电工电子技术 课件 第8章集成运算放大器

电工电子技术南昌大学科学技术学院朱海宽第8章集成运算放大器及其应用8.1集成运算放大器概述8.2集成运放的应用基础8.3集成运放的线性应用8.4集成运放的非线性应用8.5集成稳压电路8.1概述◆集成电路：通过半导体制造工艺，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。◆集成电路按其功能分为数字集成电路和模拟集成电路◆模拟集成电路包括以下种类：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。模拟集成电路有以下几方面的特点。(1)电路结构与元件参数具有对称性。(2)用有源器件代替无源器件。(3)采用复合结构的电路。(4)级间采用直接耦合方式。(5)电路中使用的二极管多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都由BJT的发射结构成。8.1.2集成运放的基本组成集成运放的理想化条件1.集成运算放大器的基本组成集成运算放大器本质上是一个高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的直接耦合多级放大电路。集成运放内部电路由输入级、中间电压放大级、输出级和偏置电路4部分组成。集成运算放大器的内部组成电路框图（1）输入级：对于高增益的直接耦合放大电路，减小零点漂移的关键在第一级，所以要求输入级温漂小，共模抑制比高，因此，集成运放的输入级都是由具有恒流源的差动放大电路组成的。（2）中间电压放大级：中间级要求有较高的放大倍数。中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可达几千倍以上。（3）输出级：具有较大的电压输出幅度、较高的输出功率与较低的输出电阻，并有过载保护。（4）偏置电路：它为各级电路提供合适的静态工作电流，由各种电流源电路组成。2.集成运放的封装符号与引脚功能集成运放常见的封装方式：金属封装、双列直插式塑料封装a.金属封装以管键为辨认标志，由顶向下看，管键朝向自己。管键右方第一根引线为引脚1，其余各引脚逆时针依次排列b.双列直插式器件以缺口作为辨认标志，由顶向下看，缺口朝向自己，右边第一根引线为引脚1，然后逆时针依次辨认。集成运放的两种封装图*引脚4、7分别接电源+VCC和-VEE。引脚6为输出端。*引脚1、5外接调零电位器，其滑点与电源-VEE相连。*引脚2为反相输入端。当同相输入端接地时，信号加到反相输入端，输出得到的信号与输入信号极性相反。*引脚3为同相输入端。当反相输入端接地时，信号加到同相输入端，得到的输出信号与输入信号极性相同。反相输入端标“-”号，同相输入端和输出端标“+”号，反相输入端电压为u-，同相输入端电压为u+，输出端电压为uo，“∞”表示开环电压放大倍数理想化条件集成运算放大器结构说明8.2集成运放的应用电路8.2.1理想运算放大器分析基础1.理想集成运放概念具有理想参数的集成运算放大器叫做理想集成运放。它的主要特点有以下几个。(1)开环差模电压放大倍数Auo→∞。(2)输入电阻Rid→∞。(3)输出电阻R0→0。(4)带宽BW→∞，转换速率SR→∞。(5)共模抑制比KCMR→∞。2.集成运放的线性工作区(1)传输特性。集成运放是一个直接耦合的多级放大器，它的传输特性如图中的曲线①所示。BC段为集成运放工作的线性区，AB段和CD段为集成运放工作的非线性区(即饱和区)。由于集成运放的电压放大倍数极高，BC段十分接近纵轴，在理想情况下，认为BC段与纵轴重合，所以它的理想传输特性可以由曲线②表示。B′C′段表示集成运放工作在线性区，AB′和C′D段表示运放工作在非线性区。集成运放的应用基础理想集成运放具有两个重要特点：①由于理想集成运放的Auo→∞，故可以认为它的两个输入端之间的差模电压近似为零，即u-≈u+，而uo具有一定值。由于两个输入端之间的电压近似为零，故称为“虚短”。②由于理想集成运放的差模输入电阻Rid→∞，故可以认为两个输入端电流近似为零，即i-=i+≈0，这样，输入端相当于断路，而又不是断路，称为“虚断”。另外由于理想集成运放的输出阻抗R0→0，一般可以不考虑负载或后级运放的输入电阻对输出电压u0的影响，但受运放输出电流限制，负载电阻不能太小。集成运放的应用基础(3)工作在非线性区（饱和区）的集成运放。具有如下特点：对于理想集成运放而言，当反相输入端u-与同相输入端u+不等时，输出电压是一个恒定的值，极性可正可负，当u->u+时，u0=-U0mu-<u+时，u0=+U0m其中U0m是集成运算放大器输出电压最大值。另外，若同相输入端接“地”（u+=0），根据虚短，则反相输入端近似等于“地”电位，称为“虚地”，即u-≈0集成运放的线性应用由集成运放和外接电阻、电容可以构成比例、加减、积分与微分的运算电路，此外还可以构成有源滤波电路。这时，集成运放必须工作在传输特性曲线的线性区范围。在分析基本运算电路的输入和输出的运算关系或电压放大倍数时，将集成运放看成理想集成运放，根据“虚短”和“虚断”的特点进行分析。8.2.2比例运算电路如图所示电路为反相比例运算电路。输入信号从反相输入端输入，同相输入端通过电阻接地。根据“虚短”和“虚断”的特点，即根据电路图可列出由此得出上式表明，改变Rf和RI的比值，即可改变其电压放大倍数。负号表示输出电压和输入电压反相8.2.2比例运算电路如果输入信号从同相输入端输入，而反向输入端通过电阻接地，并引入负反馈，则称为同相比例运算电路。由，可得所以有即：表明输出电压与输入电压的相位（极性）相同。闭环电压放大倍数为如果R1=∞或Rf=0，则Auf=1，即uo和ui大小相等，相位相同，起到电压跟随作用，故称为电压跟随器。8.2.3加法运算电路1.加法运算电路加法运算即对多个输入信号进行求和，根据输出信号与求和信号反相还是同相，可分为反相加法运算和同相加法运算两种方式。(1)反相加法运算图中电路利用反相比例运算电路实现反相加法运算。图中输入信号ui1、ui2通过电阻R1、R2由反相输入端引入，同相端通过一个直流平衡电阻R3接地，要求：R3=R1//R2//Rf根据运放反相输入端“虚断”可知if≈i1+i2，而根据运放反相输入端“虚地”可得u-≈0，因此由上图可得故可求得输出电压为从而实现了反相加法运算。若Rf=R1=R2，则这种电路在调解某一路输入端电阻时并不影响其他路信号产生的输出值，因而调节方便，使用较广泛。(2)同相加法运算。图中电路利用同相比例运算电路实现同相加法运算。图中的输入信号ui1、ui2通过电阻R2、R3由同相输入端引入，为了使直流电阻平衡，要求R2//R3//R4=R1//Rf根据运放同相端“虚断”，对ui1、ui2应用叠加原理可求得u+为根据同相输入时输出电压与运放同相端电压u+的关系可得输出电压u0为从而实现了同相加法运。8.2.4减法运算电路减法运算电路图中输入信号ui1、ui2分别加至反相输入端和同相输入端，这种形式的电路又称为差分运算电路。对该电路也可用“虚短”和“虚断”来分析，下面利用叠加原理进行分析。首先，设ui1单独作用，而ui2=0，此时电路相当于一个反相比例运算电路，可得ui1产生的输出电压uo1为再设ui2单独作用，而ui1=0，则电路变