4.3集成运算放大器(高职院)武汉吴淑霞编.ppt
模拟集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，电路具有对称性。（2）芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，采用直接耦合方式，并用差动放大电路克服直接耦合的零点漂移。（5）不能制造电感，电感只能外接。,集 成 电 路,集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。,一.集成运放的特性 1、基本结构与符号,任务4-3 集成运算放大器,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,图4-20 集成运放内部组成原理框图,简单集成运放原理电路图：,（1）输入级：,输入级也称为差动输入级，是提高运放质量的关键部分，要求输入电阻高。采用具有恒流源的差动放大电路，为了减小零点漂移和拟制共模干扰信号。,（2）中间级中间级也称为电压放大级，主要作用是提供足够大的电压放大倍数。,（3）输出级：主要作用是输出足够的电流。低输出电阻和高输入电阻，使放大级与负载隔离。,（4）偏置电路：作用：为各级提供合适的工作电流。,集成运算放大器的电路符号,常用符号：,国际标准符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,2、理想集成运放的性能指标及传输特性,理想集成运放：具有理想参数的集成运算 放大器。主要性能指标：1）开环差模电压放大倍数Au02）输入电阻Rid3）输出电阻Ro04）共模拟制比KCMRR,集成运算放大器的传输特性,ui,线性区：输入信号的绝对值较小。集成运放线性应用。饱和区：输入信号的绝对值大于某一数值，集成运放非线性应用。,在线性应用中，集成运放工作在深度负反馈状态，它的输出量与输入量呈线性关系（比例关系）。有信号运算、信号变换和正弦波发生器等多种电路。,在非线性应用中，集成运放工作在开环（无反馈）状态，它的输出量与输入量呈非线性关系。有电压比较器和非正弦波发生器等电路。,理想运放工作在线性区的重要特点：,虚短：两输入端的电位相同（两输入端之间电压为零），认为“虚假短路”，简称“虚短”。虚断：集成运放两输入端的电流几乎为零，认为“虚假断路”，简称“虚断”。,虚地：若反相端有输入，同相端接“地”，则反相输入端的电位接近“地”电位。称为“虚假接地”，简称“虚地”。,1、开环差模电压放大倍数 Auo：集成运放在开环（无反馈）、线性区工作时的差模电压增益。一般在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。2、输入失调电UIO 为使输出电压为零，在输入端加的补偿电压，即输出端折算到输入端的失调电压。表征运放内部电路对称性的指标。,二、集成运算放大器的主要性能指标,3、输入失调电流 Iio：在零输入、零输出时，流入运放两输入端的静态基极电流之差，用于表征差动级输入电流不对称的程度。,4、最大差模输入电压Uidmax Uidmax是指运放两输入端能承受的最大差模输入电压。若超过此电压时,差动管将出现反向击穿现象。,5、最大共模输入电压Vicmax Vicmax是指运放在线性工作范围内，所能承受的最大共模输入电压。若共模电压超过此值时，放大器失去共模抑制能力，运放不能正常工作。,6、差模输入电阻Rid：Rid是指运放两输入端之间的交流输入电阻。一般比较大。双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入级可达109欧姆以上。,8、共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)越大越好。一般在80dB以上，性能好的高达180dB。,7、输出电阻Ro：Ro是指运放开环工作时，从输出端对地之间看进去的等效电阻。一般比较小。,三、集成运算放大器应用电路,1、比例运算电路,(1)反相比例运算电路,根据“虚短”和“虚断”的特点，可得,又有：If=Ii=Ui/R1 只要输入电压Ui恒定，则输出电流If将恒定不变。（即反相输入电压-电流变换器）,电压放大倍数,平衡电阻R2，R2=R1/Rf,(2)同相比例运算电路,又有：UN=UP=Ui 则If=Ii=Ui/R1（即同相输入电压-电流变换器，与反相时相同。）,因为有负反馈，利用虚短和虚断.,u-=u+=ui,i1=if（虚断）,此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,ui=u+=u-=uo,因为有负反馈，利用虚短和虚断：,若Auf=1,则具有电压跟随作用：,2、加减运算电路,（1）加法运算电路 有同相加法电路和反相加法电路。这里分析反相加法电路。,反相加法运算电路,反馈信号通过反馈电阻Rf加到反相输入端，同相输入端通过平衡电阻R接地。,虚地,如果取Rf=R 则：UO=-(Ui1+Ui2+Ui3),输出电压正比于各输入电压之和，且相位相反，所以，该电路又叫反相加法比例运算电路。,R=R1R2R3Rf 根据虚短和虚断的概念，可得：If=I1+I2+I3,若：R1=R2=R3=R 则：,反相加法器：,若R1=R2=R,i1+i2=if,虚地,平衡电阻R0=R1/R2/Rf,（2）减法运算电路,减法运算电路用差动输入方式来实现，又称为“差分运算电路”。,输入信号Ui1通过R1加到反相输入端，Ui2通过R2加到同相输入端，说明该电路是同相比例运算放大电路和反相比例运算放大电路的组合。通常R1=R2,R=Rf。,根据“虚短”的概念，UP=UN，而R=Rf,R1=R2,所以,如果 Rf=R1，则 UO=Ui2-Ui1,当Ui1单独作用，即,Ui2单独作用，即Ui2加到同相输入端，故Up0，N点不是“虚地”点。,Ui1、Ui2同时作用，根据叠加定理，则：U0=Ui1+Ui2,例题：电路如图所示，求Uo1和Uo？,Uo,+,+,-,R3,R,Rf2,Ui1,Uo1,+,+,-,R1,R,Rf1,R2,Ui2,反相比例运算电路,加法运算电路,第一级为反相比例运算电路，有：Uo1=-Rf1Ui1/R1,第二级为加法运算电路，得：Uo=-Rf2(Uo1+Ui2)/R,即：利用加法器和反相比例器实现减法运算。,例题：电路如图所示，写出相应的输入、输出关系式。,3、积分与微分电路(1)积分电路由于i+=i-=0 u+=u-=0 则iR=iC,积分电路将方波转换为三角波。,积分电路中的电容和电阻交换位置,（2）微分电路,微分电路将方波转换为尖脉冲。,小 结,1、集成运算放大器：高增益的直接耦合的集成的多级放大器。具有组合与数学运算功能。2、集成运放的基本结构、特点。3、集成运算放大器的传输特性，在线性应用中，集成运放工作在深度负反馈状态，在非线性应用中，集成运放工作在开环（无反馈）状态。4、理想运放工作在线性区的重要特点。5、集成运算放大器的主要性能指标6、集成运算放大器线性应用。（1）反相比例运算电路、同相比例运算电路、反相加法器、减法运算电路（2）积分电路将方波转换为三角波。微分电路将方波转换为尖脉冲。,二、集成运放的非线性应用,非线性应用是电路往往处于开环工作状态，或指引入正反馈。由于理想集成运放的开环电压放大倍数趋于无穷大，所以只要两个输入端之间存在微小的电压差值，就足以使输出电压饱和。其正向饱和值Uo+接近正电源电压值，负向饱和值Uo-接近负电源电压值，即在非线性区域内，输出电压uo只有两个状态：,当 u+u-时 uo=Uo+,当 u+u-时 uo=Uo-,在非线性应用中，两个输入端的电位可以不相等，“虚短”的概念不再成立，U-U+，但因集成运放的输入电阻rid，仍可以认为集成运放不取电流，“虚断”的概念仍然成立。,1.过零电压比较器,电压比较器是将输入电压ui和参考电压uR(给定电压)相比较的一种电路。,输入端一端加ui，另一端加uR（任意值），输出电压与输入电压之间的关系曲线称为传输特性。,在这里，ui加到反相输入端，即ui=U-，同相接地，U+=UR=0，集成运放处于开环状态，输出为两种情况：当ui 0 时，uo=Uo-,当ui 0时，uo=Uo+,当ui=0时比较器产生跳变。,带限幅器的过零电压比较器,稳压管V1、V2和限流电阻R2组成双向限幅电路。根据输入电压ui的极性，两管当中一个作稳压管用时，另一个就当二极管用，两管的电压之和近似为+UZ或-UZ。由于限幅的作用，输出电压uo取限幅值，即ui0时,uo=-UZ;ui0 时,uo=+UZ。,由此可知，参考电压UR=0，则输入电压ui每次过零时，输出电压就要发生突然变化，所以这种比较器叫过零电压比较器。,2.单门限电压比较器,输入电压ui加在集成运放的反相输入端，参考电压UR加在同相输入端，且UR0，由于集成运放工作在开环状态，就有：当 uiUR时，uo=Uo-；当 uiUR时，uo=Uo+。,利用电压比较器可将正弦波变换成矩形波。其参考电压UR0，输入ui为正弦波，输出uo为矩形波，当 uiUR时，uo=Uo-；当 uiUR时，uo=Uo+。输出电压Uo只在ui=UR处才发生跳变。Uo+与Uo-之间的变换，只跟ui=UR一个值相对应，所以称他为单门限电压比较器。,三、集成运放的使用常识（自学）,1.常见故障分析,不能调零。开环状态可认为正常，若引入负反馈后，输出电压仍接近极限值，其原因可能是接线错误、或有虚焊、或集成运放损坏。工作时产生自激振荡。可能是外接的RC补偿网络参数不恰当、输出端有电容性负载或接线太长。集成运放组件突然损坏。输出端对地短路、电源极性接反或电源电压过高、输入信号过大、集成运放质量差等。,2.集成运放的保护,输入保护 在输入电路上接入二极管V1、V2，利用二极管对输入信号幅度加以限制。输出保护 在输出电路上反向串联两只稳压二极管V1、V2，无论输出端出现正向或负向的过电压，都将有一只管子正偏导通，另一只管子反向击穿，将输出电压幅度稳定在安全范围内。电源极性接错的保护 将二极管正向串入正、负电源供电电路中，因二极管的单向导电性，电源极性正确它导通，极性接反它截止，电源不通，保护了集成运放。,小结：,集成运放有线性应用和非线性应用两大类，在线性应用中，集成运放的理想化条件完全适用，输出电压和输入电压呈比例关系。在非线性应用中，理想化条件中“虚短”的概念不再成立，但“虚断”的概念依然成立。输出电压只有两个状态，不是Uo+，就是Uo。,区分集成运放是工作在线性区还是工作在非线性区的方法是：如果有负反馈（多为深度负反馈），集成运放工作在线性区；如果没有负反馈（开环），则集成运放工作在非线性区。,反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放，各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。,5.5 特殊集成运算放大器,1.高输入阻抗型,这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109W，输入偏置电流通常为pA数量级。这种类型的集成运放，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T 2mV,IIO/T 200PA,KCMR110dB。大多选用匹配特性优良的差动对管，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻。在工艺上采用精密的光刻和离子注入工艺，尽可能地提高对管的匹配性。典型产品有LH0044、AD707、OP-77、OPA177等。另外，还有的运放采用了调制型的斩波稳零技术，以得到更低的漂移特性。其产品有ICL7650、AD508、OP-27等。,3.高速型,高速运放一般要求转换速率SR大于几十伏微秒，单位增益带宽BW 10MHZ。主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几千伏微秒。高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,4.低功耗型,要求其功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压在几伏以下。典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5.大功率型,大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培，输出功率为几十瓦左右。典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,
