第16章运算放大电路

1、第16章运算放大电路 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数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。它是发展最早、的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。应用最广泛的一种模拟集成电路。运放的应用领域：信号处理、信号测量运放的应用领域：信号处理、信号测量 、波、波 形转换、自动控制等。形转换、自动控制等。运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积 分、微分、对数等运算。分、微分、对数等运算。输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号

2、。阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入级输入级 中间级中间级输出级输出级输入端输入端输出端输出端中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的中间级：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。共发射极放大电路。输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由输出级：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。互补对称电路或射极输出器构成。uA741741 8 81 17 72 23 34 45 56 6uo+u+u+UCCUEEuo+u+u uo+u+u 1、Auo 高高: 8080dBdB140dB140dB2、rid 高高: 10: 105 510101

3、111 3、ro 低低: 几十几十 几百几百 4、KCMR高高: 7070dBdB 130dB130dB1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。使输出和输入保持不失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 未接反馈电路时的差模电压放大倍数。未接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，愈高， 所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。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 运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运 放的共模抑制性能

4、下降，甚至造成器件损坏。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电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui) +UOMUOM线性区线性区饱和区饱和区 u+ u uo Ouo = Auoui= Auo( (u+ u)1、线性区：、线性区： uo = Auo( (u+ u)2、非线性区、非线性区饱和区：饱和区： u+ - - u X 时，时，uo = +UOM u+ - - u u 时，时， uo = +UOM u+ 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快

5、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，称一衰减很大，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快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，组成波环节串接起来，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)(1

6、1Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+设设ui为正弦波信号，则为正弦波信号，则故：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，称为有源高通滤波器。的信号被阻止，称为有源高通滤波器。 ,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控制信号控制信号模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟

7、输入信号 SuC+ui+uo+ 采样保持电路，多用于模采样保持电路，多用于模- -数转换电路（数转换电路（A/DA/D）之前。由于之前。由于A/DA/D转换需要一定的时间转换需要一定的时间, ,所以在所以在A/DA/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样转换前必须对模拟量进行瞬间采样, ,并把采样值并把采样值保存一段时间，以满足保存一段时间，以满足A/DA/D转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储电容采样存储电容电压跟随器电压跟随器uG为高电平，为高电平，S S闭合闭合( (场效应管导通场效应管导通) )， ui对存储电容对存储电容C C充电，充电，u uo o= u= uC C = u= ui

8、i 。uG为为0 0，S S断开断开( (场效应管截止场效应管截止) )，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ 电压比较器用来对两个输入电压信号的大小进电压比较器用来对两个输入电压信号的大小进行比较。在输出端显示比较结果。行比较。在输出端显示比较结果。 数模转换、数字仪表、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 。uiUR 。URuouiR2+ R1+电压传

9、输特性电压传输特性uiuoOUR可见，在可见，在 ui =UR 处输处输出电压出电压 uo 发生跃变。发生跃变。输出跃变所对应的输入电压称阈值电压输出跃变所对应的输入电压称阈值电压(门限电平门限电平) 。 URuouiR2+ R1+uiuoOURuitOUROuot +UOM UOMt1t2当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。ui UR，uo=+ UOMui UR，uo= UOMuiuoURR2+ R1+uiuoOURtuiOURt1t2Ouot +UOMUOMUZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 UOM +UOMuiuoO

10、URtuituo+UOMUOMUR=0uouiR2+ R1+ uo=UOM T导通导通 KAKA有电有电 停止电加热停止电加热URuoR2+ R1uiRTR3R4DKA+UCC控控制制对对象象电加热器电加热器KA220VRFiuu R2uoui+ R1+ oFuRRRu 22当当 uo = + UOM， 则则 当当 uo = UOM， 则则门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制RFR2uoui+ R1+)(22OMFuRRRuu)(22OMFuRRRuuuiuoO UOM+UOM U电压传输特性电压传输特性 UuitOuoOt+UOMUOM U U两次跳变之间具两次跳变之间具有迟滞特

11、性有迟滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+ R1+)(OMF 2 2RF 2FRURRRURRRu可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴， UU +URRFR2uoui+ R1+ U UOMF 2 2 2URRRUUU V2V6201010 U V 2V6201010 U V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020 UUuiuoO+UOM电压传输特性电压传输特性HULUuoui+ + UHULD1D2 o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU 动画动画 RCtCCCCeuuutu 0RU RU

12、o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC A1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u- = 0 ，所以当，所以当 u+ = 0时，时，A1状态状态改变改变0o2111o2121 uRRRuRRRu当当 时时，即即当当 Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1动画动画TT1T2T = T1+ T2 = 2T1 =

13、 2T2RCRRTf2141 tRCUuiouo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改变比较器的输出改变比较器的输出 uo1、电阻、电阻R1 、R2 即可改即可改变三角波的幅值。变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。即可改变三角波的频率。动画动画Z12URRZ12URR O动画动画1.1.分类分类按按 技技 术术 指指 标标 分分 ：通用型：通用型、高速型高速型、高阻型高阻型、低功低功 耗型耗型、大功率型大功率型、高精度型等高精度型等。按按 内内 部部 电电 路路 分分 ：双极型（晶体管）、：双极型（晶

14、体管）、 单极型（场效晶体管）单极型（场效晶体管）按集成运放数目分：单运放、双运放、四运放。按集成运放数目分：单运放、双运放、四运放。2.2.根据实际要求选用根据实际要求选用输入信号微弱：第一级应选用高输入信号微弱：第一级应选用高r ridid、高、高K KCMRCMR、高、高A Au uo o、 低失调电压、低温度漂移的运放。低失调电压、低温度漂移的运放。 由于运放内部由于运放内部T T的极间电容和其他寄生电容易产的极间电容和其他寄生电容易产生自激振荡，破坏正常工作。生自激振荡，破坏正常工作。外接外接RCRC电路或消振电容，破坏自激振荡的条件。电路或消振电容，破坏自激振荡的条件。将输入端接地

15、，用示波器观察输出，将输入端接地，用示波器观察输出， 有无振荡。有无振荡。目前运放内部已有消振元件，毋须外部消振。目前运放内部已有消振元件，毋须外部消振。1.1.消振方法消振方法2.2.判别消振方法判别消振方法 由于运放内部参数不完全对称，输入信号为零由于运放内部参数不完全对称，输入信号为零时，输出信号不为零。时，输出信号不为零。调零电路由：调零电路由：-V-VEE EE 、 R(1K)R(1K)、 调零电位器调零电位器(10K)(10K) 组成。组成。将两输入端接地，调节调零电位器使输出等于零。将两输入端接地，调节调零电位器使输出等于零。1.1.调零电路调零电路2.2.调零方法调零方法+UCCUEEuo+u+u 1. 输入端保护输入端保护防止输入差模或共模电压过高损坏输入级晶体管。防止输入差模或共模电压过高损坏输入级晶体管。 在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。限制在二极管的正向压降以下。uoRFuiR2R1+ D1D22.2.输出端保护输出端保护作用：防止作用：防止uo过大过大方法：利用稳压二方法