模电第五章集成运算放大器及其应用课件

模模电第五章集成运算放大器及其第五章集成运算放大器及其应用用集成集成电电路（路（integrated circuit integrated circuit，ICIC）LM3245.1 基本差动放大电路5.2 集成运算放大器5.3 集成运放的运算电路5.4 集成运放的应用电路5.5 集成运算放大器组成的电压比较器5.6 集成运放的选择原则和使用5.1 5.1 基本差基本差动动放大放大电电路路1 1、直接耦合放大电路需要解决的问题 各级静态工作点之间互相影响、互相牵制 零点漂移零点漂移问题问题 输输入端短接（入端短接（uI=0），其，其输输出端出端电压电压有忽大忽小有忽大忽小缓缓慢地、无慢地、无规则规则地地变变化的化的输输出出电压电压这这种种现现象就称象就称为为零点漂移。零点漂移。产产生零点漂移的因素生零点漂移的因素：温度：温度变变化、任何元器件参数的化、任何元器件参数的变变化，化，电电源的波源的波动动。在多在多级级直接耦合放大直接耦合放大电电路中，又以第一路中，又以第一级级漂移的影响最漂移的影响最为严为严重。重。零点漂移零点漂移问题问题 图图5-15-1抑制零点漂移的具体措施：抑制零点漂移的具体措施：（1）选选用温漂小的元器件；用温漂小的元器件；（2）电电路元件在安装前要路元件在安装前要经过认经过认真真筛选筛选和和“老老 化化”处处理，以确保理，以确保质质量和参数的量和参数的稳稳定性。定性。（3）为为了减小了减小电电源源电压电压波波动动引起的漂移，要采引起的漂移，要采 用用稳稳定度高的定度高的稳压电稳压电源。源。（4）采用温度）采用温度补偿电补偿电路。路。（5）采用）采用调调制型直流放大器。制型直流放大器。（6）采用差）采用差动动放大放大电电路。路。2 2、差、差动动放大放大电电路路1)基本差基本差动动放大放大电电路路 双端双端输输入入 双端双端输输出出 图图5-25-2基本差基本差动电动电路利用路利用电电路的路的对对称性，具有抑制零称性，具有抑制零点漂移的能力。点漂移的能力。温度温度TUo=(Uc1-Uc2 )不不变变（UBE )2)射极耦合差动放大电路 R R E E的主要作用是的主要作用是稳稳定定电电路的工作点，路的工作点，进进一步减小零点漂移。一步减小零点漂移。温度温度T（UBE )IC1IC2IEUBEUBEUo=(Uc1-Uc2 )不不变变 长长尾尾图图5-35-3在差在差动电动电路中，路中，这这种左右两种左右两边输边输入端所入端所获获得的得的对对地大小相等，极性相反的信号地大小相等，极性相反的信号电压电压就称就称为为差模信差模信号号 差模信号 调零电位器 RE的存在并不影响对差模信号的放大 UO=UO1-UO2=UC1-UC2 减小减小增大增大静静态态工作点工作点分析：分析：在忽略在忽略R RP P时时，静，静态时态时U UI1I1=U UI2I2=0=0，输输入回路方程：入回路方程：V VEEEE=I IBQBQR RB B+U+UBEQBEQ+2I+2IEQEQR RE E 可得可得Q Q点点为为（忽略（忽略I IBQBQ时时）电电路的差模路的差模电压电压放大倍数放大倍数AuD RB RP时时 差差动电动电路双端路双端输输入双端入双端输输出出结结构的构的电压电压放大倍数和放大倍数和单单管共射管共射电电路的放大倍数相同。采用差路的放大倍数相同。采用差动动放大放大电电路只是路只是为为了抑制零点漂移。了抑制零点漂移。当在两个集当在两个集电电极之极之间间接有接有负载电负载电阻阻RL时时：差模差模输输入入电电阻阻：RiD 2(RB+Rbe)差模差模输输出出电电阻阻：RO=2RC 差模地端差模地端两个大小相等，极性相同的信号称两个大小相等，极性相同的信号称为为共模共模输输入信号。入信号。共模信号是反映温漂干共模信号是反映温漂干扰扰或噪声等无用的信号。如果或噪声等无用的信号。如果电电路完全路完全对对称，称，则则在共模信号作用下，两管在共模信号作用下，两管电电流流同同时时等量增大，等量增大，结结果果输输出出电压电压U UO OC C =0=0 若若电电路完全路完全对对称，称，则则AuC=0,KCMR 共模信号 KCMR=AuD/AuC晶体管电路设计(上)P212 差差动动放大放大电电路路模模模模拟拟拟拟电电电电子技子技子技子技术术术术基基基基础习题础习题础习题础习题2 2、其它形式的其它形式的输输入，入，输输出方式出方式 双端输入、单端输出图差动放大电路 图图5-55-5 单端输入、双端输出差动放大电路 图图5-65-6 反相反相输输出出 单端输入、单端输出 图图5-75-7 同相同相输输出出 单端输入、单端输出 图图5-75-73 3、提高共模抑制比的提高共模抑制比的电电路路 具有恒流源的差具有恒流源的差动动放大放大电电路路 a a）电电路路 b b）用恒流源表示）用恒流源表示3 3的的电电路路IC3 的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。的恒流特性，大大提高了抑制零漂的效果。图图5-85-8晶体管电路设计(上)P212 差差动动放大放大电电路路5.2 5.2 集成运算放大器集成运算放大器 集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。特点:体积小、高可靠性和灵活性等。分分类类：模：模拟拟集成集成电电路又可分路又可分为为集成运算放大器，集成集成运算放大器，集成宽频带宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比器、集成比较较器、集成器、集成锁锁相相环环、集成、集成稳压电稳压电源、集成模数和数模源、集成模数和数模转换转换器等。在模器等。在模拟拟集成集成电电路中，集成路中，集成运算放大器（运算放大器（简简称集成运放）是称集成运放）是应应用极用极为为广泛的一种。广泛的一种。什么是集成运算放大什么是集成运算放大电电路？路？高增益（高放大倍数）的直接耦合放高增益（高放大倍数）的直接耦合放大大电电路路问问世最早，世最早，应应用最广泛。用最广泛。最初多用于各种模最初多用于各种模拟拟信号的运算信号的运算故称：集成运算放大故称：集成运算放大电电路，路，简简称集成运放称集成运放 (Operational Amplifier)(Operational Amplifier)。1、集成运放的、集成运放的电电路路结结构及符号构及符号 集成运放组成框图 图图5-95-9 举例：型号为F007（比较老的运放）的通用型集成运放（A741 代替）对对于集成运放于集成运放电电路，路，应应首先找出偏置首先找出偏置电电路，然后根据信号流通路，然后根据信号流通顺顺序，将其分序，将其分为输为输入入级级、中、中间间级级和和输输出出级电级电路。路。双双电电源源 集成运算放大器外形及符号集成运算放大器外形及符号运算放大器的符号a)常用符号 b)国标符号图图1-41-4图图5-10 5-10 理想运放的理想运放的图图形符号形符号a)a)符号符号 b)b)标标有双有双电电源的运放符号源的运放符号 LM324是四运放集成是四运放集成电电路，它采用路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组组形式完全相同的形式完全相同的运算放大器，除运算放大器，除电电源共用外，四源共用外，四组组运放相互独立。运放相互独立。2、集成集成电电路的特点路的特点（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别别有利于有利于实现实现需要需要对对称称结结构的构的电电路。路。（2）集成）集成电电路的芯片面路的芯片面积积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大）不易制造大电电阻。需要大阻。需要大电电阻阻时时，往往使用有源，往往使用有源负载负载。（4）只只能能制制作作几几十十pF以以下下的的小小电电容容。因因此此，集集成成放放大大器器都都采采用用直直接接耦耦合合方方式式。如如需需大大电电容容，只只有有外接。外接。（5）不能制造）不能制造电电感，如需感，如需电电感，也只能外接。感，也只能外接。1.集成运放的理想化条件 开开环环差模差模电压电压增益增益 AoD 105（很高）（很高）输输入入电电阻阻 RiD 106（很大）（很大）输输出出电电阻阻 Ro 100（很小）（很小）33、集成运放的、集成运放的电压传输电压传输特性和主要参数特性和主要参数 共模抑制比共模抑制比 KCMR （很高）（很高）由于由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区性区时的最大的最大输入入电压(uPuN)的数的数值仅为几十一几十一百多微伏。百多微伏。在在线线性区：性区：u uO OA Aodod(u uP Pu uN N)A Aodod是开是开环差模放大倍数。差模放大倍数。(uPuN)的数的数值大于一定大于一定值时，集成运放的，集成运放的输出不是出不是UOM,就是就是UOM，即集成运放，即集成运放工作在非工作在非线性区。性区。通用型运放 工作电源为双双电电源源2.集成运放的传输特性非非线线性性区区图图5-115-11理想运放工作在理想运放工作在理想运放工作在理想运放工作在线线线线性区的特点性区的特点性区的特点性区的特点因因为为 uo=Aod(uP uN)所以所以(1)差模差模输输入入电压约电压约等于等于 0 即即 uP=uN ,称称“虚短虚短”(2)输输入入电电流流约约等于等于 0 即即 iP=iN 0,称称“虚断虚断”电压传输电压传输特性特性 Aod越大，运放的越大，运放的线性范性范围越小，必越小，必须加加负反反馈才能才能使其工作于使其工作于线性区。性区。(理想运放工作在理想运放工作在理想运放工作在理想运放工作在线线线线性区性区性区性区必要条件必要条件必要条件必要条件)uP uN uo线线性区性区UOM+UOM)OiPiN理想运放工作在理想运放工作在理想运放工作在理想运放工作在饱饱饱饱和区和区和区和区(非非非非线线线线性区性区性区性区)的特点的特点的特点的特点(1)(1)输输输输出只有两种可能出只有两种可能出只有两种可能出只有两种可能,+,+U UOM OM 或或或或 U UOM OM(2)(2)i iP P=i=iN N 0 0,仍存在仍存在仍存在仍存在“虚断虚断虚断虚断”现现现现象象象象电压传输电压传输电压传输电压传输特性特性特性特性当当 uP uN 时时，uO=+UOM uPuP时，输出是反向饱和电压-UO(sat)；当uPuN时，输出是正向饱和电压+UO(sat)。工作在非线性区的运放只有两种输出状态，分别将这两种状态称为输出高电平与输出低电平。uPuNuNuP-UO(sat)+UO(sat)5.5.1 5.5.1 单值电压比较器 单值电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小，并由输出的高电平或低电平来反映比较结果。图图5-32 5-32 单值电压单值电压比比较电较电路路a a）U UR R接同相端的接同相端的电电路路 b b）U UR R接同相端的接同相端的电压传输电压传输特性曲特性曲线线c c）U UR R接反相端的接反相端的电电路路 d d）U UR R接反相端的接反相端的电压传输电压传输特性曲特性曲线线e)e)过过零零电压电压比比较较器器 f)f)过过零零电压电压比比较较器的器的电压传输电压传输特性曲特性曲线线图5-33 稳压管限幅的单值电压比较器5.5.2 5.5.2 迟滞电压比较器图图5-34 5-34 外界干外界干扰对输扰对输出波形的影响出波形的影响a)a)正弦波正弦波方波方波变换电变换电路路 b)b)输输入波形入波形 c)c)输输出波形出波形输输出信号翻出信号翻转转多次多次 图图5-35 5-35 具有具有迟迟滞特性的滞特性的电压电压比比较较器器 a a）基本）基本电电路路 b b）c c）d d）电压传输电压传输特性曲特性曲线线上限门限电平UTH1 下限门限电平UTH2UTH1UTH2 uIUTH1时，uo=UO(sat)uIUTH2时，uo=UO(sat)两个两个门门限限电压电压的差的差值值称称为为回差回差电压电压 U UTHTH ；例5-3 根据根据图图所示的所示的电压电压比比较较器器电电路。路。(1)(1)求出回差求出回差电压电压 U UTHTH，并画出，并画出传输传输特性。特性。(2)(2)已知已知输输入入电压电压波形波形图图，画出，画出输输出出电压电压波形。波形。例6-3 根据根据图图所示的所示的电压电压比比较较器器电电路。路。(1)(1)求出回差求出回差电压电压 U UTHTH，并画出，并画出传输传输特性。特性。(2)(2)已知已知输输入入电压电压波形波形图图，画出，画出输输出出电压电压波形。波形。图图5-365-365.5.3 5.5.3 窗口比较器图图5-37 5-37 窗口比较器a)基本电路 b)电压传输特性曲线检测uI是否在U1和U2两个电平之间，则可采用窗口比较器。图图5-38 5-38 集成运放集成运放LM324LM324的的应应用用电电路路5.5.4 5.5.4 集成集成电压电压比比较较器的基本器的基本应应用用 图图5-39 LM3395-39 LM339电压电压比比较较器引脚器引脚图图课外实验三集成运算放大器应用（二）过零电压比较器f=1KHZf=10KHZf=1000KHZ图图5-40 LM3395-40 LM339基本基本单单限比限比较较器器a)LM339a)LM339基本基本单单限比限比较较器器电电路路 b)b)传输传输特性特性5.6 集成运放的选择原则和使用 1 1、集成运放的选择原则 通用型和通用型和专专用型用型 高增益、低漂移、低功耗、高高增益、低漂移、低功耗、高电压电压、高高输输入入电电阻、阻、宽频带宽频带、大功率、大功率 双运放、四运放双运放、四运放 2 2、集成运放使用时应注意的问题 自激振自激振荡荡的消除的消除 集成运放的保集成运放的保护护 运放运放电电源端的保源端的保护护 图5-42 运放电源端的保护 图5-43 运放运放输输入端的保入端的保护护a a）反相反相输输入保入保护护 b b）同相同相输输入保入保护护 图5-44 运放输出端的保护a）稳压管与输出电压并联 b）稳压管与反馈电阻并联5.7 5.7 应应用用电电路介路介绍绍应用一：小电流检测电路 图5-45 小电流检测电路应应用二：用二：输输入入电压电压分分级显级显示示电电路路图5-46 输入电压分级显示电路 图5-47 输出恒流电路 温度温度传传感器感器LM35D LM35D 以以10mv/10mv/的的线线性性变变化与温度成正比例的化与温度成正比例的电压电压量量输输出出图1-9 鱼缸水温自动加热电路 图1-10 自动感应节能灯电路 模模模模拟拟拟拟电电电电子技子技子技子技术术术术基基基基础习题础习题础习题础习题谢谢观赏谢谢观赏