运算放大器及其应用课件

第一单元 运算放大器及其应用梅山培训中心梅山培训中心 陈礼明陈礼明集成电路集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。体基片上。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。功耗小。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；1 1.1.1 运算放大器运算放大器1 1.1.1 .1.1 运算放大器基本结构运算放大器基本结构1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。替或外接。3.几十几十 pF 以下的小电容用以下的小电容用PN结的结电容构成、结的结电容构成、大电容要外接。大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。UEE+UCC u+uo u反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端T3T4T5T1T2IS原理框图原理框图输输入入级级中中间间级级输输出出级级与与uo反相反相与与uo同相同相对输入级的要求：对输入级的要求：尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,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。对中间级的要求：对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足主要提高带负载能力，给出足够的输出电流够的输出电流io 。即输出阻抗。即输出阻抗 ro小。小。集成运放的结构集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。大，提高带负载的能力。1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105 107之间。理想运放的之间。理想运放的Auo为为。2.共模抑制比共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般常用分贝作单位，一般100dB以上。以上。1.1.21.1.2运算放大器的主要技术指标运算放大器的主要技术指标3.最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。4.开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。8.共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好5.输入失调电压输入失调电压 UIO6.输入失调电流输入失调电流 IIO7.输入偏置电流输入偏置电流 IIB1.1.21.1.2运算放大器的主要技术指标运算放大器的主要技术指标1.1.3 通用运算放大器简介通用运算放大器简介nA741(F007)1个运放nLM3582个运放nLM3244个运放1.1.3 通用运算放大器简介通用运算放大器简介nLM3111个集成比较器nLM3394个集成比较器运算放大器外形图运算放大器外形图 为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的除性能指标比较适中的通用型通用型运放外，还有适应不运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。低功耗等几种。1.1.4 1.1.4 特殊类型的运算放大器特殊类型的运算放大器高速型和宽带型高速型和宽带型 用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357 高输入阻抗型高输入阻抗型 用于测量设备及采样保持电路中。例如：AD549 CF155/255/355 高精度高精度(低漂移型）低漂移型）用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177 CF714 大功率型大功率型 这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12 TP1465 低功耗型低功耗型 用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在0.8 V电压下工作，功耗为24 W。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W。通常是根据实际要求来选用运算放大器。如测量放大器的输人信号微弱它的第一级应选用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放，大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、消振电路及调零电路等。2 消振消振消振消振通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。是否已消振，可将输入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。1 选用元件选用元件选用元件选用元件1.1.5 运算放大器使用时的主要事项运算放大器使用时的主要事项3 调零调零调零调零4 保护保护保护保护调零时应将电路接成闭环。调零分两种，一种是在无输入时调零，即将两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。另一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。1)1)输入端保护输入端保护输入端保护输入端保护3)3)电源保护电源保护电源保护电源保护2)2)输出端保护输出端保护输出端保护输出端保护5 扩大输出电流扩大输出电流扩大输出电流扩大输出电流1.2 运算放大器在信号运算方面的应用信号的放大、运算信号的放大、运算有源滤波电路有源滤波电路运放线运放线性应用性应用 ri 大大:几十几十k 几百几百 k 运放的特点运放的特点KCMRR 很大很大 ro 小：几十小：几十 几百几百 A uo很大很大:104 107理想运放：理想运放：ri KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：uu+uo u u+uoAuo理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据uiuo+UOM-UOMAuo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入输出与输入之间之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Auo例：若例：若UOM=12V，Auo=106，则，则|ui|UR时时,uo=+Uom当当ui UR时时,uo=-Uom 1、ui从同相端输入从同相端输入+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时,uo=-Uom 2、ui从反相端输入从反相端输入uoui0+UOM-UOM+uoui3、过零比较器、过零比较器:(UR=0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM+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+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：电路改进：用稳压管稳定输出电压。用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRRuo UZ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上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压 电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈(1)(1)提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；(2)(2)输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。在同一门限电压上。在同一门限电压上。在同一门限电压上。RF当当 uo=+Uo(sat)，则则 当当 uo=Uo(sat)，则则门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制R2uoui+R1+1.3.21.3.2.滞回特性比较器滞回特性比较器上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 UU+：u ui i 逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压UU+：u ui i 逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+R1+根据叠加原理，有根据叠加原理，有根据叠加原理，有根据叠加原理，有改变参考电压改变参考电压改变参考电压改变参考电压U UR R，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴移动。可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴，+URRFR2uoui+R1+u ui iu uo oO O U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压当参考电压当参考电压U UR R不等于零时不等于零时不等于零时不等于零时定义：定义：定义：定义：回差电压回差电压回差电压回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1.1.改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2.2.回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，U U越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。能力越强。能力越强。结论：结论：结论：结论：1.1.调节调节调节调节R RF F 或或或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2.2.改变改变改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，但不影回差但不影回差但不影回差但不影回差 电压电压电压电压 U U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。tuiUom-UomtuiUHUL例：例：迟滞比较器的输入迟滞比较器的输入为正弦波时，画出为正弦波时，画出输出的波形。输出的波形。+uoRR2R1ui解：解：解：解：对图（对图（对图（对图（1 1）上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压例：例：例：例：电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k ，R R2 2=1=10k0k ，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）解：解：解：解：对图（对图（对图（对图（2 2）例：例：例：例：电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，电路如图所示，U Uo o(sat)(sat)=6V=6V，U UR R =5V=5V，R RF F =20k=20k ，R R2 2=1=10k0k ，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。，求上、下门限电压。（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）（1 1）R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+U UR R R RF FR R2 2u uo ou ui i+R R1 1+（2 2）u ui iu uo oO O-6 6-2-22 26 6 图图图图(1)(1)的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性图图图图(2)(2)的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性的电压传输特性u uo ou ui iO O -6 66 61.331.335.335.331.4.1 正弦波发生器正弦波发生器自激振荡条件自激振荡条件自激振荡条件自激振荡条件起振过程起振过程：在无输入信号（xi=0）时，电路中的噪扰电压（如元件的热噪声、电路参数波动引起的电压、电流的变化、电源接通时引起的瞬变过程等）使放大器产生瞬间输出xo，经反馈网络反馈到输入端，得到瞬间输入xd，再经基本放大器放大，又在输出端产生新的输出信号xo，如此反复。在无反馈或负反馈情况下，输出xo会逐渐减小，直到消失。但在正反馈情况下，xo会很快增大，最后由于饱和等原因输出稳定在xo，并靠反馈永久保持下去。1.4 1.4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用起振时必须满足：起振时必须满足：AF1。正弦波振荡器的基本组成部分：基本放大电路正反馈网络选频网络正弦波振荡器的分类：RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器放大器的电压放大倍数为：反馈网络具有选频作用。RC反馈网络的反馈系数为：1）电路结构）电路结构上下限上下限:1.4.2 1.4.2 矩形波发生器矩形波发生器当当当当 u uo o =+=+U Uo o(sat)(sat)时，时，时，时，电容电容电容电容充电，充电，充电，充电，u uC C上升，上升，上升，上升，电容放电，电容放电，电容放电，电容放电，u uC C下降，下降，下降，下降，当当当当u uC C=U=UR R 时，时，时，时，u uo o 跳变成跳变成跳变成跳变成 U Uo o(sat)(sat)当当当当 u uC C=U=UR R 时，时，时，时，u uo o 跳变成跳变成跳变成跳变成 +U Uo o(sat)(sat)，电容又重新充电。，电容又重新充电。，电容又重新充电。，电容又重新充电。放电放电放电放电2)2)工作原理工作原理工作原理工作原理R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+充电充电充电充电U UR R+R RF FC Cu uC C+R R1 1R R2 2u uo o+U UR R+动画动画3)工作波形充电充电充电充电放电放电放电放电uouCt t1 1t t3 3t t2 2T=TT=T1 1+T+T2 2电容充放电过程，电容充放电过程，电容充放电过程，电容充放电过程，u uC C 的响应规律为的响应规律为的响应规律为的响应规律为4.4.周期与频率周期与频率周期与频率周期与频率T T1 1T T2 2T T U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)在充电过程中在充电过程中在充电过程中在充电过程中在放电过程中在放电过程中在放电过程中在放电过程中矩形波的周期矩形波的周期矩形波的周期矩形波的周期矩形波的频率矩形波的频率矩形波的频率矩形波的频率充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：充放电时间常数相同：=RC 矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源矩形波常用于数字电路中作为信号源 A A1 1：滞回比较器：滞回比较器：滞回比较器：滞回比较器 因因因因 u u =0 =0，所以当所以当所以当所以当 u u+=0 =0 时时时时，A A1 1状态改变状态改变状态改变状态改变1.4.3 1.4.3 三角波与锯齿波发生器三角波与锯齿波发生器1)1)电路结构电路结构电路结构电路结构A A2 2：反相积分电路：反相积分电路：反相积分电路：反相积分电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 12)2)工作原理工作原理工作原理工作原理A1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u-=0，所以当，所以当 u+=0时时，A1状态状态改变改变输出输出输出输出 u uo1o1 改变改变改变改变(+(+(+(+U UZ Z 跃变到跃变到跃变到跃变到 U UZ Z 或或或或 U UZ Z 跃变到跃变到跃变到跃变到+U UZ Z)，当当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R1动画动画锯齿波发生器1 1）电路电路电路电路C Cu uo1o1R R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1三角波发生器三角波发生器三角波发生器三角波发生器C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R 4 4D D在三角波发在三角波发在三角波发在三角波发生器的电路生器的电路生器的电路生器的电路中，使积分中，使积分中，使积分中，使积分电路的正、电路的正、电路的正、电路的正、反向积分的反向积分的反向积分的反向积分的时间常数不时间常数不时间常数不时间常数不同，即可使同，即可使同，即可使同，即可使其其其其 输出锯齿输出锯齿输出锯齿输出锯齿波。波。波。波。2.2.波形波形C CR R3 3D DZ ZR R2 2+R R6 6u uo oR R5 5R R4 4+A A2 2A A1 1R R1 1u uo1o1R R4 4 D D1.1.电路电路电路电路t tU UZ Z U UZ Zu uo ou uo1o1Ou uo o