集成运算放大器课件.ppt

1、集 成 运 算 放 大 器,把二极管、三极管、电阻等元件，连线全部做在一块半导体基片上，它可以看成是一个完整的电路。通常把它叫做集成电路。 按特点分，有模拟、数字、混合电路型集成电路； 按规模分，有小规模、中规模、大规模、超大规模集成电路。,集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路,模拟集成电路在早期主要用于各种数字运算（加、减、乘、除等），故叫集成运算放大器，简称集成运放。,通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。,通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。,一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路

2、提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。,通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。,运算放大器外形图,集成运算放大器的特点,1、难于制造电感元件,制造大于200F的电容也比较困难所以，运算放大器各级之间都采用直接耦合。,2、输入级都采用差动放大电路,电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,3、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,4、二极管一般用三极管的发射极、基极、集电极三者适当组配使用。,差分放大电路,1直接耦合电路,因为电容的隔直作用以及低频时容抗加大，所以阻容耦合只适用

3、于放大频率较高的交流信号。,对于直流信号和低频信号，阻容耦合已不适用，必须采用直接耦合方式。,能够放大直流信号（包括慢变信号和低频信号）的放大器称为直流放大器。,建立静态工作点,2.零点漂移:前一级的温漂将作为后一级的输入信号，被一级级放大，导致后级饱和或截止。（须增加两级之间的直流负反馈）,直接耦合放大器的级联,2基本型差分放大器,uo= uC1 - uC2,uC1,uC2,2.优点：抑制温漂 原理如下:,uo= uC1 - uC2 = 0,uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0,当ui1 = ui2 = 0 时，,当温度变化时：,对称性,uC1 = uC2,

4、 uC1 = uC2,3.共模电压放大倍数AC,当ui1 = ui2（大小相等，极性相同），共模输入信号,设ui1 ， ui2 ，使uC1 ， uC2 。因ui1 = ui2， uC1 = uC2 uo= 0 (理想化)。但因两侧不完全对称， uo 0,（很小，1),4.差模电压放大倍数Ad,当ui1 =- ui2（大小相等，极性相反），差模输入信号,(很大，1),5.共模抑制比(CMRR)的定义,例: Ad=-200 Ac=0.1 CMRR=20 log (-200)/0.1 =66 db,CMRR Common Mode Rejection Ratio,1.结构:,3 双电源长尾式差放,特

5、点： 加入射极电阻RE 加入负电源- UEE ，采用正负双电源供电,2.双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用,双电源的作用： （1）使信号变化幅度加大。 （2）IB1、IB2由负电源-UEE提供，可以取消R1和RB四个电阻，且使基极的直流静态电位=0,双电源长尾式差放中双电源和射极电阻RE的作用,射极电阻RE的作用：,T C,（1）直流负反馈，稳定静态工作点,射极电阻RE的作用：,（2） RE对共模信号有抑制作用（原理同上，即由于RE的负反馈作用，使IE基本不变） （3） RE对差模信号相当于短路,ui1 =- ui2 ，设ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1

6、= - ie2 IE不变,结论： IE具有恒流特性,用恒流源代替RE ，可使电路进一步改善,放大倍数,(1)共模信号输入 ui1 = ui2,(2)差模信号输入ui1 =- ui2,uo= uC1 - uC2,放大倍数,(3) 如果ui1 ui2,uC + ud,uC - ud,结论:当两输入端有任意输入时,相当于共模输入和差模输入共存,放大倍数,uC + ud,uC - ud,只考虑共模输入时: uoC= ACuC,只考虑差模输入时: uod= Ad(2ud),总输出: uo= Ad (ui1 - ui2),反相输入端 u-,同相输入端 u_+,放大倍数,单端输入: 当 ui2=0时,双端输

7、入,uo= Ad ui1,集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标“+”的输入端称为输入同相端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。,输入级,中间级,输出级,电路的简单说明,反相 输入端,同相 输入端,输出端,+UCC,ui,-UEE,uo,T3,T4,T5,T1,T2,IS,1,2,3,+,主要参数,1.最大输出电压UOPP,能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压,2.开环电压放大倍数Auo,在没有外界反馈电路时所测出的电压放大倍数。Auo越高, 所构成的运算电路越稳定,运算精度也

8、越高。Auo一般约为 104107。,3.输入失调电压UIO,当输入电压为零时,uo不等于零。反过来说,如果要使uo等于零 必须在输入端加一个很小的补偿电压UIO,它就是输入失调电压。 一般为几毫伏。,4.输入失调电流IIO,输入信号为零时,两个输入端静态基极电流之差,即 IIO=IB1-IB2。IIO一般在零点零几毫安，其值与小 愈好。,5.输入偏置电流IIB,输入信号为零时,两个输入端静态基极电流的平均值,即 IIB=(IB1+IB2)。它的大小主要和电路中的第一级管子 的性能有关,这个电流愈小愈好,一般为零点几毫安级。,6.共模输入电压范围UIM,运算放大器对共模信号具有抑制的性能,但这

9、个性能是在 规定的共模电压范围内才具备的。如超出这个电压,运算 放大器的共模性能就达为下降,甚至造成器件损坏。,ri 高:几十k 几百k,运放的特点：,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A uo 很大:104以上 107,运放的特点,理想运算放大器及其分析依据,差模输入电阻 rid ,1.理想化的主要条件：,开环电压放大倍数Auo ,开环输出电阻ro 0,共模抑制比KCMRR,2.运放符号：,+Uo(sat),Ao越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,3.运算放的器的传输特性,uo=Auo(u-u+),线性区,-Uo(sat),u+-u-,理想特性,实际特性,运算放

10、大器工作在线性区时，分析依据：,(1)由于运算放大器的差模输入电阻rid , 可认为两个输入端的输入电流为零。即：,(2)由于运算放大器的开环电压放大倍数Auo 而输出电压是一个有限的数值,即:,uo=Auo(u+-u-),虚 短,运算放大器工作在饱和区时，分析依据：,当u+u-时, uo=+Uo(sat);,当u+u-时, uo=-Uo(sat);,凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。,若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。,这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈

11、信号与输入信号的相位关系。,负反馈的概念,放大电路中的负反馈,反馈框图：,反馈电路的三个环节：,放大：,反馈：,迭加：,反馈框图,若三者同相,则,Xd=Xi-Xf,即为负反馈,运算放大器在信号运算方面的应用,1 反相输入,i1if,一 比例运算,根据线性区的两条依据:,解:,反馈方式：,电压并联负反馈,输出电阻很小！,RP=R1/RF,2. 同相输入,u- u+= ui,电压串联负反馈输入电阻高，输出电阻低。,i1if,举例: 电压跟随器,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。,2 加法运算：,当R11=R12=R13=R1

12、 时，,uo=-(ui1+ui2+ui3),3 减法运算,解出：,当R1=R2,R3=RF时,当R1=RF时,4 微分运算：,u- u+= 0,若输入：,则：,应用举例：,5 积分运算：,1、输入方波，输出是三角波。,2、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,运算放大器在信号处理方面的应用,滤波电路的种类:,低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器,一阶低通滤波器,传递函数：,幅频特性,相频特性,按频率特性进行分类：,低通,高通,带通,带阻,此电路的缺点：,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,截止频率处：,返回,将两级一阶低通滤波器串接,？,各级互相影响！,1. 一阶有源低通滤波器,有源滤波器,幅频特性：,相频特性：,幅频特性曲线,为了改变滤波效果,使0时信号衰减的快 些,常将两节RC电路串接起来。称为两级有 源低通滤波器。,2.有源高频滤波器,若频率为变量,则该电路的传递函数:,幅频特性,电压比较器,传输特性,当uiUR时,uo=+Uo(sat),当uiUR时,uo=-Uo(sat),过零比较器,当UR=0时,即输入电压和零 电平比较,称为过零比较器,例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,稳定输出电压,电压比较器的另一种形式,总结,1、电路简单。,2、当Ao不够大时，输出边沿不陡。,3、