16.1集成运算放大器的简单介绍

16.1,集成运算放大器的简单介绍,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,集成电路,是把整个电路的各个元件以及相互之,间的联接同时制造在一块半导体芯片上, 组成一个不,可分的整体。,集成电路特点,：,体积小、重量轻、功耗低、可,靠性高、价格低。,集成电路分类,按集成度,按导电类型,按功能,小、中、大和超大规模,双、单极性和两种兼容,数字和模拟,各类型号集成芯片,16.1.1 集成运算放大器的特点,1. 元器件参数的一致性和对称性好；,2. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流,源代替，电位器需外接；,3. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电,容、电感 和变压器均需外接；,4. 二极管多用三极管的发射结代替。,16.1.2 电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,偏置,电路,运算放大器方框图,输入级：,输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干,扰信号，都采用差分放大器,。,中间级：,要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,偏置电路:,确定合适的静态工作点,输出级：,与负载相接，要求输出电阻低，带负载,能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,集成,运算放大器的管脚和符号,反相,输入端,同相,输入端,+U,CC,U,EE,u,o,+,+,u,u,+,+,+,A,u,o,信号传,输方向,输出端,实际运放开环,电压放大倍数,(a),(b),(a) 符号;,(b)引脚,7 6 5,F007,1 2 3 4,U,-,U,+,-,U,CC,+,U,CC,输出,集成运放,741的,电路原理图,同相输入,输入级,偏置电路,中间级,输出级,+,U,CC,u,o,+,-,U,EE,T,12,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,T,7,T,8,T,9,T,10,T,11,T,13,T,14,T,16,T,18,T,17,T,20,T,15,T,19,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,7,R,8,R,9,R,10,R,11,R,12,C,同相输入,输出,16.1.3 主要参数,1. 最大输出电压,U,OPP,能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2. 开环差模电压增益,A,u,o,运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。,A,u,o,愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6. 共模输入电压范围,U,ICM,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。,愈小愈好,3. 输入失调电压,U,I,O,4. 输入失调电流,I,I,O,5. 输入偏置电流,I,IB,1. 开环电压放大倍数,2. 开环输入电阻,3. 开环输出电阻,4. 共模抑制比,由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，,用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。,16.1.4,理想运算放大器及其分析依据,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：,16.1.4 理想运算放大器及其分析依据,线性区：,u,o,=,A,u,o,(,u,+,u,),非线性区：,u,+, u,时，,u,o,=,+,U,o(sat),u,+, 0,u,i,=,U,i,0,时，|,T,(j,)|,衰减很快,显然，电路能使低于,0,的信号顺利通过，衰减很小，而使高于,0,的信号不易通过，衰减很大，,称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使,0,时信号衰减得更快些，常将两节,RC,滤波环节串接起来，,组成二阶有源低通滤波器。,u,o,R,F,C,R,+,+,R,1,+,u,i,+,R,C,一阶,二阶,幅频特性,0,|,A,u,f0,|,|,T,(j,),|,O,2. 有源高通滤波器,u,i,u,o,R,F,C,R,+,+,R,1,+,+,设输入为正弦波信号，则有,故：,可见，电路使频率大于,0,的信号通过 ，而小于,0,的信号被阻止，称为,有源高通滤波器,。,若频率,为变量，则,电路的传递函数,其模为,幅频特性,0,|,A,u,f0,|,|,T,(j,),|,O,S,u,C,+,u,i,+,u,o,+,+,+,模拟开关,模拟输入信号,1.,电路,16.3.2 采样保持电路,采样保持电路,，多用于模 - 数转换电路（A/D）,之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。,采样存储,电容,控制信号,电压跟随器,2. 工作原理,16.3.2 采样保持电路,1. 电路,采样阶段,：,u,G,为高电平，S 闭合(场效应管导通)，,u,i,对存储电容,C,充电，,u,o,= u,C,= u,i,。,保持阶段,：,u,G,为,0， S 断开(场效应管截止)，输出,保持该阶段开始瞬间的值不变。,采样脉冲,u,i,t,o,u,G,t,o,采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。,S,u,C,+,u,i,+,u,o,+,+,+,16.3.3,电压比较器,电压比较器的功能：,电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的 大小和极性。,用途：,数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。,运放工作在开环状态或引入正反馈。,理想运放工作在饱和区的特点：,1. 输出只有两种可能 +,U,o,(sat),或,U,o,(sat),当,u,+, u,时，,u,o,= +,U,o,(sat),u,+,u,时，,u,o,= +,U,o,(sat),u,+,u,时，,u,o,=,U,o,(sat),即,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,o,(sat),可见，在,u,i,=,U,R,处输出电压,u,o,发生跃变。,参考电压,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),t,1,t,2,单限电压比较器：,当,u,i,单方向变化时，,u,o,只变化一次。,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,u,i,U,R,，,u,o,=+ U,o,(sat),u,i,U,R,，,u,o,= U,o,(sat),U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,u,i,u,o,U,R,R,2,+,+,R,1,+,+,+,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,u,i,u,o,U,R,R,2,+,+,R,1,+,+,+,O,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),u,o,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,u,i,t,O,U,R,O,u,o,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),t,1,t,2,输出带限幅的电压比较器,设稳压管的稳定电压为,U,Z,，,忽略稳压管的正向导通压降,则,u,i,U,R,，,u,o,= ,U,Z,U,Z,U,Z,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,u,i,U,R,时，,u,o,=,U,o,(sat),u,o,R,D,Z,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,过零电压比较器,利用电压比较器,将正弦波变为方波,U,R,u,o,u,i,R,2,+,+,R,1,+,+,+,电压传输特性,U,o,(sat),+,U,o,(sat),u,i,u,o,O,U,R,= 0,t,u,i,O,t,u,o,+,U,o,(sat),U,o,(sat),O,2. 滞回比较器,上门限电压,下门限电压,电路中引入正反馈,(1) 提高了比较器的响应速度；,(2) 输出电压的跃变不是发生,在同一门限电压上。,R,F,当,u,o,= + U,o,(sat),， 则,当,u,o,= U,o,(sat),，则,门限电压受输,出电压的控制,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,上门限电压,U,+,：,u,i,逐渐增加时的门限电压,下门限电压,U,+,：,u,i,逐渐减小时的门限电压,u,i,u,o,O,U,o,(sat),+,U,o,(sat),电压传输特性,u,i,t,O,u,o,O,t,+,U,o,(sat),U,o,(sat),两次跳变之间具有迟,滞特性,滞回比较器,R,F,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,根据叠加原理，有,改变参考电压,U,R,，可使传输特性沿横轴移动,。,可见：,传输特性不再对称于纵轴，,+,U,R,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,u,i,u,o,O,U,o,(sat),+,U,o,(sat),电压传输特性,当参考电压,U,R,不等于零时,定义：,回差电压,与过零比较器相比具有以下优点：,1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。,2. 回差提高了电路的抗干扰能力，,U,越大，抗干扰,能力越强。,结论：,1. 调节,R,F,或,R,2,可以改变回差电压的大小。,2. 改变,U,R,可以改变上、下门限电压， 但不影响回差,电压,U,。,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。,（1）,+,U,R,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,（2）,u,i,u,o,O,-,6,-2,2,6,图(1)的电压传输特性,图(2)的电压传输特性,u,o,u,i,O,-,6,6,1.33,5.33,R,F,R,2,u,o,u,i,+,+,R,1,+,+,16.6,使用运算放大器应注意的几个问题,集成运放的用途广泛，在使用前必须进行测试，使用中应注意其电参数和极限参数符合电路要求，同时还应注意以下问题。,3. 调零,为了提高集成运放的精度,消除因失调电压和失调,电流引起的误差,需要对集成运放进行调零。,集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，集,成运放设有外接调零电路的引线端, 按说明书连接即,可，如常用的,741，其中电位器RP可选择10k的,电位器, 如图所示。,1.,选用元件,2.,消振,3. 调零,(1)输入端保护,当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以内。,4. 保护,A741的调零电路,RP,V,u,i,20k,W,20k,W,u,O,10k,W,(1)输入端保护,输入端保护,u,i1,u,O,R,R,u,i2,(2)输出端保护,为了防止输出电压过大,可利用稳压管来保护，如图,所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制,在稳压管的稳压值,U,Z,的范围内。,u,i,u,o,R,1,R,2,R,f,D,Z,输出端保护,4. 保护,(3)电源保护,为了防止正负电源接反，可用二极管保护，若电源接错，二极管反向截止，集成运放上无电压，如图所示。 ,u,i2,U,EE,U,CC,D,1,u,O,u,i1,D,2,电源保护,5. 相位补偿,集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自,激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，,这就是相位补偿，如图所示。其中，图(a)是输入分,布电容和反馈电阻过大(1M)引起自激的补偿方,法，图(b)中所接的,RC,为输入端补偿法，常用于高速,集成运放。,(,a,),C,R,f,u,A,R,3,u,i1,R,o,(,b,),R,C,R,f,u,o,A,R,3,u,i1,u,i2,R,1,R,2,相位补偿,6.,扩大输出电流,在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。,u,O,R,F,R,1,u,i,+,+,R,2,R,B,D,1,U,CC,+,U,CC,D,2,R,B,T,1,T,2,