集成运算放大器及其基本应用电路

1、第4章 集成运算放大器及其基本应用电路,4.1 基本概念 1什么是集成运放 Operation Amplifier (OPA) 多级、直接耦合、高增益集成电路。,AVD( VP - VN ),-AVD( VN - VP ),AVD : 开环差模增益 AVD 0,：同相输入端 ：反相输入端,2. 理想运算放大器 (1) 高增益 AV = (2) 失调小 Ri = (3) 恒压输出 RO= 0 (4) 频带宽 BW = (5) 零输入零输出 VP=VN时 VO=0 (6) 没有温度漂移 KCMR = 3. 输入级的选择 (1) 直接耦合 (2) 零点漂移问题 (3) 差动输入级的优点: 抑制零点漂

2、移; 输入失调小; 输入阻抗高。,4OPA的组成,(1) 差动输入级 （组合电路） (2) 中间级 （提供高增益，CE） (3) 输出级 （互补输出） (4) 附加电路 (直流偏置、相位补偿、调零电路等）,5. 传输特性（差放特性）,VOL/AVDVIDVOH/AVD,线性应用,(3)限幅区,非线性应用,(1)静态 vID=0 ； vO=0 零入零出 (2)放大区 （线性区）窄！,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,附

3、:在分析信号运算电路时对运放的处理,i1= i2,1. 放大倍数,虚短路,虚开路,一、反相比例运算电路,虚开路,2. 电路的输入电阻,ri=R1,RP =R1 / R2,uo,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，,4. 共模电压,输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。,3. 反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小！,反相比例电路的特点：,1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,3. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,二、同相比例运算电路,u-=

4、 u+= ui,反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,虚开路,同相比例电路的特点：,3. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,一、反相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的

5、个数，以适应不同的需要。,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,二、同相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：,u+ 与 ui1 和 ui2 的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？,提示： 1. 虚开路：流入同相端的电流为0。 2. 节点电位法求u+。,三、单运放的加减运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,解出：,单

6、运放的加减运算电路的特例：差动放大器,差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）, 这是由于反相输入造成的。,三运放电路,虚短路：,虚开路：,三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。 由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,例：由三运放放大器组成的温度测量电路。,Rt ：热敏电阻,集成化:仪表放大器,Rt=f (TC),u= u+= 0,一、微分运算,输入方波，输出是三角波。,二、积分运算,4.2 集成运放(OPA)的主要参数 五类： 输入失调参数 开环差模参数 开环共模参数 大信号特性参数 电源特性参数,1输入失调参数 是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。 (1)

7、 输入失调电压VIO与温漂dVIO/dT VIO- dVIO/dT- (2) 输入失调电流IIO与温漂dIIO/dT IIO =IBPIBN dIIO/dT- (3) 输入偏置电流IIB IIB （IBNIBP/ 2,2. 差模特性参数 AvD(开环)、Rid、fH、VIDM、BWG(单位增益带宽) 3. 共模特性参数 KCMR、Ric、VICM 4. 大信号特性参数 (1) 转换速率SR（摆率） 定义: 是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。,(2) 全功率带宽BWP 定义: 是在额定负载和全功率输出（Vom）时最大不失真频率。,4.1.1 集成运放的主要直流和低频参数 (自学),4

8、.1.1.1 输入失调电压VIO,集成运放输出直流电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压称为输入失调电压VIO,4.1.1.2 输入失调电压的温度系数 aVIO,一定温度范围内，失调电压的变化和温度变化的比值定义为aVIO，习惯称为温度漂移,4.1.1.3 输入偏置电流IIB,运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的平均 值定义为输入偏置电流。,4.1.1.4 输入失调电流IIO及其温度系数aIIO,4.1.1.5 差模开环电压增益Avd,运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的差 值定义为输入失调电流,在标称电源电压及规定负载下，运放工作在线性区时，其输出电压变化与输入电压变化量之比

9、定义为Avd 运放的Avd在60180dB之间,4.1.1.6 共模抑制比KCMR,用dB表示：,运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率 定义为电源电压抑制比,4.1.1.7 电源电压抑制比KSVR,4.1.1.8 最大差模输入电压VIdm,是运放两输入端允许加的最大电压差，超过Vidm， 运放的输入级对管减被反向击穿，甚至损坏。,4.1.1.9 最大共模输入电压VIcm,是运放共模抑制特性明显恶化时的共模输入电压值,可定义为，在标称电源电压下，将运放接成电压跟 随器时输出产生1的跟随误差的输入电压值；或,定义为KCMR下降6dB时所加的共模输入电压值,4.1.1.10 输出峰峰电

10、压Vopp,在标称电源电压及指定负载下，运放输出的低频交流 电压负峰正峰的值，有时称为输出摆幅。,4.1.2 集成运放的主要交流参数 (自学),4.1.2.1 开环带宽BW,在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从 直流增益下降3dB所对应的信号频率定义为BW,4.1.2.2 单位增益带宽BWG,运放的低频闭环增益为1及正弦小信号激励下，闭环增益 随频率从1下降到0.707所对应的频率定义为BWG,4.1.2.3 转换速率SR（有时称为压摆率）,4.1.2.4 全功率带宽BWP,在运放闭环电压增益为1，输入正弦大信号，指定负载和 指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时 的信号

11、频率，定义为BWP，BWP简称功率带宽。BWP受 SR的限制，它们之间的关系可近似表示为：,式中：Vom是运放输出电压幅度最大值,4.1.2.5 建立时间tset,在运放闭环电压增益为1，规定负载并阶跃大信号条件下，运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为tset,4.1.2.6 等效输入噪声电压en和电流in,屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形 无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换 算到输入端时简称为等效输入噪声电压en或等效输入噪 声电流in,4.2.1.2 典型集成运放电路741 p179,双极型运放 通用F007（A741）,1组成 (1)输入级,1组成

12、(2) 中间级,1组成 (3) 输出级,2直流偏置 (1) 主偏置电路,2直流偏置 (2) 输入级,2直流偏置 (3) 中间级,2直流偏置 (4) 输出级,特点,(2)Rid大；,(3)fH低；,(4)VIDM, VICM大,(5)过流保护；（正半周；负半周）,(6)动态范围大,(7)内部有CC（相位补偿）；,(8)调零端 、,4.6 集成运放的等效模型及运算特性,4.6.1 理想集成运放及其等效模型,理想集成运放具有以下主要特征 （1）输入失调电压VIO，及其温漂，时漂， 随电源电压漂移均为零 （2）输入偏置电流IIB，失调电流IIO及其温漂，时漂， 随电源电压漂移均为零 （3）等效输入噪声电压及其噪声电流为零 （4）输出电阻Ro0 （5）开环差模电压增益为无限大 （6）开环差模输入电阻为无限大 （7）共模输入电阻及共模抑制比为无限大 （8）（3dB