通常采用差动放大电路课件

第第8 8章章 集成运算放大电路集成运算放大电路8 8.1 1 集成运算放大器集成运算放大器简介介8 8.2 2 集成运放的基本分析方法集成运放的基本分析方法8 8.3 3 集成运放的集成运放的线性性应用用8 8.4 4 集成运放的非集成运放的非线性性应用用 第8章 集成运算放大电路8.1 集成运算放大器简介18.1 集成运算放大器的简单介绍o集成电路概念o集成电路的优缺点o集成运算放大器的组成o集成运算放大器的特点及符号o运算放大器的传输特性8.1 集成运算放大器的简单介绍集成电路概念2集成电路概念o相对于分立电子电路而言的，利用一定的生产工艺把整个电路的各个元器件及它们之间的连线集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的固体器件。集成电路概念相对于分立电子电路而言的，利用一定的生产工艺把整3集成电路概念集成电路概念4集成电路的优缺点：优优 点点1.使用方便、体积小、重量轻、功耗小。2.减少了电路的焊点，提高了工作的可靠性。3.同一个硅片上的元器件相互离得很近，性能和温度特性较一致，容易建立相同特性的对称晶体管。4.实现了元件、电路和系统的三者统一。缺缺 点点1.电阻太高或太低都不易制造。10030 k2.电感难于制造。3.大电容不易制造，电容一般不超过200 pF。4.必须使用这些器件的场合，大多采用外接的方法。集成电路的优缺点：优 点1.使用方便、体积小、重量轻、功耗小5集成运算放大器的组成电路方框图电路方框图中间级中间级 输入级输入级 输出级输出级 偏置电路偏置电路通常采用互补对称功率放大电路，带负载能力强，通常采用互补对称功率放大电路，带负载能力强，给出足够的输出电流给出足够的输出电流io，输出阻抗，输出阻抗 ro小小。采用共发射集放大电路，放大管采用复合管，采用共发射集放大电路，放大管采用复合管，具有足够大的电压放大倍数。具有足够大的电压放大倍数。通常采用差动放大电路，能够尽量抑制零点漂移通常采用差动放大电路，能够尽量抑制零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR,输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大集成运算放大器：是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。采用恒流源电路，给各级电路提供稳定和合适采用恒流源电路，给各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级静态工作点。的偏置电流，决定各级静态工作点。集成运算放大器的组成电路方框图中间级 输入级 输出级 偏置电6集成运算放大器特点及符号集成运放集成运放理想运放理想运放A o很大很大:80160 dBAo KCMRR很大：很大：90 dBKCMMRR ri高高:几十几十k 几百几百k ri ro小：几十小：几十 几百几百 ro 0运放符号运放符号 u u+uo A0 u u+uo u u+uo 集成运算放大器特点及符号集成运放理想运放A o很大:807集成运算放大器的封装形式圆壳式圆壳式双列直插式双列直插式贴片式贴片式集成运算放大器的封装形式圆壳式双列直插式贴片式8F006（5G24）引脚和接线图接线图接线图顶视图顶视图 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F006（5G24）引脚和接线图接线图顶视图 反相输入端 同9运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区饱10运算放大器的传输特性例例 F006 F006运算放大器的正、负电源电压为运算放大器的正、负电源电压为15V15V，开环电压，开环电压放大倍数放大倍数AU0=2 106,输出最大电压（即输出最大电压（即 Uo(sat)为为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：u u+uo 运算放大器的传输特性例 F006运算放大器的正、负电源电压11运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性解只要两个输入端之间的电压绝对值超过只要两个输入端之间的电压绝对值超过65V65V，输出电，输出电压就达到正或负的饱和值。压就达到正或负的饱和值。输出电压输出电压输出电压输出电压运算放大器的传输特性解只要两个输入端之间的电压绝对值超过6512传输特性的特点o线性区很窄（微伏级），即使 输入毫伏级信号，也可能使输出饱和，如果存在干扰也使开环工作不稳定。o运放在线性区工作，通常引入深度电压负反馈。放大电路放大电路A反馈回路反馈回路F+净输入量净输入量Xd减少，减少，放大电路的输入进放大电路的输入进入线性区入线性区由于深度负反馈使由于深度负反馈使得：得：|AF|1传输特性的特点线性区很窄（微伏级），即使 输入毫伏级信号，13集成运放主要参数1.最大输出电压最大输出电压 UOPP2.开环电压开环电压 Auo3.最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax4.最大差模输入电压最大差模输入电压 IIdmax5.差模输入电阻差模输入电阻rid6.共模抑制比共模抑制比KCMRR集成运放主要参数1.最大输出电压 UOPP2.开环电压 148.2 集成运放的基本分析方法o理想的运算放大器 o集成运放工作在线性区o集成运放工作在非线性区 8.2 集成运放的基本分析方法理想的运算放大器 15理想的理想的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2.开环输入电阻开环输入电阻3.开环输出电阻开环输出电阻4.共模抑制比共模抑制比理想运算放大器在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：1.开环电压放大倍数 16集成运放与理想运放的参数对比集成运放集成运放理想运放理想运放A o很大很大:80160 dBAo KCMRR很大：很大：90 dBKCMMRR ri高高:几十几十k 几百几百k ri ro小：小：几十几十 几百几百 ro 0运放符号运放符号 u u+uo A0 u u+uo u u+uo 集成运放与理想运放的参数对比集成运放理想运放A o很大:817 3.3.如果信号从反向端输入，同相端接地，由虚断，如果信号从反向端输入，同相端接地，由虚断，根据虚短，根据虚短，反相端近于，反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。工作在线性区时的重要结论1.1.差模输入电阻差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可认为是零，可认为是零，即，即虚断虚断。2.2.开环电压放大倍数开环电压放大倍数 ，输出电压是一个输出电压是一个有限值，有限值，即即虚短虚短。3.如果信号从反向端输入，同相端接地，由虚断，18工作在线性区时的重要结论o注意：注意：“虚短，虚断，虚地虚短，虚断，虚地”概念的概念的“虚虚”的含义的含义n虚短：虚短：，“虚虚”的含义是输入电流很小，几乎为的含义是输入电流很小，几乎为“0”“0”，但不等于，但不等于“0”“0”，否则就没有输入电流了。，否则就没有输入电流了。虚假的短路虚假的短路n虚断：虚断：，“虚虚”的含义是输入电压很小，两端电位几乎相等，因的含义是输入电压很小，两端电位几乎相等，因此不能将反相输入端和同相输入端直接相联，否则就没有输入电压了。此不能将反相输入端和同相输入端直接相联，否则就没有输入电压了。虚假虚假的开路。的开路。n虚地：虚地：，“虚虚”的含义是电位几乎为的含义是电位几乎为“0”“0”，但不等于，但不等于“0”“0”，因此，反相端和同相端因此，反相端和同相端虚假接地虚假接地，否则就没有输入电压了。，否则就没有输入电压了。o“虚虚”的目的就是为了分析计算带来的便利，按照这些依据可以的目的就是为了分析计算带来的便利，按照这些依据可以带来很精确地带来很精确地“估算估算”。工作在线性区时的重要结论注意：“虚短，虚断，虚地”概念的“虚19工作在非线性区时的分析依据当当 时时，当当时，时，其饱和值接近正负电源电压值，在饱和区的应用其饱和值接近正负电源电压值，在饱和区的应用通常在比较器和波形发生器电路，是集成放大器通常在比较器和波形发生器电路，是集成放大器的开环应用。的开环应用。工作在非线性区时的分析依据当 时，当时，其饱208.3 运算放大器在信号运算方面的应用o比例运算电路o加法运算电路o减法运算电路o积分运算电路o微分运算电路8.3 运算放大器在信号运算方面的应用比例运算电路21反相比例运算反相比例运算 反相比例运算电路反相比例运算电路虚断虚断II IF虚短U-U+0 电压增益 虚短虚地注意：平衡电阻，保证输入端对地的静态电阻相等。平衡电阻：基尔霍夫电压定律U-0 I_0I_0 电压并联负反馈电压并联负反馈反相比例运算 反相比例运算电路虚断虚断II IF虚短U-22如何判别集成运放电路中反馈类型小结如何判别集成运放电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈；从负载电阻靠近从负载电阻靠近“地地”端引出的，是电流反馈；端引出的，是电流反馈；(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，输入信号和反馈信号分别加在两个输入端，是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；是串联反馈；加在同一输入端的是并联反馈；(3)反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈。(也也可可将将输输出出端端短短路路，若若反反馈馈量量为为零零，则则为为电电压压反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。反馈；若反馈量不为零，则为电流反馈。)如何判别集成运放电路中反馈类型小结(1)反馈电路直接从输出23同相比例运算同相比例运算 虚断UI=U+虚短U+=U-=UI电压增益 I+=I-0 同相比例运算电路同相比例运算电路 电压跟随器作用：输入电阻大 输出电阻小 隔离缓冲请思考：当当或或此电路此电路 有什么特点？有什么特点？A1RFRRUIUOIF电压串联负反馈电压串联负反馈同相比例运算 虚断UI=U+虚短U+=U-=UI电24加法运算加法运算反相加法运算电路反相加法运算电路平衡电阻：虚地U-0 虚断欧姆定律加法运算反相加法运算电路平衡电阻：虚地U-0 虚断欧姆定25加法运算加法运算反相加法运算电路反相加法运算电路利用叠加原理单独作用时单独作用时注意：注意：加法运算电路与运算放大器本身的参数无关，只要电阻阻值足够精加法运算电路与运算放大器本身的参数无关，只要电阻阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性确，就可保证加法运算的精度和稳定性.反相比例运算电路反相比例运算电路加法运算反相加法运算电路利用叠加原理单独作用时注意：加法运算26差动减法运算差动减法运算 差动减法运算电路差动减法运算电路 反相输入端 同相输入端 虚短：两个输入端都有信号输入，则为差动输两个输入端都有信号输入，则为差动输入，在测量和控制系统应用较多。入，在测量和控制系统应用较多。差动输入：平衡电阻：差动减法运算 差动减法运算电路 反相输入端 同相输入端 虚短27差动减法运算差动减法运算 差动减法运算电路差动减法运算电路 注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用这种输入方式存在较大的共模电压，应选用K KCMRRCMRR较大的运放，较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。并应注意电阻阻值的选取。运用运用叠加原理叠加原理，由同相输入及反相输入的结，由同相输入及反相输入的结论进行计算。论进行计算。运用戴维宁，开路电压，去源等效电阻。运用戴维宁，开路电压，去源等效电阻。差动减法运算 差动减法运算电路 注意：这种输入方式存在较大的28虚断虚地U-U+0 当输入信号是阶跃直流电压UI时 积分运算电路积分运算电路 ARR+_+_CCIuiiOu+_ 输出电压是输入电压的微分 虚断虚地U-U+0 当输入信号是阶跃直流电压UI时 29微分运算电路微分运算电路 输出电压是输入电压的微分 积分电路中的电容和电阻交换位置 微分运算电路 输出电压是输入电压的微分 积分电30 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。判别输入信号的大小和极性。1.电压比较器电压比较器 集成运放构成电压比较器时，多处于集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正开环或正反馈的工作状态反馈的工作状态，即，即工作在非线性区工作在非线性区。8 8.4.4 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用 +UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个 31 将将运运放放任任一一输输入入端端加加上上输输入入信信号号。而而另另一一输输入入端端加入参考电压，即可构成加入参考电压，即可构成电压比较器电压比较器，如图所示。，如图所示。电压传电压传输特性输特性Ui 为输入电压，为输入电压，UR 为参考电压为参考电压当当 ui UR 时，时，uo=Uo(sat)ui UR 时，时，uo=+Uo(sat)ui=UR 时，时，uo 发生跃变发生跃变uooU UO(sat)O(sat)UUO(sat)O(sat)uoR1R2ui+UR+uR 将运放任一输入端加上输入信号。而另一输入端32+当当 UR=0 时，即输入电压和零电平比较，称为时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器过零比较器。电压传电压传输特性输特性uooU UO(sat)O(sat)UUO(sat)O(sat)uo 若若图图中中 ui 为为正正弦弦波波，画出画出 uo 的波形。的波形。otR1R2ui+UR+uootU UO(sat)O(sat)UUO(sat)O(sat)+当 UR=0 时，即输入电压和零电平比较33 在在输输出出端端与与地地之之间间接接一一个个双双向向稳稳压压管管，即即可可把把输输出出电电压压限限制制在在某某一一特特定定值值，以以和和接接在在数数字字电电路路的的电平匹配。电平匹配。电压传输特性电压传输特性U UO(sat)O(sat)UUO(sat)O(sat)U UZ ZUUZ ZuoRR1R2+DZui+uoo限幅电压比较器限幅电压比较器 在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把34使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题1.选用元件 根据实际要求来选用运算放大器根据实际要求来选用运算放大器,主要是根据主要是根据使用条件及运放的参数进行选择使用条件及运放的参数进行选择。2.消振 这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响和其他寄生参数的影响,使电路产生自激振荡，即外使电路产生自激振荡，即外加消振的方法。加消振的方法。3.调零 由于运放内部参数不可能完全对称由于运放内部参数不可能完全对称,输入信号输入信号为零为零,输出可能不为零输出可能不为零,为此为此,在使用时必须调零。在使用时必须调零。使用运算放大器应注意的几个问题1.选用元件 根据实际354.保护(1)(1)输入保护输入保护输入电压将限制在二极管的正向压降以下4.保护(1)输入保护输入电压将36（2 2）输出端保护输出端保护将两个稳压管反向串联,将输出电压限制在一定的范围内（2）输出端保护将两个稳压管37用二个二极管来保护,以护止正、负电源接反.（3 3）电源保护电源保护返回目录返回目录用二个二极管（3）电源保护返回目录385 扩大输出电流互补对称电路5 扩大输出电流互补39作业8.28.3（图c、d）8.8作业8.240结 束第第 8 8 章章返回目录返回目录结 束第 8 章返回目录41