集成运算放大电路课件

12将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上集成电路优点集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小集成电路分类集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路；模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；8.38.3 集成运算放大器集成运算放大器集成电路集成电路的概念的概念集集 成成 电电 路路:1.电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。2.输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。3.NPN管和管和PNP管配合使用，从而改进单管的性能。管配合使用，从而改进单管的性能。4.大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。大量采用恒流源设置静态工作点或做有源负载，提高电路性能。特点：特点：HOME3集成运算放大器的原理电路集成运算放大器的原理电路T3T4T5T1T2IS与与uo反相反相 u+u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端与与uo同相同相输输入入级级中中间间级级输输出出级级对输入级要求对输入级要求：尽量减小零漂尽量减小零漂,提高提高KCMRR，输入阻抗输入阻抗ri 尽可能大尽可能大对中间级要求对中间级要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级要求对输出级要求：带负载能力强带负载能力强,有足够的输出电流有足够的输出电流io .输出阻抗输出阻抗ro小小8.3.18.3.1HOME4集成运放芯片集成运放芯片uu+uo uo国际符号国际符号国内符号国内符号三种封装形式：三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装已经不用已经不用正在使用正在使用外外形形符符号号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端u+u-u0 均为对地电压均为对地电压 u-u+u+u-uo8.318.31HOME5uiuo+UOM-UOMuiuo_+AoCoOMEuUmax例：若例：若Ec=12V，Ao=106，则则|ui|u-则输出为则输出为+Uom，反之输出为反之输出为-UomHOME47uoui0+UOM-UOM+uoui1.1.信号幅度比较电路信号幅度比较电路+uouiuoui0+UOM-UOM（1）电压比较器）电压比较器传输特性曲线传输特性曲线ui0则输出为正，反之为负。则输出为正，反之为负。ui0则输出为正，反之为负。则输出为正，反之为负。过零比较过零比较HOME48+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时,uo=-Uom 单阈值比较单阈值比较反相输入反相输入（UR不为零）不为零）传输特性传输特性HOME49uoui0+Uom-UomUR传输特性传输特性UR：参考电压：参考电压 ui：被比较信号：被比较信号+uouiUR特点：运放处于开环状态。特点：运放处于开环状态。当当ui UR时时,uo=+Uom当当ui UR时时,uo=-Uom 同相端输入同相端输入HOME50+uouitui例：例：利用电压比较器将正利用电压比较器将正弦波变为方波。弦波变为方波。uot+Uom-Uom方波与正弦波同相。方波与正弦波同相。问：若反相输入则如何？问：若反相输入则如何？可实现过零检测可实现过零检测HOME51+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：电路改进：用稳压管进行限幅。用稳压管进行限幅。+uiuo UZRR 电压比较器的另一种形式电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在将双向稳压管接在负反馈回路上负反馈回路上uo UZR注意此注意此电阻不可少电阻不可少此电路兼有线性与此电路兼有线性与非线性两种工作状态非线性两种工作状态HOME52单阈值比较器的特点单阈值比较器的特点1.电路简单。电路简单。2.当当Ao不够大时，不够大时，输出边沿不陡。输出边沿不陡。3.容易引入干扰。容易引入干扰。tuiuot过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区uiuo饱和区饱和区线性放大区线性放大区+UOM-UOMHOME53(2)(2)滞回比较器滞回比较器8.39 8.39 滞回比较器滞回比较器 HOME54)(322322ZOURRRuRRRuTZUURRRu322TZUURRRu322由图由图8.39(a)可知可知当输出为当输出为+UZ时，时，当输出为当输出为-UZ时，时，称为下限阈值电压称为下限阈值电压 称为上限阈值电压称为上限阈值电压 HOME55OIIdOuuuuuu)(TTUUU注意 由于该电路存在正反馈，因而输出高、由于该电路存在正反馈，因而输出高、低电平转换很快。低电平转换很快。调节调节R2、R3的比值，可改变回差电压值。回差电压的比值，可改变回差电压值。回差电压大，抗干扰能力强，延时增加。实用中，就是通过调整大，抗干扰能力强，延时增加。实用中，就是通过调整回差电压来改变电路某些性能的。回差电压来改变电路某些性能的。两个阈值的差称为两个阈值的差称为回差电压回差电压，即即这个正反馈过程很快使输出这个正反馈过程很快使输出uO由由UZ跳转到跳转到-UZ。例如，设开始时例如，设开始时uO=UZ，当，当uI增加到增加到UT+，使，使uO 有下降趋势时，正反馈过程为：有下降趋势时，正反馈过程为：HOME56 还可以在同相端再加一个固定值的参考电还可以在同相端再加一个固定值的参考电压压UREF。此时，回差电压不受影响，改变的只。此时，回差电压不受影响，改变的只是阈值，在电压传输特性上表现为特性曲线沿是阈值，在电压传输特性上表现为特性曲线沿uI前后平移。因此，抗干扰能力不受影响，但前后平移。因此，抗干扰能力不受影响，但越限保护电路的门限发生了改变。越限保护电路的门限发生了改变。目前有专门设计的集成比较器供选用。目前有专门设计的集成比较器供选用。常用的单电压集成比较器常用的单电压集成比较器J631、四电压集、四电压集成比较器成比较器CB75339引脚图如图引脚图如图8.40所示。所示。HOME57（a a）单电压集成比较器）单电压集成比较器 （b b）四电压集成比较器）四电压集成比较器 图图8.40 8.40 常用电压比较器引脚图常用电压比较器引脚图 HOME58电路如图电路如图8.418.41（a a）所示，试求上、下限阈值电压，）所示，试求上、下限阈值电压，并画出电压传输特性。并画出电压传输特性。（a a）电路图）电路图 （b b）电压传输特性）电压传输特性图图8.418.41HOME例例8.759VUT5.16103010VVUT5.1)6(103010 故当反相输入端电压故当反相输入端电压ui-1.5 V时，输出电压由高电平时，输出电压由高电平6V跳变为被双向跳变为被双向稳压管箝位的低电平稳压管箝位的低电平V。此时，同相输入端电压跳变为下限阈值电压此时，同相输入端电压跳变为下限阈值电压HOME60图图8.42 8.42 窗口比较器窗口比较器 (3)(3)窗口比较器窗口比较器 窗口比较器的电路图和电压传输特性如图窗口比较器的电路图和电压传输特性如图8.42所示，所示，主要用来检测输入电压是否在两个电平之间。主要用来检测输入电压是否在两个电平之间。HOME612 2信号幅度的采样保持信号幅度的采样保持图图8.43 8.43 基本采样保持电路基本采样保持电路HOME62图图8.448.44LF198/298/398LF198/298/398采样保持电路采样保持电路 HOME633.有源滤波器主要用作测量信号的低通滤波。主要用作测量信号的低通滤波。(a)(a)反相比例放大反相比例放大LPF LPF （b b）同相比例放大）同相比例放大LPFLPF 图图8.45 8.45 低通滤波器（低通滤波器（LPFLPF）HOME64RCfC21kCfRC9.151001.0101212163kR16kRRRF16/1试确定图试确定图8.45(b)所示的低通滤波器的电阻和电容值。所示的低通滤波器的电阻和电容值。要求要求fc=1kHz，Au=2。解解 已知已知 fc=1kHz，先取，先取C=0.01F，由，由 根据集成运放同相和反相两个输入端直流通路电根据集成运放同相和反相两个输入端直流通路电阻平衡要求，有阻平衡要求，有取用标称值取用标称值求取求取R值，故值，故HOME例例8.865211RRAFu11RRFkRRF321已知已知但标称值无但标称值无 32k，则，则R1、RF均可采用二个标称均可采用二个标称值为值为10k和和22 k 的精密电阻串联来代替。的精密电阻串联来代替。故故HOME668.3.5 8.3.5 波形产生电路波形产生电路1.1.正弦信号产生电路正弦信号产生电路（1）.产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fidXXX改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+dXoXfXHOME67如果：如果：,ifXX则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+dXoXfXHOME68自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导fidofdooXXXXFXXAXFAAXXAooioF1基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+dXoXfXHOME69FAo=1自激振荡的条件自激振荡的条件基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfXoffdXFXXX,oodooXFAXAXHOME70FAAAooF1如果：如果：FoAFA:01则(1)正反馈足够强正反馈足够强,输入信号为输入信号为 0 时仍有信号输时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。出，这就是产生了自激振荡。(2)要获得非正弦自激振荡要获得非正弦自激振荡,反馈回路中必须有反馈回路中必须有RC充放电充放电电路。例如：前面介绍的方波发电路。例如：前面介绍的方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器等。生器、三角波发生器、锯齿波发生器等。)()(FA、(3)要获得正弦自激振荡要获得正弦自激振荡,反馈回路中必须有选反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：HOME71自激振荡的条件：自激振荡的条件：1)()(FA因为：因为：AAA|)(FFF|)(所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。HOME72问题问题1：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅是要求输出的幅度。起振时度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+B=2n，即可起振。即可起振。HOME73问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。即可稳幅。具体方法将在后面具体电路中介绍。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111AFBUAFBUAFBUooo时，时，时，HOME74（2）.RC振荡电路振荡电路用用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里选频网络有多种，这里只介绍只介绍文氏桥选频电路文氏桥选频电路。R1C1R2C2iUoU一、选频电路一、选频电路HOME75HOME76)1()1(112211221CRCRjCCRRUUio1221212CRfCRfoo时，相移为时，相移为0 0。R1C1R2C2iUoUHOME77212121CCRRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：RCfo21)(31ffffjUUooio)(31ffffarctgoo22)(31ffffUUooio传递函数：传递函数：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：fofioUU31+90 90 f0HOME78二、用运放组成的二、用运放组成的RC振荡器振荡器0A所以，要满足相位所以，要满足相位条件，只有在条件，只有在 fo 处处0F因为：因为：1AF122RR uo_+R2RCRCR1121RRA31112FRRA图图8.47 RC文氏桥振荡器文氏桥振荡器HOME79kRnFCkR20,100,100102求得由式振荡电路的频率范围可RCf2109.15101001010014.321219301RCf15910100101014.321219302RCf在图在图8.47中，中，试求试求 该振荡电路的频率范围？该振荡电路的频率范围？该采用多大的、什么样的电阻才能得到较该采用多大的、什么样的电阻才能得到较理想的正弦波输出电压？理想的正弦波输出电压？解：解：下限频率为下限频率为上限频率为上限频率为HOME例例8.9803112RRAufkRR102201321 电阻电阻R1由同相比例运算电路的放大倍数为由同相比例运算电路的放大倍数为3求得求得 因：因：故故：为实现稳幅，为实现稳幅，R1 应采用正温度系数的热敏电阻应采用正温度系数的热敏电阻。HOME81能自行启动的电路（能自行启动的电路（1）uotRtA半导体半导体热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，RT略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；_+RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐渐增大逐渐增大则则RT逐渐减小，使得输出逐渐减小，使得输出uo为某值时，为某值时，|AF|=1，从而稳幅。从而稳幅。HOME82能自行启动的电路（能自行启动的电路（2）R22为一小电阻，为一小电阻，使使(R21+R22)略大于略大于2R1，|AF|1，以，以便起振；便起振；_+R21RCCR1R22D1D2随着随着uo的增加，的增加，R22逐渐被短接，逐渐被短接，A自动自动下降到使下降到使|AF|=1，使，使得输出得输出uo稳定在某值。稳定在某值。HOME83输出频率的调整：输出频率的调整：RCfo21通过调整通过调整R或或/和和C来调整频率。来调整频率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：双联可调电：双联可调电容，改变容，改变C，用于细调振用于细调振荡频率。荡频率。K：双联波段开：双联波段开关，切换关，切换R，用于粗调振用于粗调振荡频率。荡频率。HOME84电子琴的振荡电路：电子琴的振荡电路：2121RRCfo_+RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21HOME85+-RR3R1R2VDZCucuoA 图图 8.48 矩形波发生电路矩形波发生电路电路组成电路组成(1)(1)方波发生器方波发生器2.2.非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路HOME86工作原理工作原理ZTZTURRRUURRRU211211HOME87振荡周期振荡周期2121RRlRCTnk21212RRlRCTnkkTTTHOME88RCucR2R1R3Rw RwRwVDZuoA+-图图 8.49 占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路HOME89占空比可调的占空比可调的矩形波发生电路和波形矩形波发生电路和波形HOME90(2)(2)锯齿波发生电路锯齿波发生电路积分运算电路积分运算电路(A2)起延时作用。起延时作用。电路的主要特点电路的主要特点:（a a）电路图）电路图 （b b）波形图）波形图 图图8.50 8.50 锯齿波发生器锯齿波发生器 同相输入滞回比较器（同相输入滞回比较器（A1）起开关作用；）起开关作用；HOME91HOMEHOME92(3)(3)压控振荡器压控振荡器图中控制端电压规定为正。图中控制端电压规定为正。（a）电路）电路 （b）电压波形图）电压波形图8.51压控振荡器及电压波形压控振荡器及电压波形HOME931.1.合理选用集成运放型号合理选用集成运放型号集成运放的主要技术指标有：集成运放的主要技术指标有：(1)(1)开环电压放大倍数开环电压放大倍数(2)(2)输入失调电压输入失调电压HOME8.3.68.3.6集成运放使用中的问题集成运放使用中的问题 94(3)(3)输入失调电流输入失调电流 (4)(4)共模抑制比共模抑制比 (5)差模输入电阻差模输入电阻 (6)输出电阻输出电阻 HOME952.在使用集成运放时应熟悉管脚的功能在使用集成运放时应熟悉管脚的功能 常用的集成运放有单运放电路A741（F007）；双运放电路F353；四运放电路F4156等，这些集成电路的电源均为15V，各引脚功能如图8.53所示。（a）单运放）单运放（b）双运放）双运放 （c）四运放）四运放图图8.53常用集成运放引脚图常用集成运放引脚图 HOME963.3.集成运放的消振与调零集成运放的消振与调零消振与调零电路如图消振与调零电路如图8.54所示。所示。(a)F004 (b)(a)F004 (b)A741(F007)A741(F007)图图8.54 8.54 集成运放的调零集成运放的调零 HOME974.4.输入保护输入保护输入端保护电路如图输入端保护电路如图8.56所示。所示。(a)(a)反相输入反相输入(b)(b)同相输入同相输入 图图8.56 8.56 输入保护电路输入保护电路HOME983集成运放是一种高增益直接耦合放大器，掌握集成运集成运放是一种高增益直接耦合放大器，掌握集成运放理想化条件是分析集成运放在线性和非线性应用时的基本放理想化条件是分析集成运放在线性和非线性应用时的基本概念和重要原则。理想运放线性应用时，若反相输入则有概念和重要原则。理想运放线性应用时，若反相输入则有u-=u+=0、i-=i+；若同相输入或差分输入则有；若同相输入或差分输入则有u-=u+、i-=i+。理想运放组成正弦波振荡器时，关键是要满足振幅条。理想运放组成正弦波振荡器时，关键是要满足振幅条件和相位条件。件和相位条件。1 1反馈是将输出信号的一部分或全部以通过反馈网络送反馈是将输出信号的一部分或全部以通过反馈网络送到输入端。负反馈放大电路有四种不同类型。由瞬时极性到输入端。负反馈放大电路有四种不同类型。由瞬时极性判断反馈的性质，由输出端判别电压或电流反馈，由输入判断反馈的性质，由输出端判别电压或电流反馈，由输入端判别串联或并联反馈。端判别串联或并联反馈。2差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路形式，其差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路形式，其特点是电路对称。特点是电路对称。HOME