集成运算放大器.ppt

《集成运算放大器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成运算放大器.ppt（66页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第 5 章集成运算放大器,本章学习目标,5.1直接耦合放大器,5.2集成运算放大器,本章小结,本章学习目标,了解直耦放大器中的两个特殊问题，理解零点漂移 的含义及产生的主要原因。理解差分放大电路的组成及特点，清楚其抑制零漂的原理。,掌握使用差分放大电路双端输入、双端输出时差模放大倍数的计算方法，理解共模放大倍数和共模抑制比的概念；理解射极电阻、射极电源的作用。,熟悉集成运算放大器的外形和符号，理解集成运算放大器的参数。,掌握集成运算放大器的理想特性，理解虚断、虚短的概念，会分析由集成运放构成的运算应用电路，了解集成运放的使用常识。,5.1直接耦合放大器,直耦放大器的两个特殊问题,直耦放大器的级

2、间电位调节电路,差分放大器,直接耦合放大器：放大器与信号源、负载以及放大器之间采用导线或电阻直接连接。,特点：低频响应好。可以放大频率等于零的直流信号或变化缓慢的交流信号。,5.1.1 直耦放大器的两个特殊问题,一、前后级的电位配合问题,简单的直接耦合电路,由于 VC1=VBE2，而 VBE2 很小，使 V1 的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。,二、零点漂移问题,零点漂移：在输入端短路时，输出电压偏离起始值，简称零漂。,产生零漂的原因：电源电压波动、管子参数随环境温度变化。其中，温度变化是主要因素。,零漂的危害：

3、在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。,直耦放大器的级间电位调节电路,用发射极电阻调节电位,在 V2 的发射极接一个电阻 R2e，这样 VCE1=VBE2+IE2 R2e VBE2，增大了 V1 管的工作范围。,适当调节 R2e 值，可使前后级静态直流电位设置合理。为减小 R2e 对放大倍数的影响，采用稳压管代之。,差分放大器,电路如图所示。,一、电路特点,特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等；信号为双端输

4、入、双端输出方式。,输入电压 vI 经 R1、R2 分压为相等的 vI1 和 vI2 分别加到两管的基极(双端输入)，输出电压等于两管输出电压之差，即 vO=vO1 vO2(双端输出)。,二、抑制零漂原理,设输入电压 vI=0，因电路完全对称，则 ic1=ic2，vO1=vO2，vO=vO1 vO2=0 当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，使 vO1=vO2，输出电压 vO=vO1 vO2=0。可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。,三、放大倍数,1差模放大倍数 AVD,差模信号：大小相等而极性相反的两个信号。,差模输入方式：两管输入信号为差模信号。,当 vI 0 时

5、，vI=-v=vI/2，放大器为差模输入。vO1=-vO2，放大器双端输出电压 vO=vO1vO2=vO-(-vO1)=2vO1。,差分放大器的差模输入方式,差分放大器的差模输入方式,设单管放大器的放大倍数为 AV1、AV2，且 AV1=AV2，于是差模放大倍数为 AVD=AV1=AV2,即,可见，双端输入、双端输出差放电路的差模放大倍数等于单管放大器的放大倍数。,差分放大器的差模输入方式,2.共模放大倍数 AVC,共模信号：大小相等、极性相同的两信号。,共模输入方式：两管输入信号为共模信号。,两管的输入信号 vI1=vI2=vI，放大器为共模输入，因电路对称，vO1=vO2。其双端输出电压

6、vO=vO1-vO2=0。即共模放大倍数,可见，共模输入、双端输出差放电路的共模放大倍数等于零。即对共模信号进行了拟制。,四、共模抑制比 KCMR,共模抑制比 KCMR：衡量差分放大器放大差模信号及抑制共模信号的能力。,共模抑制比 KCMR 越大，差分放大器的性能越好。,例 设单管放大器的放大倍数，AV1=AV2=-20。试求：(1)差分放大器的差模放大倍数 AVD？(2)若已知差分放大器共模放大倍数 AVC=0.02，求共模抑制比 KCMR=?,解：(1),(2),差分放大器的共模输入方式,五、RP、Re、GE 在电路中的作用,RP 调零电位器。作用是克服电路非对称性。当 Vi=0 时调节

7、RP，使 vo=0。,Re公共射极电阻。作用是引入共模负反馈。对共模信号有负反馈作用，对差模信号相当于短路。,GE 辅助电源。作用是克服 Re 对 VCEQ 的影响，防止输出动态范围减小。,差分放大器的共模输入方式,六 具有恒流源的差动放大电路,5.2集成运算放大器,集成运算放大器的外形和符号,集成运算放大器的放大倍数和参数,集成运算放大器的理想特性,集成运算放大器的应用举例,集成运放使用常识,集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。,集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。,集成电路的类型：以集成度即管子和元件数

8、量可分为一百以下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。,集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。,集成运算放大器的外形和符号,1集成电路的外形：,国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。,2集成运放的型号,国家标准(GB3430/T1989)规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如 CF741、CF124 等，其中 C 表示国

9、家标准，F 表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。,3集成运放的电路组成,4集成运放的管脚顺序及功能,国产第二代集成运放 CF741 接线如图所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：,CF741外接线图,为反相输入端(输出信号与输入信号反相位),为同相输入端(输出信号与输入信号同相位),接负电源(-9-18)V,为输出端,接正电源(+9+18)V,为空脚,脚 1、4、5 外接调零电位器,国产第一代集成运放 F004 接线如图所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下：,脚 7 接正电源

10、(+15)V，脚 4 接负电源(-15)V，脚 6 为输出端，脚 1、4、8 接调零电位器，脚 3 为同相输入端，脚 2 为反相输入端，脚 5、6 之间的 300 k 电阻及 RP、CP 的作用是消除自激，可通过调试决定数值。,不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。,F004 外接线图,5集成运放的图形符号,图(a)是国家新标准(GB/T472813 1996)规定的符号；图(b)是曾用过的符号。画电路时，通常只画出输入和输出端，输入端标“+”号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。,集成运算放大器的放大倍数和参数,一、两种放大倍数,1开环放大倍数 AVO,

11、开环放大倍数 AVO：无反馈时集成运放的放大倍数。,2闭环放大倍数 AVF,闭环放大倍数 AVF：有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。,4开环电压放大倍数 AVO,电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。AVO 越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的 AVO 可达 105 倍。,5开环输入阻抗 ri,指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。ri 越大，运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。,6开环输出阻抗 ro,电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。ro越小，运放性能越好。一般在几百欧左右。,7共模抑制比 KCMR,电路开环情况下，

12、差模放大倍数 AVD 与共模放大倍数 AVC 之比。KCMR 越大，运放性能越好。一般在 80 dB 以上。,8输出电压峰-峰值 VOPP,放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。,9静态功耗 PD,电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。,10开环频宽 BW,开环电压放大倍数随信号频率升高而下降 3 dB 所对应的频宽。以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。,三、集成运放产品分类简介,1通用型,通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。如性能较好的 CF741 等。,2特殊型,特殊型集

13、成运放的特点是突出某项性能指标。如：,(1)高输入阻抗型差模输入电阻不小于 109。,(2)高精度型VIO/T 小于 2V/C。,(3)宽带型增益带宽大。,(4)低功耗型当电源电压 15 V 时，最大功耗不大于 6 mW。,(5)高速型转换速率大于 30 Vs。,(6)高压型输出电压较高。,集成运算放大器的理想特性,集成运放的理想特性为：,1输入信号为零时，输出端应恒定为零；,2输入阻抗 ri=；,3输出阻抗 ro=0；,4频带宽度 BW 应从 0；,5开环电压放大倍数 AVO=。,在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。,集成运算放大器的应用举例,一、数学运算方

14、面的应用举例,1简单的比例运算功能,(1)反向输入比例运算电路,是电压并联负反馈放大电路。,根据运放“理想特性”，ri=，|AVO|=，而 vo 又是有限值，则,iI=0，,所以i1=iF,故反相输入比例运放的闭环放大倍数,输出电压,结论：反相输入比例运算电路的闭环放大倍数与 AVO 无关，只取决于 Rf 与 R1 的比值；与开环放大倍数 AVO 无关；输出电压与输入电压成反比例关系。,由于 vA 0，即 A 端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把 A 端称为“虚地”。,(2)同相输入比例运算电路,是电压串联负反馈放大电路。,根据运放“理想特性”，ri=，|AVO|=，而 vo 又

15、是有限值，得,，iI 0,因此，输入电压 vi=vB=vA,其中,vi=vB=vA,故同相输入比例运放的闭环放大倍数,输出电压,结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与 AVO 无关，只取决于 Rf 与 R1 的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。,2减法比例运算电路,R1=R2，R3=Rf,由图可知，,因为 iI=0，则 i1=iF，于是,整理得,而,因 vA=vB，故,由于 R1=R2,R3=R4 得,结论，输出电压正比于两个输入电压之差。,如果 Rf=R1,则 vO=vI2 vI1,故电路又称为减法器。,3.加法比例运算电路,由运放理想特性知 iI 0，因而 iF=i1+i2+i3。

16、由于 A 点为“虚地”，因此,整理可得,若取 R1=R2=R3=R4，上式简化为,结论：电路的输出电压正比于各输入电压之和。,如果 Rf=R，则vO=-(vI1+vI2+vI3),故电路称为“加法器”。,4.积分运算电路,5.比例积分运算电路,例 计算各电路的阻值并连接集成运放电路图，使它满足 vi 与 vO 之间的下列运算关系：,解(1)由 vO=vI1=vI2 可知 Rf/R1=20。所以只要按减法比例运算电路连接，其中，R1=R2，R3=Rf 且 Rf=20 R1 即符合要求。,(2)同理，用加法比例电路接线，使 Rf=10R1，且 R1=R2=R3，R4=R1/R2/R3/Rf，即满足

17、 vO=-10(vI1+vI2+vI3)的要求。,集成运放除了组成上述运算单元电路外，还可改变反馈元件或连接方式组成乘法、除法、开方、平方、指数、对数以及微分、积分等各种运算电路。,二、其他方面的应用举例,1 反相器,如果令反相比例运放中的 R f=R1，则 vO=-vI，即输出电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为“反相器”。,符号：,2电压跟随器,如果令同相输入比例运放中的 Rf=0，RI=，即输出电压 vO 全部反馈到输入端，而且同相。则,于是vO=vI,即输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。,图中“1”表示放大系数为 1。,3电压比较器,4过零比较器,5迟滞比较器,3

18、LM324 组成电平指示电路,(1)LM324 简介,LM324 是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电路。,GND 为接地端，VCC 为电源正极端(6 V)，每个运放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，1Vi、1Vi+、1VO 分别表示 1 号运放的反相输入端、同相输入端及输出端。依此类推，2Vi-、2Vi+、2VO 是表示 2 号运放器的等等。,(2)LM324 组成的电平指示器,四个运放的同相输入端连接于由 V(2AP9)、R10、C2 组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻 R6、R7、R8、R9 接有发光二极管 LED1、LED4、LED3、L

19、ED2。反相输入端分别经电阻分压网络 RP1、R2、R3、R4、R5 分压后加上量值不等的正电压。,无信号输入时，四个运放同相输入端皆为零电平，因反相输入端皆为正电位，所以各运放输出低电平，因此 V1 V4 各发光二极管均不发光。,有信号输入时，信号经整流后的对地电压(电位)若仅大于第 2 脚电位，则第 1 脚的发光二极管 V1 发光。,若同相输入端的电位都高于相应运放反相输入端的电位时，四个发光二极管 LED1、LED4、LED3、LED2 全部发光。,这样，随着音频信号强弱的变化，电路中发光二极管的个数和亮度也随之变化。其中，改变 RP1 的阻值，可调整发光二极管的亮度。,集成运放使用常识

20、,一、零点调整,方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。,二、消除自激振荡,方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。,三、保护电路,1电源极性的保护,利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。当电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起到保护作用。,2输入保护,利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构。无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则 V1 或 V2 中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，

21、起到了保护作用。,3输出保护,利用稳压管 V1 和 V2 接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。,4提高输入电阻,5扩大输出电流,6扩大输出电压和输出电流,本章小结,直耦放大器存在的问题是前后级直流电位相互影响和零点漂移。通常用后级加发射极电阻的办法解决前后级电位的配合，用差分放大器抑制零漂。,差分放大器对差模信号有放大作用；对共模信号有抑制作用。用共模抑制比衡量差分放大器性能的优劣。,集成运算放大器是一种直接耦合的高放大倍数的线性集成电路，分析运放时应以理想特性为基础。,集成运算放大器除基本运算外还有其他应用，如电压跟随器、反相器等。,使用集成运放应适当设置各种保护电路。,本章重点,了解差分放大器的电路特点、工作原理。,了解差模信号与共模信号、失调与调零的概念。,了解集成电路的分类、特点和集成运放器主要参数。,掌握集成运算放大器的理想化特性。,掌握集成运算放大器的基本运算电路和工作原理。,了解集成运算放大器的应用知识。,本章难点,利用理想化特性分析运算放大器。,差分放大器抑制共模信号的过程。,学时分配,