集成运算放大器与其应用

1、集成运算放大器与其应用第一节第一节 直接耦合放大器直接耦合放大器 级与级之间不经电抗元件而直接连接的方式，称为直接耦合。 UCC 零点漂移-当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。 产生原因-温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第一级产生的零漂对放大电路影响最大。 各级工作点相互影响 适于放大直流或变化缓慢的信号 电压放大倍数为各级放大倍数之积 零点漂移第二节第二节 差动放大电路差动放大电路 基本差动放大电路基本差动放大电路 典型差动放大电路典型差动放大电路 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 差动放大电路的输入输出

2、方式差动放大电路的输入输出方式一、基本差动放大电路一、基本差动放大电路电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。1.抑制零点漂移的原理静态时，Ui1=Ui2=0，由于电路对称II2C1C UU2CE1CE 0UUU2CE1CE0 RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2uiUCCuoV1V2温度上升，引起两边电流变化 II2C1C UU2CE1CE 0UUU2CE1CE0 由于电路对称，零漂被抑制。 2.动态工作原理差模信号极性相反，幅值相同的信号。ui1=ui2共模信号极性相同，幅值相同的信号。u i1=u i2差模输入（信号）2uuui2i1 i II2C1C UU2CE1CE U2U

3、Uu1CE2CE1CE0 共模输入（干扰信号）0uuu2i1 ii II2C1C UU2CE1CE 0UUu2CE1CE0 1i1CE1i1CEi1CEdu/U u2/U2u/U2A 0AC 差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。共模、差模同时输入2uuuididid21 uuu21icicic 2uuuidic1 i 2uuuidic2i uuu2i1iid )uu(21u2i1iic iccidd0uAuAu 若电路完全对称，AC0，只有差模信号输出，若电路不完全对称，AC0，既有差模信号又有共模信号输出。二、典型差动放大电路二、典型差动放大电路加入射极公共电阻RE（共模

4、反馈电阻）可以克服电路不完全对称引起的零漂。负电源EE的作用是补偿RE上的电压降，从而保证两管有合适的静态工作点。RCRCRB1RB1RPREEEUCCui1ui2uiuoV1V2ToIC1IC2IEUEUBE1UBE2IB1IB2IC1IC2RE能够抑制零漂、共模信号，对差模信号无影响。且RE越大，抑制作用越强。但EE也需增大。RP为调零电阻，用来调节平衡。一般取值不大。KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数KCMR越大，抑制共模信号越强。 AAKCdCMR共模抑制比（KCMR）)rR(RAbe1BLd RL=RC/(RL/2)接入负载电阻RL电路分析

5、静态时流过RE电流=IE1+IE2=2IE动态时)rR(RAbe1BCd 由于RE对差模信号无影响。忽略RP的影响KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数KCMR越大，抑制共模信号越强。 AAKCdCMR共模抑制比（KCMR）差模输入电阻rid2(RB1+rbe)忽略RP输出电阻rO2RC三、具有恒流源的差动放大电路三、具有恒流源的差动放大电路RCRCRB1RB1RPUCCuoV1V2UEERRR1R2RE3V3uiR1、R2提供稳定的iB，晶体管工作在放大区时，iC近似恒定。rCE。ui1ui2V3、RE3、R1、R2组成具有恒流源特性的电路。电路采用恒

6、流源代替RE，其等效电阻大，抑制共模信号、零漂能力强，又不需要过大的负电源UEE。UEEuiuO四、差动放大电路的输入输出方式四、差动放大电路的输入输出方式双端输入、双端输出的差动电路单端输入、双端输出的差动电路输入差模信号近似均匀的分布在两个管子上主要技术指标与双入双出一致。RB1单端输出只取自一个管子的集电极变量。依对称性：)rR(2RAbe1BCd rORCuO单端输入、单端输出的差动电路RB1UCCRCRC双端输入、单端输出的差动电路第三节第三节 集成放大器简介集成放大器简介 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍 集成运算放大器的主

7、要技术指标集成运算放大器的主要技术指标 集成运算放大器的理想化模型集成运算放大器的理想化模型 集成运算放大器的电压传输特性及其分析特集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点点一、集成运算放大器的特点一、集成运算放大器的特点 集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。 二、集成运算放大器的简单介绍二、集成运算放大器的简单介绍1.集成运放的组成差动输入级中间级输出级偏置电路输入输出抑制零漂，共模抑制比高低输出电阻，多采用射随器放大作用的主要单元提供各级静态电流2.集成运放的管脚图及符号F

8、007管脚图F741（F007）12348765符号A-反相输入端B-同相输入端F-输出端AVu+uuoABF 信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。 信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。 三、集成运算放大器的主要技术指标三、集成运算放大器的主要技术指标1.输入失调电压UiO当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好（5mV）2.输入失调电流IiO输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。IiOIB1IB2其值越小越好（1nA10nA）3.开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大倍数其值越高越好（104107）5.最大输出电压Uo

9、pp输出不失真的最大输出电压值6.共模抑制比KCMR F741 通用型集成运放通用型集成运放 F324通用型单电源四运放通用型单电源四运放 AD547 低温漂精密运放低温漂精密运放 OP07低输入失调电压精密运放低输入失调电压精密运放 AD744 高速运放高速运放常用集成运放芯片四、集成运算放大器的理想化模型四、集成运算放大器的理想化模型实际运放u+uuoriroAOUiuiA0很高，104ri很高，几十几百Kr0很低，几十几百KCMR很高理想运放u+uuoAOUiuiAOri=rO=0KCMR五、集成运算放大器的电压传输特性五、集成运算放大器的电压传输特性 及其分析特点及其分析特点运算放大器

10、的电压传输特性集成运放的输出电压uO与输入电压ui(u+u)之间的关系uOf (ui)称为集成运放的电压传输特性。uOui+UOMUOMuOAOui=AO(u+u) ui|UiM|，运放饱和，工作在非线性区线性区引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。uoud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。uOui+UOMUOM理想运放的电压传输特性ui0，|uO|UOM即u+ u时，运放处于非线性区。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。 运算放大器的分析特点1.线性区集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚

11、短”。虚短u0AO（uu）AOuuu0AO0uu当u0（接地）uu0称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。u+uuoAOUiui虚断 流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。riII+02.非线性区在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。u+IuoAOUiuI+例：利用理想运放组成的二极管检测电路，求出流过D的电流iD及D两端的电压uD。uoui15V1.5K0.67VDiDiRii0 uu0 iimA105 . 115R0-uiRD iiV67.00D uu解：虚地点第四节第四节 集成运放在信号运算电集成运放在信号运算电路中的应用路中的应用 分析线性区

12、理想运放的两个概念分析线性区理想运放的两个概念 基本运算电路基本运算电路一、分析线性区理想运放的两个概念一、分析线性区理想运放的两个概念虚短uuII+0虚断u+IuoAOUiuI+二、基本运算电路二、基本运算电路比例电路uouiifi1R1R2Rf1.反相比例电路i+0（虚断）u+0u+u0（虚地点） i1=u iR1 if =uu0=u0Rfii+0i1if即ui/R1=u0/Rf1iouRRAffuu u0、ui符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf 与运放的Au无关，仅与R1、Rf 有关。R2平衡电阻同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入

13、级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。R2R1/Rf当R1Rf 时，u0ui，该电路称为反相器。2.同相比例电路uoifi1uiR2R1Rfi+0（虚断）u+uiu+uui （虚短） i1=（0u i）R1if =uu0=(u iu0)Rfii+0i1if1iouRR1Affuu RR1i0iuuuf 当Rf有限值时，R1+uouiR2平衡电阻R2R1/RfAuf=1电路成为电压跟随器。 u0ui此电路输入电阻大，输出电阻小。例：应用运放来测量电阻的电路如图，U10V，R1=1M，输出端接电压表，被测电阻为Rx ，试找出Rx与电压表读数u0之间的关系。RxR1UV解:此电路为反相比例电路1io

14、uRRAxfuu O56i1u10ou1010ouuRRx例：理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。uouiR1R3R2R4u+解:此电路为同相比例电路RR1120 uuuui434RRR uui43412o)RRR()RR1( RR112i0 uu判断这个等式、啊，见鬼了!哈，不错!例：图示电路为T型反馈网络的反相比例电路，试推算输出输入之间的关系。uouii2i1R1RR2R3R4i4i3MRRuiR0u1i222M iRRuRRRRui132i3123M3 )ii(RiRuuu32422o4RM iRi)RR(34242 RuRRRRu)RR(1i3241i42 u+u0

15、（虚地点）ii+0i1i2=u iR1解:)RR/R1(RRRuu342142i0 此电路只在要求放大倍数较大、输入电阻较高和避免阻值过高时才采用。 加法运算电路uoui2ifi2R2RPRf0iiiiiif321 0 uuRuii111 Ruii222 Ruii333 Ruiff0 RuRuRuRuiiif3322110 )(332211RuRuRuRuiiifo ui3i3R3ui1i1R1RRRRf 321若若)(3210uuuuiii RRRRRfP/ 321 平平衡衡电电阻阻在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。求和电路也可从同相端输入

16、，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。减法运算电路（差动运算电路）uoui2ifi1R1R2Rfui1R3)( 011接接地地uuii uRRRRRuifO232311)(1 ( 接接地地）uuii22( 0 uRRuif1102 uRRuRRRRRuuuifif112323102010)(1 ( 利用叠加原理同相端输入ui1反相端输入当R1=R2=R3=Rf =R时，u0=ui2ui1(减法器）)-(RR ,RRRR i1i210123uuuff 时时当当R2/R3=R1/Rf平平衡衡条条件件例：用运放组成的直流毫伏表电路如图所示，设表的内阻可忽略，试求IO与VS的

17、关系。VOVSI2I1R1R1mAI0I解: 电路实为反相比例电路RVO=VSI1=I2(虚断）IO=II2=VO/RVS/R1I=VO/RI1=I2=VS/R1=VS(1/R+1/R1)例：已知RF4R1，求u0与ui1、ui2的关系式。A1+ui1A2uoui2R1R2RFuo解:A1为跟随器；A2为差放。u0=ui1u)RR1(u2i1F0 uRRu)RR1(1i1F2i1F u05ui24ui1uRR01F 例：如图，求u0与ui1、ui2的关系式。A1+ui1A2uoui210Kuo10K30K10K6K解:)1030630(210uuuii 001010uu uuii2135 A1

18、为反向加法器；A2为反相比例电路。)35(21uuii 例：如图，求u0。A1+A3uo100Kuo150K80K20KA2+12K50K100K12K11K30K60Kuo20.3V0.4VA1：反相比例A2：同相比例A3：差动输入解：Vu2 . 1)3 . 0()2080(01 Vu6 . 04 . 0121212)30601 (02 Vuuu2 . 1)(5010001020 积分电路 uouiiCi1RRPC（虚虚断断） 1iiC Ruii 1 dtC1CCiu dtuRCui10 uuCO uituOtUOMuo正比于ui的积分RRP 平平衡衡电电阻阻 延迟 积分电路的应用uitUu

19、OtTU信号延迟时间T后，电压值达到U 方波转化为三角波 uituOt 微分电路 iRuiRRPCiCuo（虚虚断断） iiCR RuiOR RudtudCC0 dtudRCui 0dtudCiCC uo正比于ui的微分uituOtRRP 平平衡衡电电阻阻 ORuu 例：电路如图，已知运放UOMAX=10V，输入信号波形如图，R1M，C，求输出波形。（电容初始能量为零）uiRRPCuoui/vt/s11RC=11060.05106tRCtdtuRCuti20100 u0=UOMAX10=20tuO/vt/s100.5解:例：电路如图所示，已知R1=R2=10K,C=0.1F,集成运放UOmax

20、=18V,求：试导出uo与u1、u2关系式；已知u1、u2波形，试画出uo波形。u1R1RCuou2R2dtudCiCC dtiC1uuC0CRuRuiii221121C dt)RuRu(C1u2211O dt)uu(CR1)dtuCR1dtuCR1(2112211t=10ms 10031002110dt5 . 1101dt)uu(CR1u=15Vt=20msu0=10Vu1/vt/ms10.50.5t/ms10102020u2/vu0/vt/ms1510201012例:已知运放UOMAX=15V试求图中uo1、uo2、uo3及开关S闭合后uo的值。A1+2Vuo1A2uo20.5VR10K1

21、0K10K20KA3uo3R20KRuo1F10KS解:Vu201 Vu5 . 15 . 0)10201(02 V1)5 . 12(2)(1020uuu010230 输出电压超出UOMAX，uo=15VV20dtu10110101)2.0(u2.0003630 第五节第五节 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈 反馈的基本概念反馈的基本概念 负反馈对放大器性能的影响负反馈对放大器性能的影响一、反馈的基本概念一、反馈的基本概念正反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变大。负反馈：输入量不变，输出量由于加反馈而变小。反馈：指将输出量的一部分或全部按一定方式送回到输入回路来影响输入量的一种连接方式。放

22、大电路反馈电路输出信号反馈信号输入信号比较环节净输入信号负反馈的分类电压负反馈-反馈信号取自输出电压,反馈信号与输出电压成比例;电流负反馈-反馈信号取自输出电流,反馈信号与输出电流成比例;串联负反馈-反馈信号与输入信号以串联的形式作用与输入端；并联负反馈-反馈信号与输入信号以并联的形式作用与输入端。串联电流负反馈 电压并联二、负反馈对放大器性能的影响二、负反馈对放大器性能的影响 电压放大倍数被降低电路加入负反馈，使净输入信号减小，等于削弱了输入信号，使得放大倍数减小。增加放大倍数的稳定性电路加入负反馈，放大倍数被降低的同时，也使由于温度、负载、元器件等条件变化而引起的放大倍数的变化大大减小，放

23、大倍数的稳定性得到提高。扩展通频带|A| fBOBF电路加入负反馈，通频带由BO加宽到BF。 减小非线性失真电路加入负反馈，使净输入信号减小，iC减小，改善了非线性失真。串联负反馈增加输入电阻，并联负反馈减小输入电阻。 电压反馈能稳定输出电压，减小输出电阻；电流反馈能稳定输出电流，增加输出电阻。 抑制干扰和噪声放大电路反馈电路加入负反馈的电路，以降低放大倍数为代价，换来了放大器诸多方面性能的改善。 第六节第六节 集成运放在信号处理方集成运放在信号处理方面的应用面的应用 电压比较器电压比较器运放的非线性应用 非线性应用电路具有两种类型， 一类是运放本身工作在非线性状态，如开环或正反馈状态。 另一类是运放本身工作在线性状态，由外部电路中引入了非线性元件，使输出与输入不再是线性关系。 一、电压比较器