡电阻平衡电阻：Ui=0时，保持差放对称结构 反向瑞看进去等效电阻 R1/RF 同向瑞看进去等效电阻 R2 = R1 / RF

24、11RRuuAFiof反相器反相器 R1 = R2 = RF(2)、同相输入比例运算电路、同相输入比例运算电路111RuRuiiFoiFofRuuRuui11RRuuAFiof闭环放大倍数闭环放大倍数平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RF1iofuuA当R1=(断开)或RF=R2=0时，可得同号器同号器(电压跟随器电压跟随器)根据运放分析原则 fiiuu1, 02 2、加法运算电路、加法运算电路(1)、反相输入加法运算电路、反相输入加法运算电路(2)、同相输入加法运算电路、同相输入加法运算电路R2RFifi12i11uoui3+ui2ui1i13R12R13R11R21R1RFuoui3u

25、i2ui1R22R23+11111Ruii12212Ruii13313Ruii,0uu131211iiiRuuiFof313212111iFiFiFouRRuRRuRRu平衡电阻 R2 = R11 / R12 / R13 / RF 当R11 = R12= R13= R1时 )(3211iiiFouuuRRu输出)(13322111iiiFouKuKuKRRu)/(/23222123221RRRRRK)/(/23212223212RRRRRK)/(/22212322213RRRRRK平衡电阻 R21 / R22 / R23 = R2 / RF3、减法、减法(差动输入差动输入)运算电路运算电路退出

26、退出FfiRuuiRuui01113232RRRuuui(1). 用运放分析原则分析用运放分析原则分析11232311iFiFouRRuRRRRRu)(121iiFouuRRu为RR和RR时11iFouRRu3232RRRuui232311)1 ()1 (iFFouRRRRRuRRu uRRuRRRRRuuuFiFooo1232311 (2).用叠加原理分析用叠加原理分析Ui1单独作用：Ui2接地，反相比例运算电路 Ui2单独作用：Ui1接地，同相比例运算电路 叠加例5-6 电路如图所示，求电路中的输出电压uo VuRRuRRuiFiFo823060)4(20602121111VuRRuiFo

27、62)30601 ()1 (312+2V4V+20k60k30k60k60k30k30k20k20k30k2VuO1uO2uOVuuu6023060001uuuuVuuuo5)4-9(6030603010102 Vuuuo560306030101021. 运放A1是反相加法运算电路,2. 运放A2是同相比例运算电路3. 运放A3是差动运算电路, (1). 用运放分析原则(2). 用叠加原理？4 4、微分和积分运算电路、微分和积分运算电路2、积分、积分 用途用途: 去除高频干扰去除高频干扰, 将方波变为三角波将方波变为三角波, 移相移相, 在模数转换中将电压量变为时间量在模数转换中将电压量变为时

28、间量11RuiiifdtuCRdtiCuuiFfFco1111、微分、微分用途用途: 把三角波变为方波把三角波变为方波dtduCdtduCiic111FFfoRiRiu1dtduCRuiFo1退出退出ARR+_+_CCIuiiOuARRIO+_+_CCR+_uCuuii积分电路的用途积分电路的用途将方波变为三角波（将方波变为三角波（vi：方波，：方波，频率频率500Hz，幅度，幅度1V）将三角波变为正弦波（将三角波变为正弦波（vi：三角波，：三角波，频率频率500Hz，幅度，幅度1V） 把三角波变为方波把三角波变为方波（vi：三角波，频率1KHz，幅度0.2V）微微分电路的用途分电路的用途（v

29、i：正弦波，频率：正弦波，频率1KHz，幅度，幅度0.2V）例5.3.2 求 输 出 电 压 Uo与 输 入 电 压 Ui 之 间 关 系 的表 达 式 。A1为 差 动 输 入， RF R1 RFU01=- - UI + - (1+ - ) Uo R1 R1+RF R1 A2 为 电 压 跟 随 器 Uc=Uo RC dUc / dt + Uc =U01Uo =RF UI dt /(R1CR) uO 1RFR1R+-+uIRR1RFuOuC+-+A1A2C5. 对数对数, 反对数反对数, 指数指数和和 对数乘法对数乘法, 除法除法 RviiIIDODvvsITORIvVvln)1(TDVvs

30、DeIi时时TDVvRveIeIIVvsVvsTOTDRviiiIIECOBEvv(1). 对数电路对数电路退出退出vI-+ADRvOiDRiI_+vDidi1RPiCR1uiuo+T(3). (3). 指数电路指数电路RvieIiVvORVvsDTITI时时TIVvsOeRIv(2). (2). 反对数运算电路反对数运算电路 fUSCieIiiUTFofRuiiUTUFSFfoeRIRiuRFTRPifuiuo+vI-+ADRvOiDRiR0(4). 乘法电路乘法电路32313231332141410KKYKKXKKRYKKRXuKOvvVvVvKKvO 21212121213lglglg)

31、(KRYKRXKRYKRXOOOVvVvVvVvvvvvO2-+ARRvO3RvO1RvXvY对数电路1对数电路2指数电路vO22lgRYVvK11lgRXVvK331410OuKK)/(10323132313321414KKYKKXKKRYKKRXuKOvvVvVvKKvO (5). (5). 除法电路除法电路YXOvvKvKKK则则如如果果321vO2-+ARRvO3RvO1RvXvY对数电路1对数电路2指数电路vO22lgRYVvK11lgRXVvK331410OuKK5.3.2 模拟计算模拟计算系统描述：微分方程或代数方程求解： 构成电子模拟结构图, 确定各器 件参数 构成专用模拟计算

32、机运行： 确定初始值, 启动记录退出退出系统测试：给初始电压，测输出电压波形0005122udtdudtud二次积分dtudtdudtduo)51(00dtdtudtduuoo)51(000udtdtduuo二阶微分方程05122xdtdxdtxd00dtdxt初始条件为, x（0）=1cm,模拟电路模拟电路 第一级: 求和积分电路第二级: 积分电路, 其输出电压为即为所求的解。dtuCRdtduCRuoFoF)(1)(11111121dtdudtudtduuooo)()(511dtdtduCRuoF22121sFMCRF111221取CF1=1F;R11=1k、R12=5k5.3.3 5.3

33、.3 有源滤波器有源滤波器滤波器的用途滤波器的用途: 滤波器主要用来滤除信号中无用滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，的频率成分，例如例如，有一个较低频率的信号，其中，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。包含一些较高频率成分的干扰。理想有源滤波器的理想有源滤波器的频响：频响：滤波电路基础知识滤波电路基础知识按滤波电路按滤波电路的功能分的功能分低通滤波器低通滤波器LPFLPF带阻滤波器带阻滤波器BEFBEF高通滤波器高通滤波器HPFHPF带通滤波器带通滤波器BPFBPF1 1 有源低通滤波器有源低通滤波器R RR R1 1R RF Fu uo ou ui iu uc c设输入为正弦波，可以用相量表示RCUUCRCUUCj1j1j