8集成运算放大器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*, 8.1,集成运算放大器, 8.2,集成运放的线性应用电路, 8.3,集成运放的非线性应用电路,第,8,章,集成运算放大器及其应用电路,1,了解集成运算放大器的一般概况；了解集成运算放大器的组成及图形符号；了解集成运算放大器的主要特点及主要技术指标；掌握集成运算放大器在线性和非线性应用方面基本电路的工作原理及分析方法。,本章基本要求,2,8.1,集成运算放大器,一、概述,集成运算放大器,简称集成运放，是集成电路的一种。,集成电路：,采用半导体制造工艺，将大量的晶体管、电阻、电容等电路元件及其电路连线制作在一小块单晶硅上，形成具有特定电路功能的单元电路。,集成电路特点：,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，很容易制造出对称性较好的电路。,电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到,20,千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,集成电路中的电容是利用,PN,结的结电容或用二氧化硅层作为电介质做成的，不适宜制造几十皮法以上的电容器，所以集成运放电路多采用直接耦合的形式。,3,二极管一般用三极管的发射结构成。,通常将基极和集电极短接构成的二极管，在电路中起到温度补偿作用。发射结正向压降随温度升高而降低，这个三极管的材料和类型，与放大器的材料和类型相同，其温度系数接近一致，能较好地进行温度补偿，以维持集成电路的工作稳定性。,集成运算放大器：,是一种具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合的集成放大器，简称集成运放。与分立元件构成的多级放大电路相比，具有抗干扰性强、成本低、电路面积小、连线少等优点。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。在早期模拟计算机里用作运算电路，现在则广泛用来作为通用的高倍放大组件。,4,u,o,+,+,u,+,u,u,：反相输入端；,u,+,：同相输入端；,u,o,：输出端,集成运放的种类和型号比较多（课本,P153,表,8-1,），我们以通用型（,应用最为广泛的,）,集成运放,A741,为例，介绍它的引脚功能和内部结构。,A741,是上世纪,60,年代末期，由美国仙童半导体公司设计，至今仍是应用最广泛的通用运算放大器。,国家标准符号 惯用符号,u,u,+,u,o,电路符号,5,A741,是一个,8,引脚芯片，实物图和引脚排列图如下图。紧靠凹口下方的管脚编号为,1,，按逆时针方向，管脚编号依次为,2,，,3,，,，,8,。,引脚,1,和引脚,5:,外接调零端，由于电路参数和晶体管特性不可能完全对称，所以在实际应用中，输入信号为零时，输出信号可能不为零，在引脚,1,和引脚,5,之间接一个电位计，调节电位计，直到输入为零时输出也为零。,引脚,2:,反相输入端；,引脚,3:,同相输入端,引脚,4:,负电源端,引脚,6:,输出端,引脚,7:,正电源端,引脚,8:,空脚，使用,时可悬空。,A741,引脚图,1,2,3,4,8,7,6,5,+,U,CC,-U,CC,IN+,IN,-,OA2,OA1,OUT,空,6,A741,的构成：,通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。,通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。为了提高电压放大倍数，中间级经常采用恒流源作为集电极的有源负载。,通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。,一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。,7,输入级,中间级,输出级,-U,CC,+U,CC,u,u,o,u,反相端,同相端,V,3,V,4,V,5,V,1,V,2,基本原理框图,8,尽量减小零点漂移，尽量提高,K,CMR,，输入阻抗,r,i,尽可能大。,输入级,中间级,输出级,-U,CC,+U,CC,u,u,o,u,反相端,同相端,V,3,V,4,V,5,V,1,V,2,9,足够大的电压放大倍数,输入级,中间级,输出级,-U,CC,+U,CC,u,u,o,u,反相端,同相端,V,3,V,4,V,5,V,1,V,2,10,主要提高带负载能力，给出足够的输出电流,i,o,，输出阻抗,r,o,小。,输入级,中间级,输出级,-U,CC,+U,CC,u,u,o,u,反相端,同相端,V,3,V,4,V,5,V,1,V,2,11,二、集成运算放大器的主要技术指标,（,1,）开环电压放大倍数,A,Od,开环电压放大倍数,A,Od,是指集成运放无外加反馈时输出电压与输入差模电压之比，即,它是决定运放运算精度的重要因素。目前高放大倍数的集成运放,A,Od,达到,10,7,以上。开环电压放大倍数常用分贝的形式表示：,（,2,）差模输入电阻,r,id,：差模输入电阻是指运算放大器开环时，输入电压的变化与由它引起的输入电流的变化之比，即从运放输入端看集成运放的动态电阻。,r,id,一般可以达到几十千欧到几十兆欧。,（,3,）开环输出电阻,r,o,：开环输出电阻是指运算放大器开环时的动态输出电阻。,r,o,越小，运放带负载的能力越强。大多数运放的,r,o,在几十欧到几百欧之间。,12,（,4,）共模抑制比,K,CMR,：共模抑制比,K,CMR,是指差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。,K,CMR,越高，说明电路抑制噪声的能力越强。高质量的集成运放的,K,CMR,可达,160dB,以上。,三、集成运放的电压传输特性,集成运放的电压传输特性可以表示为 ，即输出电压是输入的差模电压的函数 。图中的斜线部分为线性放大区，此时的电压放大倍数为开环电压放大倍数,A,Od,，因此线性放大区的输出电压为 。通常集成运放的,A,Od,很大，因此线性放大区非常窄，不能在开环工作时直接作为线性放大器使用。下图中线性区之外的部分为非线性区，输出电压为正限幅值,+U,OM,和负限幅值,-U,OM,。,+U,OM,-U,OM,O,u,),(,),(,-,-,+,I,I,u,u,13,为便于分析，经常将集成运放理想化，满足下列参数指标的运放即为理想运放,:,开环电压放大倍数,A,Od,=,；,差模输入电阻,r,id,=,；,开环输出电阻,r,o,=0,；,共模抑制比,K,CMR,=,。,只要应用中没有使运放的技术指标明显下降，均可将实际运放视为理想运放。,+U,OM,-U,OM,O,u,14,四、理想运放的两条重要结论,（,1,）虚短,根据理想运放的条件,A,od,=,，则 即 ，运放的两个输入端电位相等，称为“虚短”。虚短并不是真正的短路。当实际运放工作在线性放大区时，由于,A,od,很大，而为了使输出电压不超出线性范围，必然要求同相输入端电位,u,+,和反相输入端电位,u,-,非常接近。,（,2,）虚断,根据理想运放的条件,r,id,=,，可以认为流入运放两个输入端的电流为零，即,i,+,=,i,-,=0,。集成运放输入电流为零称为“虚断”。虚断并不是输入端真正的断开。实际运放的输入电流十分微小，比外电路的电流小几个数量级，因此可以忽略不计。,15,当集成运放通过外部电路引入负反馈时，集成运放形成闭环状态，并且工作在线性区。常用的集成运放的线性应用电路有比例运算电路、加法电路、减法电路、微分电路、积分电路等各种运算电路。运放的线性应用电路可以使用“虚短”和“虚断”来分析与计算。,8.2,集成运放的线性应用电路,一、反相比例运算电路,R,f,u,o,i,+,u,I,_,i,-,i,1,u,+,i,f,R,1,R,b,+,+,_,R,b,称为输入平衡电阻，选择参数时，应使,R,b,=,R,1,/,R,f,，使集成运放两个输入端的外接电阻相等，确保其处于平衡对称的工作状态,电压并联负反馈电路，根据虚断的结论，,i,=,i,+,=0,，得,u,+,=0,，根据虚断的结论，得,u,-,=,u,+,=0,，即反相端电位为零，这种没有接地，却有零电位的现象称为“虚地”。不能简单的理解为反相端与地短路，如果那样，信号就不能输入到运放中去了。,16,负号表示相位相反，大小成一定比例关系，因此称反相比例运算电路。电压放大倍数由,R,f,和,R,1,共同决定，与运放本身的参数无关。,如果,R,f,=,R,1,，则输出电压与输入电压相位相反，大小相等，电路的功能只是反相运算，称为反相器。,R,f,u,o,i,+,u,I,_,i,-,i,1,u,+,i,f,R,1,R,b,+,+,_,17,二、同相比例运算电路,电压串联负反馈电路，,R,b,=,R,1,/,R,f,，根据虚断的结论，,i,-,=,i,+,=0,，得,u,+,=,u,I,，再根据虚短，,u,-,=,u,+,=,u,I,。,根据,i,1,=,i,f,得：,+,_,+,R,1,R,f,R,b,u,I,_,+,_,u,o,i,-,i,+,i,f,电压放大倍数为：,18,_,+,+,u,o,u,I,_,_,+,即输出电压与输入电压相位相同，大小成一定的比例关系,同相比例运算电路，,A,uf,1,，且由,R,f,和,R,1,决定，与运放本身参数无关。若,R,f,=0,，,R,1,=,，则,A,uf,=1,，即输出电压与输入电压大小相等、相位相同，称为电压跟随器，如下图。它具有很大的输入电阻和很小的输出电阻（电压负反馈可稳定输出电压，电路近似恒压源，因而使输出电阻降低），在电路中可以作为缓冲级和隔离级。,19,三、加法电路,电压并联负反馈电路，平衡电阻,R,b,=,R,1,/,R,2,/,R,3,/,R,f,。根据虚短和虚断，,u,-,=,u,+,=0,，,i,-,=0,。得：,i,f,=,i,1,+,i,2,+,i,3,，即,u,o,R,3,i,1,i,2,u,I3,i,3,u,I1,u,I2,R,f,R,1,R,2,i,-,R,b,i,f,_,+,即输出电压是对各输入电压按照不同比例求和，因此称为加法电路。若,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,f,，则,若，,R,f,=,R,，则,20,四、减法电路,根据虚短和虚断，,i,-,=,i,+,=0,，,即输出电压是对各输入电压按照不同比例求差，因此称为,减法电路。,若,R,1,=,R,3,，,R,2,=,R,4,，则,即输出电压与两个输入电压的差值,u,Id,=,u,I1,u,I2,成正比，电路实现了信号的放大，因此也称为差动运算放大器。,u,I2,u,I1,u,o,i,1,i,-,i,f,R,2,R,1,R,4,R,3,_,+,i,2,i,+,u,-,u,+,21,电容两端的电压和电容中流过的电流之间的关系为：,u,I,i,C,R,u,o,R,b,C,_,+,i,R,即输出电压是输入电压对时间的积分，因此称为积分电路，,RC,称为积分时间常数。,五、积分电路,电压并联负反馈电路，根据虚短和虚断，,u,-,=,u,+,=0,，,i,-,=,i,+,=0,，则,22,六、微分电路,积分电路中,R,1,与,C,的位置互换，就组成微分电路。根据虚短和虚断，,u,-,=,u,+,=0,，,i,-,=,i,+,=0,，则,u,o,C,u,I,R,R,b,_,+,u,-,i,R,i,C,即输出电压是输入电压的微分，因此称为微分电路，,RC,称为微分时间常数。如果输入信号为阶跃信号，由于信号源存在内阻，输出信号,u,o,的幅值在,t=0,时为有限值。随后由于电容,C,被充电，输出电压,u,o,按指数规律衰减到零。,t,u,I,0,t,u,o,0,23,在波形变换中，微分电路可以用来将方波变换成尖脉冲。当微分电路输入高频信号时，电容,C,的容抗减小，高频放大倍数增加，因此对输入信号中的高频干扰非常敏感，电路的抗干扰性能差。而且，高频信号容易形成正反馈，引起,自激振荡,。在实际应用中通常采取一定的补偿措施。,一种改进型的微分电路右下图所示。其中,R,1,起限流作用，,R,和,C,2,并联起相位补偿作用。,u,o,C,u,I,R,R,b,_,+,u,-,i,R,i,C,u,o,C,1,u,I,R,R,b,_,+,u,-,i,R,i,C,R,1,C,2,24,例：下图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形,u,i,-,+,+,u,o,R,f,R,2,i,1,i,f,C,1,t,u,i,0,t,u,o,0,25,8.3,集成运放的非线性应用电路,当集成运放工作在开环或正反馈状态时，电路属于运放的非线性应用电路，此时运放处于非线性区。运放在非线性应用时，,“虚短”的结论不再成立,，即 。当 时，输出正限幅值,+U,OM,；否则输出负限幅值,-U,OM,。但是由于运放的输入电阻很大，输入端的电流可视为零，因此,“虚断”的结论仍然成立,。常用的集成运放非线性应用电路有电压比较器和各种波形发生电路。,一、电压比较器,电压比较器是能够对输入的电压信号进行比较的电路。它能够根据输入电压是大于还是小于参考电压而决定电路的输出状态，是信号处理和波形发生电路中常用的基本单元。电压比较器可以分为单门限电压比较器和滞回电压比较器。,26,1.,单门限电压比较器,单门限电压比较器利用集成运放工作在开环状态时的电压传输特性进行电压的比较。其电路如下图所示，,u,I,为输入信号，,U,R,为门限电压，也称为阈值电压。当,u,I,U,R,时，,U,O,=-,U,Om,；当,u,I,U,B1,，才能使,u,O,由,+,U,Z,翻转为,-U,Z,；如果,u,O,=,-U,Z,，,u,I,由正向负变化时，因为这时,u,O,为负，须,u,I,U,B2,时，才能使,u,O,由,-,U,Z,翻转为,+,U,Z,。于是产生左图示的滞回特性。,U,B1,、,U,B2,称为门限电压。,U,=,U,B1,U,B2,称为回差。,小于回差的干扰不会引起翻转，滞回电压比较器抗干扰能力大大加强。,电路中引入了正反馈，加快了集成运放在高、低电平之间的转换速度。,u,O,u,I,O,U,B2,U,B1,+U,Z,-U,Z,电压传输特性,32,电路在翻转过程中通过,R,2,和,R,3,实现正反馈。例如，假设输出的起始状态为,u,O,=+,U,Z,，,u,I,增加到略大于,U,B1,，,u,O,便要下降，这时就发生下面的正反馈过程：,u,O,的下降导致,U,B,下降，而,U,B,的下降又使得,u,O,进一步下降，反馈的结果使,u,O,迅速变为,-,U,Z,。这样，正反馈加速了翻转过程，使传输特性高低电位转换部分的陡度加大，从而获得较为理想的电压传输特性。,u,O,U,B,u,O,33,二、方波发生器,方波发生器是在滞回电压比较器的基础上，增加一条,RC,反馈支路，如下图。输出端为限幅电路，使,u,O,=,U,Z,。,R,f,C,支路利用电容,C,的充放电电压,u,C,代替滞回比较器的外加输入信号,u,I,送人反相输入端。,R,2,R,3,，构成的正反馈支路，为同相输入端提供基准电压,U,B,。集成运放接成滞回电压比较器，将反馈电压,u,C,与基准电压,U,B,相比较，并根据比较结果决定输出电压,u,O,。,U,Z,+,_,VS,R,1,R,5,u,O,u,C,R,2,R,3,R,4,u,B,+,_,R,f,C,34,电路接通电源的瞬间，假设开始时输出电压,u,O,为正值，,u,O,=+,U,Z,，则同相输入端门限电压,输出电压,u,O,经,R,f,向电容,C,充电，充电电路方向如图中实线箭头所示，,u,C,按指数规律增大，当,u,C,上升到略高于,U,B1,时，输出,u,O,翻转为,-,U,Z,。这时同相输入端的门限电压变为,电容器,C,经,R,f,放电,(,如图中虚线箭头所示,),，,u,C,按指数规律下降。,u,t,O,U,B2,U,B1,+U,Z,-U,Z,u,C,u,O,t,1,t,2,U,Z,+,_,VS,R,1,R,5,u,O,u,C,R,2,R,3,R,4,u,B,+,_,R,f,C,当,u,C,降到略低于,U,B2,时，输出电压再次翻转。,u,O,=+,U,Z,如此周而复始，便在输出端得到了方波电压 。,35,作业：,P161,二（,2,）,36,