电子电路基础 第四章 集成运算放大器.ppt

1、2020年8月12日星期三,40-1,第四章 集成运算放大电路,本章提要,将整个电子电路中的元器件及相互之间的联接同时制造在一块硅基片上，构成一特定功能的电子电路，称为集成电路。相对于分立电路，集成电路具有体积更小，重量更轻，功耗更低，可靠性更高的特点。本章主要讨论以下几个问题：,3集成运放在信号运算、信号处理及信号产生方面的应用。,1集成运放的组成及主要参数；,2理想集成运放两种工作方式的主要特点和分析方法；,本章通过了解集成运放的主要技术参数，重点理解理想运放“虚短”、“虚断”的含义；正确理解集成运放两种工作状态的特点和分析方法，能够分析各种集成运放组成的运算电路的工作情况及输入输出关系；

2、并对各种信号发生电路、比较电路的原理和应用有一定的了解和认识。,2020年8月12日星期三,40-2,一、集成运算放大器电路简介,集成运算放大器(简称集成运放)是应用极为广泛的一种，本章所介绍的即是集成运算放大器及其基本应用。,第四章 集成运算放大电路 第一节 概述,集成电路,小规模、中规模、大规模和超大规模,模拟集成电路,数字集成电路,集成运算放大器,集成功率放大器,集成模/数、数/模转换器,集成稳压电源,专用模拟集成电路,运算放大器是具有高开环放大倍数、高输入电阻、低输出电阻并具有深度负反馈的多级直接耦合放大器。,广泛应用于测试技术、自动控制系统、信号处理等各个领域。,2020年8月12日

3、星期三,40-3,集成运算放大器基本内部组成可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,1输入级,采用差分放大电路构成。对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等，可以有效放大有用信号。,2020年8月12日星期三,40-4,2中间级,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。,3输出级,输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，

4、带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。,4偏置电路,为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。,2020年8月12日星期三,40-5,集成运放的图形符号,反相输入端 同相输入端,输出端 uo,u u+, ud +, 输入方式: 反相输入 同相输入 差分输入,u u+,uo,F007 的外部接线和管脚图,返 回,下一节,上一页,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,2020年8月12日星期三,40-6,1. 开环电压放大倍数（开环电压增益）Au0 在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，

5、此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。 Au0越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 2. 开环差模输入电阻rid 它指的是集成运放加入差模信号时的开环等效输入电阻，表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。 3. 开环输出电阻ro 它指的是没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。,二、集成运算放大器的主要参数,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,2020年8月12日星期三,40-7,4. 输入失调电压ui0 理想的集成运放，当输入信号为零时，一般输出电压也为零，但是实际的集成运放

6、中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管UBE(或UGS)不对称的程度，一般在毫伏级。 5. 最大输出电压UOM 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压， 6. 共模抑制比KCMRR 表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即： KCMRR 越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。 7. 最大共模输入电压UiCM 表示集成运放输入端所能承受的最大共模电压。,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,2020年8月12日星期三,40-8, 理想运放的主要条件： (1) 开环放

7、大倍数：Ao= (2) 开环输入电阻：ri= (3) 开环输出电阻：ro=0 (4) 共模抑制比：KCMRR=,返 回,上一节,上一页,三、理想集成运放技术指标及符号,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,四、集成运放的电压传输特性,电压传输特性表示输出电压随输入电压变化的规律。,理想特性,实际特性,电压传输特性有两个工作区： 线性工作区和非线性工作区。,2020年8月12日星期三,40-9,返 回,上一节,下一节,上一页,1集成运放线性工作的特点,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,如果集成运放工作在线性区，分析由它组成的电路时，有两条重要而普遍适用的结论： (1)“虚短” 集成运放两个输

8、入端的电压近似相等，即u+ u- 。 如果集成运放反相端有信号输入时，同相输入端接“地”，由“虚短”现象可知，反相输入端的电位接近“地”电位，即反相输入端是一个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地” 。,2020年8月12日星期三,40-10,(2)“虚断”,第四章 集成运算放大电路第一节 概述,流进集成运放两个输入端的电流近似为零，即 i+i-0 。 集成运放开环差模输入电阻很高(理想时)，输入回路相当于断路，故从两个输入端流入的电流可忽略不计，如同这两端被断开一样，但实际并不是真的断开，因此称为“虚断”。 理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。,(1) (2

9、)两个输入端电压u+与 u-不一定相等，即“虚短” 不一定成立。 (3)输入电流仍等于零。尽管两个输入端电压不等，但因为理想运放的rid=，仍可认为此时的输入电流等于零，即“虚断”现象仍然存在。,2. 集成运放非线性工作（饱和状态）的特点,当 u+ u时：,uo = + UO(sat),当 u+u时：,uo =UO(sat),2020年8月12日星期三,40-11,一 、比例运算电路,u u+,u= u += 0,虚地,i1 = if,闭环电压放大倍数 Af,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(1) 反相比例运算电路,当 Rf = R1 时： uo = ui,反相器,平衡电阻

10、,平衡电阻: Rp = R1 / Rf,平衡电阻的作用：保证集成运放同相输入端和反相输入端的外接电阻相等，消除静态基极电流对输出电压的影响。,2020年8月12日星期三,40-12,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,(2) 同相比例运算电路,u u+,u= u + = ui if = i1,平衡电阻: Rp = R1 / Rf,上一页,闭环电压放大倍数 Af,当,电压跟随器,再令,2020年8月12日星期三,40-13,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,二、 加法运算电路 1.反相加法运算电路,上一节,上一页,当,2020年8月12日星期三,40-14,第四

11、章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,返 回,上一页,2.同相加法运算电路,为使电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。,应用叠加原理，u+可由ui1和ui2单独作用求出：,ui1单独作用时，令ui2 =0,，,，,ui2单独作用时，令ui1=0,两个电压源共同作用：,根据 “虚短”现象，,若选取,2020年8月12日星期三,40-15,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,三、 减法运算电路,下一节,1应用集成运放“虚短”和“虚断”特点求解,由“虚短”的特点，,当R1=R2和RF=R3时,当RF=R1时,2020年8月12日星期三,40-16,第四章 集成运

12、算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2应用叠加原理求解,当ui1单独作用时:,当ui2 单独作用时:,u u+,2020年8月12日星期三,40-17,当,时：,平衡电阻: R2 / R3= R1 / Rf,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2020年8月12日星期三,40-18,例4-3 下图示电路是具有四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。,解：若令,则该电路为同相加法运算电路。,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,若令,则电路为反相加法运算电路。,若令,2020年8月12日星期三,40-19,第四章 集成

13、运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,四、积分运算电路,+ uC,u = u+ = 0 uC = uuo =uo if = i1,积分时间常数,平衡电阻:,R2 = R1,下一节,(b) 波形,(a) 电路,2020年8月12日星期三,40-20,五、微分运算电路,+ uC,u= u+ = 0 uC = ui if = i1,微分时间常数,平衡电阻：R2 = Rf,(b) 波形,上一节,上一页,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2020年8月12日星期三,40-21,基本微分电路存在如下的缺点： 输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象； 电路中反馈网络构成的 RFC 滞后

14、环节，与集成运放的滞后环节合在一起，使电路稳定储备减小，电路容易引起自激振荡； 突变的输入电压可能造成uo超过集成运放允许的最大输出电压，产生堵塞现象，造成自锁状态，使电路不能正常工作。,右图是一种改进型的微分运算电路。图中输入回路小电阻R1限制了噪声干扰和突变的输入信号。且由于R1的引入，加强了电路中负反馈的作用。反馈支路引入小电容CF和RF并联形式来进行相位补偿。适当选取电路参数能使电路稳定工作。,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2020年8月12日星期三,40-22,例4-7 试求图示电路的uo与ui的关系式。,此电路是一个反相比例运算和微分运算相结合的电路，因此称为

15、比例微分调节器（简称PD调节器），用于控制系统中，使调节过程起到加速作用。,解 由图可列出,第四章 集成运算放大电路第二节 模拟信号的运算电路,2020年8月12日星期三,40-23,一、电压比较电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,电压比较电路的基本功能是对输入模拟电压进行比较和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。 构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。,分类：基本比较电路和施密特比较电路,反相输入基本比较电路。反相输入端输入模拟电压ui，同相输入端

16、接参考电压UREF。,也可根据需要把参考电压UREF加在反相输入端，而输入信号电压ui加在同相输入端，构成同相输入基本比较电路。,2020年8月12日星期三,40-24,1过零比较电路,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,比较器输出电压翻转时刻对应的输入电压称为阈值电压或门限电压。,2020年8月12日星期三,40-25,例4-9 电路如图所示，输入电压为正弦波，电路的时间常数 T，T是正弦波的周期，且uo(0)=0，试画出uo1和uo2的波形。,解：同相输入过零比较器,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,2020年8月12日星期三,40-26,2. 任意电平比较器,当UR

17、EF0时，则为任意电平比较电路。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,为稳定输出电压，可在输出端加稳压管。,2020年8月12日星期三,40-27,3. 基准电压比较器,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,令,得,2020年8月12日星期三,40-28,二、施密特比较器,单限比较器电路简单、灵敏度高，但抗干扰能力差的。为提高比较器抗干扰能力，可在开环比较器基础上增加由电阻构成的正反馈环节，称为施密特比较电路，又称施密特触发电路。,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,比较器有两个不同的门限电平。,2020年8月12日星期三,40-29,第四章 集成运算放大电路第三节

18、 信号处理电路,称为回差电压,称上门限电压,称下门限电压,回差电压的大小取决于UZ、RF和R2，与UREF无关。,改变UREF将同时改变UT1和UT2，回差电压不变。传输特性平行右移或左移。,施密特比较器具有较强的抗干扰能力。,2020年8月12日星期三,40-30,例4-11 稳压管稳定电压UZ=6V，R2 =10k，RF=15k，UREF=0，ui= 5sint(V)，试求两个门限电压，并画出uo的波形。,解：,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,2020年8月12日星期三,40-31,第四章 集成运算放大电路第三节 信号处理电路,2020年8月12日星期三,40-32,一、方波

19、产生电路,组成：滞回比较器和RC充放电回路组成的自激振荡电路。,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,1. 工作原理,滞回比较器的两个门限电压：,初始状态为,uo通过RF2向C充电，uc上升，当uc上升到稍大于UT1时，在正反馈作用下，uo由+UZ迅速转换为-UZ，C充电电压uc达到最大值。,C通过RF2放电, uc下降, uc下降到小于UT1时, uo由-UT1转换为+UT1。,2020年8月12日星期三,40-33,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,2振荡周期和频率,2020年8月12日星期三,40-34,二、矩形波发生器,占空比：正脉冲持续时间与波形的周期之比,占空比可根据需要进行调节。可用电容充电时间与放电时间不等来实现，电路的输出电压形式为矩形波。,充电时间常数：,放电时间常数：,第四章 集成运算放大电路第四节 信号产生电路,2020年8月12日星期三,40-35,*三三角波发生电路,在方波发生电路中，电容的电压是按照指数规律变化的，近似为三角形。当从电容上输出电压时，其波形与三角波形有一定的差别。若用恒流源代替电路中的电阻RF1 ，使电容C恒流充、放电，就可以形成较为理想的三角波发生器。,第四章 集成运算