集成运算放大电路.ppt

模拟电子技术,主讲：王彦武汉铁路职业技术学院二00七年四月,第5章 集成运算放大电路,本章主要内容：5.1 概述 5.2 差分放大电路 5.3 集成运放的组成与理想特性 5.4 集成运算放大器的基本运算电路 5.5 集成运算放大电路的非线性应用5.6 集成运算放大器使用注意问题 5.7 本章小结,5.1 概述,5.1.1 集成电路及其制造工艺5.1.2 集成电路的分类5.1.3 模拟集成电路特征,5.1.1 集成电路及其制造工艺,20世纪60年代初期出现集成电路（Integrated Circuit，缩写IC），它是一种把元器件和电路融为一体的固体组件。集成电路是以硅单晶为基础材料制成的一块厚约0.20.25mm的P型硅片，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、二极管、电阻、电容等，并且相互连接形成一个完整的功能电路。,5.1.2 集成电路的分类,一、集成电路的分类 按其功能不同可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。数字集成电路是用来生产和处理各种数字信号的集成电路。模拟集成电路是用来产生、放大、处理各种模拟信号或进行模拟信号与数字信号间相互转换的电子电路。,(1)模拟集成电路按用途不同可分为通用型和专用型（也称特殊型）(2)模拟集成电路按工作状态不同可分为线性集成电路和非线性集成电路。(3)模拟集成电路按有源器件的类型不同可分为双极型、单极型、双单极混合型。,5.1.2 集成电路的分类,5.1.3 模拟集成电路特征,一、不用电感，少用电容和电阻 目前，集成电路中不能制造电感器，制造容量大于500pF的电容器也比较困难，而且性能也很不稳定。二、用有源器件代替无源器件 三极管就是在硅片上按一定工艺制作而成的，具有工艺简单、占据面积小、成本低的优点，所以在集成电路内部用量最多。三极管大量用作恒流源来代替高阻值的电阻，或接成二极管、稳压管使用。三、电路结构与元件参数具有良好的对称性 通过相同工艺过程制造出来的元件，它们的性能参数一致性好，容易制成两个特性相同的管子或两个阻值相等的电阻。,5.2 差分放大电路,5.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移问题5.2.2 典型差分放大电路5.2.3 具有恒流源的差分放大电路5.2.4 差分放大电路的4种连接方式,5.2.1 直接耦合放大电路的 零点漂移问题,一、零点的含义零点：输入交变信号为零时，输出端的电压 值（一般是输出端的直流电压值）。直接耦合方式中，各级Q点相互影响，如果前级Q点发生变化，则会影响到后级的Q点。同时由于各级的放大作用，第一级微弱变化将经过多级放大器的放大，使输出端产生很大的变化。最常见的是由于环境温度的变化而引起的工作点漂移（称“温漂”），它是影响直接耦合放大电路性能的主要因素之一。,5.2.1 直接耦合放大电路的 零点漂移问题,二、零点漂移 输入电压为零，输出电压偏离零点的变化就称为零点漂移，简称“零漂”.此时输出显然不能反映输入信号变化规律，这种情况将会造成测量的误差，或使自动控制系统发生错误动作，严重时将会淹没真正的信号.解决零点漂移最有效的措施之一是输入级采用差分放大电路.,5.2.2 典型差分放大电路,（2）静态工作点的计算 静态时：vs1=vs2=0，电路完全对称，所以有 IBRs1+UBE+2IERe=VEE又 IE=（1+）IB IB1=IB2=IB=,一、典型差分放大电路的静态分析（1）电路组成,5.2.2 典型差分放大电路,通常Rs(1+)Re，UBE=0.7V（硅管）:IB1=IB2=IB=因：IC1=IC2=IC=IB故：UCE1=UCE2=VCCIC Rc,静态工作电流取决于VEE和Re。同时，在输入信号为零时，输出信号电压也为零（uo=Vc1VC2=0），即该差放电路有零输入零输出。,5.2.2 典型差分放大电路,在输入为差模方式时，若一个三极管的集电极电流增大时，则另一个三极管的集电极电流一定减小。在电路理想对称的条件下，有：ic1=-ic2。,二、差分放大电路的动态分析（1）差模信号输入时的动态分析如果两个输入端的信号大小相等、极性相反，即 vs1=-vs2=或 vs1-vs2=uid uid称为差模输入信号。,5.2.2 典型差分放大电路,Re上的电流为：iEE=iE1+iE2=（IE1+ie1）+（IE2+ie2）电路对称时，有IE1=IE2=IE、ie1=-ie2，使流过Re上的电流iEE=2IE不变，则发射极的电位也保持不变。差模信号的交流通路如图:,5.2.2 典型差分放大电路,差模信号下不同工作方式的讨论:双端输入双端输出放大倍数：当输入信号从两个三极管的基极间加入、输出电压从两个三极管的集电极之间输出时，称之为双端输入双端输出,其差模电压增益与单管放大电路的电压增益相同，无负载的情况下:,5.2.2 典型差分放大电路,当两集电极c1、c2间接入负载电阻RL时，双端输入双端输出时的差模电压放大倍数为：,其中：,输入电阻：输出电阻：Rod2Rc,5.2.2 典型差分放大电路,双端输入单端输出放大倍数：输入电阻：Rid=2rbe 单端输出时的等效电阻为：RodRc,5.2.2 典型差分放大电路,（2）共模输入时的动态分析如果两个输入端信号大小相等、相位相同，即：vs1=vs2=uic 则称为共模输入信号，用uic表示。其共模交流通路如图:,输出的共模电压uoc=vc1vc2=0，双端输出时的共模电压增益为：双端输入单端输出其共模电压增益为：,5.2.2 典型差分放大电路,双端输入双端输出,5.2.2 典型差分放大电路,综上:可得差分放大电路的工作特点:抑制共模,放大差模 因电路对称,引起零漂的因素对电路相当于共模信号,故差分放大电路可以抑制零点漂移.,5.2.3 具有恒流源的差分 放大电路,足够高的共模抑制比说明差分电路对共模信号较强的抑制作用。从式中可知能通过增大Re来提高共模抑制比(单端输出情况下)。但Re的增大一方面要求有较高的电源电压VEE，另一方面过大的电阻又不便于集成化。解决此矛盾的有效方法是采用恒流源电路来代替电阻Re，它具有直流电阻小、交流电阻大及电流恒定的特点。,5.2.3 具有恒流源的差分 放大电路,恒流源电路如图:三极管V1、V2是差分对管，三极管V3、V4及R1、R2、R3组成恒流源电路。,5.2.3 具有恒流源的差分 放大电路,图中,恒流源电路的基准电流为：IREFIE4=，又因IE3R3IE4R2，所以有I0IE3，即三极管V3、V4及R1、R2、R3等值确定，则I0为一定值。,5.2.4 差分放大电路的4种 连接方式,从前面分析可知，差分放大电路有两种输入方式和两种输出方式，组合后共有4种连接方式：双端输入-双端输出；双端输入-单端输出；单端输入-双端输出；单端输入-单端输出；不论是双端输入或是单端输入，只要差分放大电路的输出方式相同，其放大作用相同。,5.3 集成运算放大电路的 组成与理想特性,5.3.1 集成运算放大电路的组成与工作原理5.3.2 集成运算放大器外形和符号5.3.3 集成运算放大器的主要参数5.3.4 集成运算放大器的理想特性,5.3.1 集成运算放大电路的 组成与工作原理,一、集成运算放大电路框图 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，其组成框图:,5.3.1 集成运算放大电路的 组成与工作原理,二、通用型集成运放A741,原理电路,A741的外形图及管脚排列,5.3.2 集成运算放大器的 外形和符号,5.3.2 集成运算放大器的 外形和符号,集成运放的电路符号,5.3.3 集成运算放大器的 主要参数,1开环差模电压增益Aod集成运算放大器工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益.它与频率有关，一般频率高于某一值以后，Aod随频率的升高而减小。2输入失调电压UosUos的大小反映了运算放大器电路元器件的对称程度和电位配合情况。典型运算放大器的Uos2mV。,3输入失调电流IosIos愈小愈好，它反映了输入级差分对管的不对称程度，一般约为1nA0.1mA。4输入偏置电流IB输入偏置电流IB一般是10 nA 1 mA。5温度漂移影响运算放大器性能的一个重要参数。在一般运算放大器中约为（1020）V/oC。,5.3.3 集成运算放大器的 主要参数,6差模输入电阻rid它是衡量运算放大器向差模输入信号索取电流大小的标志。7输出电阻ro运算放大器开环时，其输出电阻即为运算放大器的输出电阻，用ro表示。ro的大小表示运算放大器带负载的能力。8共模抑制比KCMR运算放大器的差模放大倍数Aod与共模放大倍数Aoc之比的绝对值.,5.3.3 集成运算放大器的 主要参数,9最大差模输入电压Uidmax最大差模输入电压表示反向端与同向端之间所能承受的最大电压值。10最大共模输入电压Uicmax是指运算放大器所能承受的最大共模输入电压。超过此值，它的共模抑制比将显著下降。11额定输出电压Uomax运算放大器在标称电源电压及额定输出电流情况下，为保证输出波形不出现明显的非线性失真，运算放大器所能提供的最大电压峰值，即为额定输出电压Uomax。,5.3.3 集成运算放大器的 主要参数,123dB带宽fh 3dB带宽是指差模电压增益Aod下降3dB时的频率。13单位增益带宽fc 单位增益带宽fc是指Aod下降0dB时的频率。14转换速率SR 转换速率是线性区输出电压的最大变化速率,5.3.3 集成运算放大器的 主要参数,集成运放工作状态:线性状态、非线性状态一、理想运放的线性状态线性状态需要的条件：外加负反馈线性状态的工作特点：（1）虚短:u+u-（2）虚断:i+=i-0（此特点可通过深度负反馈得知）,5.3.4 集成运算放大器的 理想特性,二、理想运放的非线性状态非线性状态需要的条件：开环或外加正反馈线性状态的工作特点：（1）当v+v，vo=+Uom（+Uom称为高电平）（2）当v+v，vo=Uom（Uom称为低电平）,5.3.4 集成运算放大器的 理想特性,5.4 集成运算放大器的 基本运算电路,5.4.1 比例运算电路5.4.2 加减法运算电路5.4.3 积分与微分运算电路5.4.4 集成运算放大器的应用举例,一、反相比例运算 根据“虚断”、“虚短”特征有：i+=i0，v=v0，所以 i1=i2,5.4.1 比例运算电路,5.4.1 比例运算电路,即：,由上式可得：,二、同相比例运算 根据理想运放的“虚短”、“虚断”特征可知：i+=i0，v+=v=v i,5.4.1 比例运算电路,5.4.1 比例运算电路,因为：i+=i 0根据基尔霍夫定律有：i 1=i 2,5.4.2 加法与减法运算,一、反向加法运算电路,分析：由KCL i1+i2=if,当R1=R2=Rf时，就有：vo=（v1+v2）,可见，输出电压的大小正好反映了各输入电压之和，负号代表反相。,5.4.2 加法与减法运算,二、同向加法运算电路,分析：,5.4.2 加法与减法运算,三、减法运算电路（差分输入电路）,分析：根据叠加定理计算,v1单独作用时：,v2单独作用时：,5.4.2 加法与减法运算,v1、v2共同作用时：,当满足R4/R3=R2/R1时，上式即为：,减法运算电路是一种差分运算电路：,5.4.3 积分与微分运算,一、积分运算电路,利用虚地的概念：v=0，i=0，因此有：uC=vo 又因为：所以：,5.4.3 积分与微分运算,二、微分运算电路,所以：vo=RC,由此可见，输出电压与输入电压的微分成正比，RC称为时间常数。微分电路对高频噪声特别敏感。,5.4.4 集成运算放大器的 应用举例,一、电压电流转换1.如果负载RL两端都不接地（浮置）同相端输入信号电压为us，按理想运算放大器分析，则流过RL的电流是：,5.4.4 集成运算放大器的 应用举例,一、电压电流转换2.若负载RL的一端接地，负载电流由输入电压控制，即：,5.4.4 集成运算放大器的 应用举例,二、电流电压转换由于运放反相输入端是虚地，Rs中电流为0，因此is流过反馈电阻Rf，输出电压是：vo=isRs,5.4.4 集成运算放大器的 应用举例,三、测量放大电路（自行分析）,5.4.4 集成运算放大器的 应用举例,四、桥式放大电路（自行分析）,5.5 集成运算放大电路的 非线性应用,5.5.1 电压比较电路5.5.2 方波发生器,分析：开环，故运放工作在非线性状态。,5.5.1 电压比较电路,一、基本单限电压比较器（1）反相输入单限电压比较器,5.5.1 电压比较电路,一、基本单限电压比较器（1）反相输入单限电压比较器,电压传输特性曲线：ui和uo的关系曲线,5.5.1 电压比较电路,（2）同相输入单限电压比较器,5.5.1 电压比较电路,例 电路如图所示，当输入信号vs所示的正弦波时，试定性地画出图中vo，vL的波形。,单门限电压比较器抗干扰能力差，提高抗干扰能力的一种方案就是采用迟滞比较器。分析：电路中有正反馈，故运放工作在非线性状态。其阈值电压有两个：,5.5.1 电压比较电路,二、迟滞电压比较器施密特触发电路,5.5.1 电压比较电路,传输特性：,5.5.2方波发生器-多谐振荡器,方波产生电路能直接产生方波或矩形波，是一种非正弦信号发生电路。,5.6 集成运算放大器使用 注意问题,5.6.1 调零5.6.2 消除自激振荡5.6.3 保护电路,5.6.1 调零,为了提高运的集成运算放大器的运算精度，消除因失调电压和电流引起的误差，必须采用调零技术，使运算放大器输入为零时，输出也为零。一般可采用外部调零电路进行调零。对无调零端的运算放大器，或不用厂家提供的调零端调零时，可以采用输入端调零电路。它的基本原理是在运算放大器的输入端施加一个补偿电压，抵消运算放大器本身的失调电压，以达到调零的目的。,5.6.1 调零,对于弱信号工作的运算放大器，应采用金属膜电阻、线绕电阻和线绕电位器作调零元件。对于在交流信号作用下工作的集成运算放大器，因常有隔直流元件，也可以不进行调零，但隔直电容最好选用无极性电容器或漏电小的电解电容器。常见调零电路：,5.6.2 消除自激振荡,由于集成运算放大器是一种直接耦合的高增益多级放大器，各种形式的寄生电容都可能引起自激振荡。消除自激振荡的方法可分为两种：一种是把消除振荡的元件直接制造在元件内部，称为内部消振；另一种是外接阻容元件破坏产生自激的条件，在运算放大器电路中加入适当的补偿电容C或RC补偿网络，以改变运算放大器的开环幅频特性和相频特性，破坏产生自激的条件，使之稳定地工作。,5.6.3 保护电路,集成运放使用中，有时会出现突然失效的问题，归结起来有以下几方面原因：（1）输出端不慎短路或接到电源造成过大电流；（2）输出端接有容性负载，输出瞬间电流过大；（3）输入信号过大，输入级造成过压或过流；（4）电源极性接反或电源电压过高；（5）焊接时，烙铁漏电造成高压击穿；为此，在使用中除了精心操作之外，有必要在输入端和输出端采取相应的保护措施。,5.7 本章小结,（1）集成运算放大电路从内部结构上看，它由4个部分组成：输入级、输出级、中间级及偏置电路。（2）差分放大电路具有放大差模，抑制共模的特点，能有效地抑制零点漂移，一般作为集成运放的输入级。差分放大电路有4种连接方式：只要输出连接方式相同，其放大效果相同。差分放大电路若采用双端输出方式，可以具有零输入、零输出的特点。,5.7 本章小结,（3）理想集成运放可以运用在线性状态和非线性状态。线性状态条件：负反馈闭环形式 非线性状态条件：在开环或正反馈闭环 在线性工作状态时，具有两个重要特征：虚短（v+=v）和虚断（i+=i=0）在非线性工作状态时，只有虚断（i+=i=0）特征。当v+v时，输出高电平；当v+v时，输出低电平。,5.7 本章小结,（4）集成运放的线性应用电路有：比例运算、加法和减法运算、积分和微分运算；非线性应用电路有：基本的单限电压比较电路、迟滞比较器及方波发生器。（5）集成运算放大器在使用中应注意的几个问题：调零、消除自激振荡和保护电路。,