3章集成运算放大器.ppt

教育部高职高专规划教材,电工电子技术,陈小虎主编,（多学时）,电子技术基础,电工电子技术,本章简要分析了直接耦合放大电路的工作原理及弱点，介绍了差分放大电路的分析方法，重点研究集成运算放大电路及其应用。,集成运算放大电路,第 3 章,第二部分 电子技术基础,第二部分 电子技术基础,第3章 集成运算放大电路,3.1 直接耦合放大电路及其弱点,3.2 差分放大电路,3.3 集成运算放大电路简介,3.4 集成运算放大器的基本运算电路,3.5 运算放大电路的反馈分析,3.6 运算放大器的应用电路举例,3.7 集成运放构成的信号发生器,主要内容：重点内容：难点内容：,第3章 集成运算放大电路,直接耦合放大电路、差分放大电路和集成运算放大电路的工作原理分析。,集成运算放大器的工作原理及其应用。,运算放大电路的反馈分析及应用电路。,3.1 直接耦合放大电路及其弱点,将多级放大电路级与级之间直接，相连 可以放大缓慢变化的信号或直流信号。,直接耦合带来两个问题：1、前、后级静态工作点相互影响2、零点漂移,直接耦合,图2.3.1 直接耦合放大电路,3.1 直接耦合放大电路及其弱点,零点漂移：输入电压信号ui为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。,产生的原因：环境温度变化、电源电压波动、电路元件参数变化。,直接耦合带来两个问题：,解决方案：1、全面考虑静态工作点的合理配置；2、采用差分放大电路,3.2 差分放大电路,电路组成特点,图2.3.3 典型差分放大电路,结构对称，两管的特性及元件的参数值完全一样。,双电源，两个输入和两个输出。,两管静态工作点相同，互不影响。,多种输入输出方式：单入、双入、单出、双出。,3.2 差分放大电路,3.2.1差分放大电路抑制零漂的基本原理,1、依靠电路的对称性,采用双端输 ui1=ui2=0,T,uO=uC1uC2=0,IC1=IC2；VC1=VC2,抑制零漂过程,2、依靠RE的负反馈作用,图2.3.3 典型差分放大电路,3.2 差分放大电路,3.2.2差分放大电路的静态分析,计算方法：利用对称性采用单边直流通路,图2.3.3 单管直流通路,基极回路方程,3.2 差分放大电路,3.2.3 差分放大电路的动态分析,1、输入信号之间的关系,（1）差模信号,（2）共模信号,（3）任意信号,ui1=ui2=ud 大小相等，极性相反,ui1=ui2=uC 大小相等，极性相同,ui1 ui2 大小和极性任意,任意信号的分解,例：ui1=9 mV,ui2=5 mV 差模分量：ud=2mV共模分量：uC=7 mV,3.2.3 差分放大电路的动态分析,2、差模输入动态分析,分析方法：利用对称性，采用单管差模微变等效电路分析。,图2.3.3 单管微变等效电路,每个单管的电压放大倍数,3.2.3 差分放大电路的动态分析,2、差模输入动态分析,双端输入,（1）差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）差模输出电阻,3.2.3 差分放大电路的动态分析,3、共模输入动态分析,共模输入,ui1=ui2=uC,共模输出（双端-理想）,uO=uO1-uO2=0,共模输出（双端-实际）,差模与共模比较,结论：差分放大电路可以放大差模信号，抑制共模信号。一是利用对称性；二是利用强共模负反馈。,3.2.3 差分放大电路的动态分析,4、共模抑制比,定量说明差动放大电路对差模信号放大能力和对共模信号抑制能力的参数。,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,共模抑制比越大，表示放大电路的性能越好。,工程上，常用分贝表示共模抑制比,3.2 差分放大电路,3.2.4 差分放大电路输入输出的连接方式,双端输入、双端输出（双双）双端输入、单端输出（双单）单端输入、双端输出（单双）单端输入、单端输出（单单）,双入双出,四种连接方式,双入单出,3.2.4 差分放大电路输入输出的连接方式,3.2 差分放大电路,单端输入单端输出,（1）差模电压放大倍数,（2）输入电阻与双端输入同,（3）差模输出电阻,不接RL：,接RL：,公式中正、负号表示输入和输出信号的相位，正号为同相，负号为反相。,集成运算放大器是具有高放大倍数带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的模拟集成电路。,高增益、低功耗、小尺寸、高可靠性、低成本,Auo 高:80dB140dBrid 高:105 1011ro 低:几十 几百KCMR高:70dB130dB,电路符号,3.3 集成运算放大电路简介,1、集成运算放大器特点,（1）（1,3.3 集成运算放大电路简介,1、集成运算放大器特点,（1）在集成电路工艺中还难于制造电感元件和大容量电容，因此集成运放主要采用直接耦合。,（2）集成运算放大器的输入级采用差分放大电路，其特点是输入电阻高、抗干扰能力强、零漂小。,（3）在集成运算放大器中多用晶体管恒流源代替电阻。必须直流高阻值电阻时，常采用外接方式。,（4）集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。,3.3 集成运算放大电路简介,2、运算放大器的基本电路构成,集成运放是具有高增益、高输入电阻、低输出电阻、低零漂，并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路，其基本放大电路由四部分组成。,图2.3.6 运算放大器的基本放大电路,采用差放、零漂小、输入电阻高,使各级有合适的工作点,放大,输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路组成,3.3 集成运算放大电路简介,3、集成运算放大器的分类,通用型运放：价格低，使用方便，可用作一般模拟信号放大。常用型号F741、F747、LM324。,专用型运放,（1）低功耗：F253、F012、F013,（2）高精度：OP07、F032、F714,（3）高输入阻抗，输入阻抗达1012数量级,（4）高速、高压：LM318,按封装类型分：741系列、双运放、四运放等。按功率分：微功耗型和大功耗型,3.3 集成运算放大电路简介,4、运算放大器的基本分析方法,理想化运算放大器的条件：,开环电压放大倍数 AO,差模输入电阻 ri,开环输出电阻 rO,共模抑制比 KCMRR,;,0;,;,;,理想运算放大器电路符号：,图2.3.7 理想运算放大器符号,同相输入端,输出端,反相输入端,信号传输方向,提示：外管脚排列图及电源范围需查阅有关手册。,ui略大于0 正饱和区,3.3 集成运算放大电路简介,集成运算放大器的传输特性,饱和区,线性区,输入输出关系曲线,uO=f（ui）,信号很小时工作在线性区,ui略小于0 负饱和区,要使运放工作在线性区，常引入深度负反馈。,图2.3.8 集成运算放大器的 传 输 特性曲线,3.3 集成运算放大电路简介,理想集成运算工作在线性区放的特点,ui,i+,3.3 集成运算放大电路简介,5、集成运算的主要参数,（1）最大输出电压UOPP,（2）开环差模电压增益 Auo,（3）输入失调电压 UiO,（4）输入失调电流 IiO,（5）输入偏置电流IiB,（6）最大共模输入电压UiCM,3.4 集成运算放大器的基本运算电路,3.4.1 反相比例运算电路,图2.3.9 反相比例运算电路,电路分析：,R1反相输入电阻,Rf反馈电阻,R2平衡电阻,R2=R1/Rf,ui由反相端输入,输出,Rf引入电压并联负反馈运放工作在线性区,3.4.1 反相比例运算电路,电路分析：,根据线性区的分析依据：,“虚断”i+i-0,虚地点,得 ii=if+i-if,“虚短”u-u+=0,所以,即,闭环电压放大倍数,取R1=RF,反相器,负号表示反相,3.4.1 反相比例运算电路,【例3.4.1】在图2.3.9中，设R1=10k,RF=50k，求Auf，如果ui=0.5V,uO=?,【解】,3.4 集成运算放大器的基本运算电路,3.4.2 同相比例运算电路,图2.3.10 同相比例运算电路,电路分析：,Rf反馈电阻,R2平衡电阻,R2=R1/Rf,ui由同相端输入,输出,反相端R1经接地,Rf引入电压串联负反馈，运放工作在线性区。,3.4.2 同相比例运算电路,电路分析：,根据线性区的分析依据：,“虚断”i+i-0,得 ii=if+i-if,“虚短”u-u+=ui,所以,即,闭环电压放大倍数,取R1=（断开）或RF=0,u-=ui,【例3.4.2】分析图2.3.11中输出电压与输入电压的 关系，并说明电路的作用?,3.4.2 同相比例运算电路,【解】,图2.3.11 例3.4.2题图,3.4 集成运算放大器的基本运算电路,3.4.3 反相加法运算电路,图2.3.12 反相加法运算电路,电路分析：,根据线性区的分析依据：,“虚断”i+i-0,“虚短”u-u+=0,整理得,当R11=R12=R13=R1时,ii=ii1+ii2+ii3,虚地点,R2=R11/R12/R13/RF,【例3.4.3】一个测量系统的输出电压和一些待测量的关系为u0=2ui1+0.5ui2+4ui3，试用集成运放构成信号处理电路，若取RF=100k，求各电阻值。,3.4.2 同相比例运算电路,【解】,RF=100k,R11=50k,R12=200k,R13=25k,Rb1=16k,第一级,第二级,R21=RF=100k,Rb2=50k,3.4 集成运算放大器的基本运算电路,3.4.4 减法运算电路,图2.3.14 减法运算电路,1、差分输入放大电路,信号由两个输入端输入,差分输入,因为 u-u+，所以,当R1=R2 和R3=RF时，则,当R1=RF时，则,3.4.4 减法运算电路,2、具有高输入电阻的减法运算电路,图2.3.14 高输入电阻的减法运算电路,电路分析：,为提高减法器的输入电阻，第一级采用同相比例运算电路，第二级为差分比例运算电路。,3.4.4 减法运算电路,2、具有高输入电阻的减法运算电路,电路分析：,取RF1=R12 R11=RF2时，,该电路的实际输入电阻可高达几十兆欧。,3.5 运算放大电路的反馈分析,3.4.4 减法运算电路,图2.3.14 减法运算电路,1、差分输入放大电路,信号由两个输入端输入,差分输入,因为 u-u+，所以,当R1=R2 和R3=RF时，则,当R1=RF时，则,3.5 运算放大电路的反馈分析,判断单级运算放大电路反馈类型的简单方法：,1、寻找反馈支路,2、判断电压、电流反馈 RF直接与输出端相连为电压反馈，反之为电流反馈。,3、判断串联、并联反馈 RF与信号输入端相连为并联反馈，反之为串联反馈。,4、正、负反馈 RF与反相输入端相连为负反馈，反之为正反馈。,判断负反馈类型的目的 确定反馈类型，了解负反馈对放大电路的影响。为改善放大电路的性能提供理论依据。,3.5.1 串联电压负反馈,图2.3.16 串联电压负反馈,1、寻找反馈支路RF和R1构成反馈支路,3.5 运算放大电路的反馈分析,2、判断电压、电流反馈 RF直接与输出端相连为电压反馈。,3、判断串联、并联反馈 RF没有直接与信号输入端相连，故为串联反馈。,4、正、负反馈 RF与反相输入端相连，为负反馈。,该电路中引入串联电压负反馈，输出电压稳定，输入电阻高，输出电阻低，F无量纲。,3.5.2 并联电压负反馈,图2.3.17 并联电压负反馈,1、寻找反馈支路RF和R1构成反馈支路,3.5 运算放大电路的反馈分析,2、判断电压、电流反馈 RF直接与输出端相连为电压反馈。,3、判断串联、并联反馈 RF直接与信号输入端相连，故为并联反馈。,4、正、负反馈 同前，为负反馈。,该电路中引入并联电压负反馈，输出电压稳定，输出电阻低，输入电阻低。,F具有电导量纲,3.5.3 串联电流负反馈,图2.3.18 串联电流负反馈,1、寻找反馈支路RF构成反馈支路,3.5 运算放大电路的反馈分析,2、判断电压、电流反馈 RF没有直接与输出端相连，为电流反馈。,3、判断串联、并联反馈 RF没有直接与信号输入端相连，故为串联反馈。,4、正、负反馈 同前，为负反馈。,该电路中引入串联电流负反馈，输出电流稳定，输出电阻高，输入电阻高。,F具有电阻量纲,3.5.4 串联电流负反馈,图2.3.18 串联电流负反馈,1、寻找反馈支路RF和R构成反馈支路,3.5 运算放大电路的反馈分析,2、判断电压、电流反馈 RF没有直接与输出端相连，为电流反馈。,3、判断串联、并联反馈 RF直接与信号输入端相连，故为并联反馈。,4、正、负反馈 同前，为负反馈。,该电路中引入并联电流负反馈，输出电流稳定，输出电阻高，输入电阻低，F无量纲。,3.5 运算放大电路的反馈分析,3.5.5 运算放大电路反馈分析举例,判断多级运算放大电路反馈类型的方法基本与单级相同但在判断正、负反馈时要用瞬时极性法，具体方法见例题。,【例3.5.1】判断两级运放电路的反馈类型。,图2.3.20 例3.5.1题图,【解】由反馈电阻RF构成交直流并联电压负反馈。,3.6.1 积分运算电路,图2.3.21 反相积分运算电路,3.6 运算放大器的应用电路举例,ui由反相端输入,电容作为反馈元件,输入与输出电压成积分关系,输出,电路功能：,由 u-u+=0 得,i1=if,i1=if,3.6.1 积分运算电路,输入阶跃电压,波形变换：,输入矩形波,图2.3.22 反相积分运算电路,输出为时间的一次函数,输出为三角波,“虚断”i+i-0,i1=if,由 u-u+=0 得,【例3.6.1】如图2.3.23所示电路，反相比例运算与积分运算结合起来构成的比例积分调节器。试求出输出电压与输入电压的关系。,图2.3.23 3.6.1题图,3.6.1 积分运算电路,【解】,i+i-0得,由 u-u+=0,图2.3.24 电压电流变换器,3.6.2 电压电流变换器,3.6 运算放大器的应用电路举例,负载不接地的电压电流变换器,将输入电压信号变换成与之成正比的输出电流信号,由理想运放的条件得：,结论：负载电阻RL上的电流iL与输入电压ui成正比。该电路对负载是一个恒流源。,图2.3.25 电压-电流变换器,负载电阻接地的电压电流变换器：,3.6.2 电压电流变换器,由理想运放的条件得：,“虚断”i+i-0,“虚短”u-u+,输出电流为：,结论：负载电流iL与输入电压E成正比。,图2.3.26,3.6 运算放大器的应用电路举例,3.6.3 电压比较器,1、任意电平电压比较器,将输入电压信号与参考电压相比较，比较器工作在运放的非线性区,uiUR uO=+UO（Sat）,uiUR uO=UO（Sat）,比较电压,uiUR,uiUR,双向限幅器,图2.3.27,3.6.3 电压比较器,2、过零限幅比较器,将输入电压信号与零电平进行比较，可加双向稳压管限幅。,稳压管接在输出端,稳压管接在输出和反相之间端,同相端输入,反相端输入,3.6.3 电压比较器,比较器分析的方法与特点：,（1）输出电压的跃变条件：,u+=u-,（2）电压传输特性：u+u-；uO 0 u+u-；uO 0,输出端不接稳压管时，uO=UO（Sat）输出双相限幅时，uO=UZ,（3）电压比较器的输入与输出之间为非线性关系。,3.6.3 电压比较器,3、过零滞回比较器,在运放中加入正反馈，形成具有滞回特性的比较器，RF为正反馈电阻，R3 DZ与组成稳压电路，反向端电阻R1接地。,图2.3.22 过零滞回比较器,整理得：,3、过零滞回比较器,求出翻转电平（上门限电平）：,整理得：,上门限电平,3、过零滞回比较器,设uo=Uz,求出翻转电平（下门限电平）：,回差电压：,回差电压是比较器的重要参数，回差越大，比较器的抗干扰能力就越强。,上门限电平,下门限电平,3.6 运算放大器的应用电路举例,3.6.4 测量放大器,实用的、高测量精度的测量放大器如图2.3.29 所示。,第一级：A1、A2组成,同相输入，输入电阻高，可抑制零漂。,第二级：A3组成差分放大电路,图2.3.29 测量放大器,两级放大倍数：,证明过程见教材181页,图2.3.30 正弦波振荡器方框图,3.7 运算运放构成的信号发生器,3.7.1 正弦信号发生器,一、正弦波振荡器的工作原理,1、自激振荡的条件,在放大电路中加入正反馈及满足一定条件时，放大器无输入信号时，仍有输出信号，这种现象称为自激振荡。,S合1:ud=ui 无反馈,S合2:uf=ud=ui 正反馈,因为,当,（1）相位条件反馈电压与输入电压同相,（2）幅度条件反馈与输入电压大小相等，即Uf=Ud,3.7.1 正弦信号发生器,1、自激振荡的条件,维持等幅振荡,2、振荡的建立与稳定,信号由小逐渐增大而起振，到保持不失真的等幅振荡。,3.7.1 正弦信号发生器,1、反馈型振荡电路的组成,二、正弦波振荡电路,（1）放大电路：由三极管、运放等组成的基 本放大电路,（2）选频网络：有LC、RC选频网络，决定振 荡频率f0,（2）反馈网络：有变压器、LC、RC及其组合 电路,2、正弦波振荡电路的分类,根据选频网络分：RC振荡器；LC振荡器；石 英晶体振荡器。,图2.3.31 运放构成的RC桥式振荡器,3.7.1 正弦信号发生器,二、正弦波振荡电路,3、由运放构成的RC桥式振荡器,集成运放放大电路；RC串、并联电路选频、正反馈；,基本放大,选频、正反馈,3.7.1 正弦信号发生器,3、由运放构成的RC桥式振荡器,幅频特性和相频特性,图2.3.32 幅频特性和相频特性,分析可知：,3.7.1 正弦信号发生器,3、由运放构成的RC桥式振荡器,分析可知：,同相放大,实际振荡器的振荡频率可以通过调整R或C进行调节。,图2.3.33 矩形波信号发生器电路,3.7 运算运放构成的信号发生器,3.7.2 矩形波信号发生器,1、工作原理,电路由RC积分电路和滞后电压比较器组成，DZ 起限幅作用，R3 为限流电阻。输出波形如图：,3.7.2 矩形波信号发生器,工作原理分析：,设t=0时，uo=Uz,uo=Uz通过RF向电容充电,uC u+=FUz，uo=Uz,电容通过RF向运放输出端放电uC下降,uC u+=FUz，uo=Uz，输出矩形波,2、主要参数（1）幅值：稳压值确定；（2）周期：充放电时间常数决定。,