集成运放及其应用

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,*,1906年美国李.德福雷斯特发明了真空三极管,1948年晶体管之父威廉肖克利发 明了第一只晶体管诞生,1958年美国基尔比制成第一块集成电路；6个月后诺伊斯制成第一块硅集成电路,1969年 大规模集成电路,1975年 超大规模集成电路,戈登摩尔提出摩尔定律，预测在芯片上所能集成的晶体管数目将会每隔18个月翻一番，这一法则适用至今。,电子技术发展,1,目前使用的16兆位DRAM集成电路的线条宽度为0.5 微米， 64兆位DRAM集成电路的线条宽度为0.3 微米，继续发展可望达到0.01微米，0.01微米的概念相当于30个原子排成一列的长度。这一尺寸在半导体集成电路中，已经成为极限，再小PN结的理论就不存在了，或者说作为电子学范畴的集成电路已达极限，就会从电子学跃变到量子工学的范畴，由量变到质变，随之而来的一门新的工程学对量子现象加以工程应用的“量子工学”也就诞生了，由这一理论指导而将做成的量子器件，将延续集成电路的发展。现在美国和日本正投入大量的人力和物力进行这方面的研究，并且在“原子级加工”方面取得了一定的成果。,集成电路的技术发展是否有极限？,在一块芯片上能制造的晶体管是否有极限？,如果“有”，它的极限是多少？还有没有新的方法以求得继续发展。,2,集成电路的分类,模拟集成电路：,集成运算放大器，集成功放，集成稳压电源，集成模数A/D转换和数模D/A转换等。,模拟集成电路,数字集成电路,数字集成电路：,门电路，触发器，计数器，存贮器，微处理器等电路。,74系列，74LS，74HC，4000系列，CMOS等各种型号。,3,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式,(,DIP,),CF741,DIP,D,ual,I,n-Line,P,akage,集成运放的结构及特点,结构,LM741,1 2 3 4,8 7 6 5,4,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的工艺特点：,（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。,（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。,（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。,( 由于集成电路中，,电阻,是利用NPN管的,基区体电阻,构成，电阻值的范围一般为几十欧10千欧左右，阻值范围不大，且阻值精度不易控制，误差可达10%20%。所以，若需要高阻值电阻，可用BJT或FET等组成的恒流源代替，或采用外接电阻的方法。),什么是集成运算放大器？,5,（4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。,(,电容,则采用,PN结的结电容,构成，约在100PF以下，误差也较大，因此电路结构只能采用直接耦合方式。),（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。,(6)在集成电路制造工艺中，制造三极管（特别是NPN管）比制造其他元件容易，且占用面积小，性能好。,因此常用BJT（或FET）构成恒流源作偏置电阻；将BJT的基极和集电极短接构成二极管稳压管等；,6,一,、,集成运放的组成部分,：,1、四个部分,：,偏置电路、输入级、中间级、输出级,2、各部分的作用、要求和常采用的电路形式：,偏置电路,：,向各个放大级提供适当的静态偏置电流，决定各级的静态工作点。要求提供的静态电流小而稳定。,常采用电路：比例电流源、镜像电流源、微电流源,输入级,：接收输入信号，对集成运放的多项技术指标起决定性的作用。要求该级抑制零点漂移能力高。,常采用电路：差分放大电路,中间级,：提供足够大的电压放大倍数。要求该级电压放大倍数大且输入电阻高。,常采用电路：共射放大电路（有源负载和复合管）,7,输出级,：处理大信号、带负载。要求设法减小输出波形的非线性失真，提供较大电流，带负载能力强。,常采用电路：互补对称功放电路,3、框图:,输入级,中间级,输出级,偏 置 电 路,V,i1,V,i2,Vo,级间直接耦合,差分式输入,电压（流）放大,恒流源,功放,8,二、集成运算放大器的主要性能指标,1.输入失调电压,U,IO,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。,2.输入失调电压温漂 d,U,IO,/dT,在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。,静态和动态指标,9,4.输入失调电流,I,IO,：,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。,3.输入偏置电流,I,IB,：,输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,5.输入失调电流温漂,d,I,IO,/,dT,:,在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。,10,6.最大差模输入电压,U,idmax,运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。,7.最大共模输入电压,V,icmax,在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,11,8.开环差模电压放大倍数,A,o,d,：,无反馈时的差模电压增益。,一般,A,od,在100120dB左右，高增益运放可达140dB以上。,9.差模输入电阻,r,id,：,双极型管输入级约为10,5,10,6,欧姆，场效应管输入级可达10,9,欧姆以上。,10.共模抑制比,K,CMR,：,K,CMR,=20lg(,A,v,d,/,A,v,c,),(dB),其典型值在80dB以上，性能好的高达180dB。,12,11.3dB,带宽,f,H,：,运放的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽,f,H,。,12.,转换速率,S,R,(,压摆率,),：,反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率,S,R,的表达式为：,13,u,-,u,+,u,o,国际符号：,国内符号：,集成运放的特点：,电压增益高,输入电阻大,输出电阻小,同相输入端,反相输入端,输出端,三、集成运算放大器的模型,14,1、 运放的电压传输特性：,设：电源电压,V,CC,=10V。,运放的,A,od,=10,4,U,i,1mV时，运放处于线性区。,A,od,越大，线性区越小，,当,A,od,时，线性区0,0,u,o,u,i,+10V,-,10V,+U,om,-U,om,-,1mV,+,1mV,线性区,非线性区,非线性区,+10V,-,10V,+U,om,-U,om,0,u,o,u,i,15,2、理想运算放大器：,（1）开环电压放大倍数:,A,od,=，,实际上80dB即可。,（,2）差摸输入电阻:,R,id,=，,实际上,R,id,比输入端外电路的电阻大23个量级即可,。,（4）输出电阻 :,R,o=0,（3）共模抑制比:K,CMR,=,（5）输入失调电压，输入失调电流及其温漂为零,（6）开环带宽: BW=,16,理想运放工作在线性区的条件：,电路中有负反馈！,运放工作在线性区的分析方法：,虚短（,u,+,=,u,-,）,虚断（,i,i+,=,i,i-,=0）,3. 线性区,17,4. 非线性区（正、负饱和状态）,运放工作在非线性区的条件：,电路开环工作或引入正反馈！,+10V,-,10V,+U,om,-U,om,0,u,o,u,i,运放工作在非线性状态时：,(1) 若,U,+,U,- 则,U,O,=+,U,OM,；,若,U,+,U,- 则,U,O,=-,U,OM,。,(2) 虚断（运放输入端电流=0）,注意：此时不能用虚短！,18,运算放大器外形图,19,741结构图,调零电路,20,参见实验教材P311-312,T,=25,o,C，,U,+,= +15V，,U,+,= -15V,741测试条件：,21,参数名称,测试条件,最小,典型,最大,单位,输入失调电压,R,s,10k,1.0,5.0,mV,输入失调电流,20,200,nA,输入偏置电流,80,500,nA,输入电阻,0.3,2.0,M,输入电容,1.4,pF,输出电阻,75,输出短路电流,25,mA,电源电流,1.7,2.8,mA,功耗,50,85,mW,转换速率,R,L,2k,0.5,V/,m,s,共模抑制比,R,s,10k,U,CM,=12V,70,90,dB,增益带宽乘积,1,MHz,22,OP-07是一种具有低失调电压、低失调电流和低飘移的超低失调运算放大器，其广泛运用于稳定积分、精密加法、比较、阈值电压检测、微弱信号精确放大等场合，是一种通用性极强的运算放大器。,OP-07电源电压范围为 + 3V- + 18V，输入电压范围0- + 14V。,23,LF347是一种场效应管与双极性管兼容的单片四运放，具有高输入阻抗，高速的性能，具有内部失调电压调节，低失调电流、低谐波失真、低噪声等特点。,可广泛应用于高速积分、快速D/A转换、采样/保持电路及一般放大电路中。,LF347的供电电压一般为+12V，其差模电压增益为100dB，输入失调电压3mV，共模抑制比为100dB，输入电阻106M欧，转换速率13V/uS，单位增益带宽为4MHz。,24,什么是反馈？,输入量：,u,i,、,u,be,、,i,b,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），以一定的方式反送回到输入回路的过程。,输出量：,u,o,、,u,ce,、,i,c,正向传输,信号从输入端到输出端的传输,T,U,BE,I,C,I,C,U,E,I,B,稳定工作点电路：,U,B,一定,反馈,25,一、几个基本概念,1. 开环与闭环,（信号的传输方向）,电路中只有正向传输，没有反向传输，称为,开环状态。,正向传输,信号从输入端到输出端的传输,反向传输,信号从输出端到输入端的传输,既有正向传输，又有反向传输称为,闭环状态,。,信号的正向传输,信号的正向传输,反馈传输(通路),（反馈网络）,26,判断有无反馈:,无,反馈,有,反馈,有,反馈,无,反馈,27,直流反馈,若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。,2.直流反馈与交流反馈,（反馈信号的成分）,该电路引入直流反馈的目的，是为了稳定静态工作点Q。,交流反馈,若电路将交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。,（如去掉电容,C,e,）,交流反馈，影响电路的交流工作性能。,直流反馈,交流反馈,i,c,28,解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。,例：判断下图中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈。,交、直流反馈,交流反馈,注意电容的“隔直通交”作用！,29,例：基本放大器，无反馈，净输入量,u,be,=,u,i,，电压放大倍数为：,3.负反馈与正反馈,（对,净输入量或放大倍数的影响）,负反馈,输入量不变时，引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小。,引入反馈后，净输入量,u,be,=,u,i,-,u,f,，,电压放大倍数为：,可见，净输入量减小，放大倍数减小，所以是负反馈。,正反馈,输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加。,30,本级反馈,反馈只存在于某一级放大器中,级间反馈,反馈存在于两级以上的放大器中,例:,4.本级反馈与级间反馈,（存在级数）,级间反馈,本级反馈,本级反馈,31,5. 串联反馈和并联反馈,(输入端接入方式）,( 此时,反馈信号,与,输入信号,是,电压,相加减的关系。),串联反馈,：,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。有：,u,d,=,u,i,-,u,f,32,并联反馈,：,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极。有：,i,d,=,i,i,-,i,f,(此时,反馈信号,与,输入信号,是,电流,相加减的关系。),33,6.电压反馈与电流反馈,(输出端取样方式,),电压反馈,：,反馈信号的大小与输出电压成比 例。,34,电流反馈：,反馈信号的大小与输出电流成比,例,。,35,三.反馈类型及判别方法,1.直流反馈与交流反馈,判定方法：,电容的“隔直通交”作用,例题1:,试判断下图电路中有哪些反馈支路，各是直流反馈还是交流反馈？,36,2. 电压反馈与电流反馈,假设输出端,交流短路,（,R,L,=0），即,u,o,=0，若反馈信号消失了，则为电压反馈；若反馈信号仍然存在，则为电流反馈。,电压反馈：,反馈信号的大小与输出电压成比 例。,判断方法输出短路法：,电流反馈：,反馈信号的大小与输出电流成比 例。,37,3. 串联反馈和并联反馈,并联反馈,：,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极。有：,i,d,=,i,i,-,i,f,此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。,此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系。,串联反馈,：,反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的两个电极。有：,u,d,=,u,i,-,u,f,判断方法,：,反馈信号与原输入信号是否接到同一输入端,38,例题2:,试判断下列电路中引入的反馈是电压反馈还是电流反馈，是串联反馈还是并联反馈。,39,40,4.反馈极性：正反馈与负反馈,判定方法“瞬时极性法”,用“瞬时极性法”判断反馈极性：,假设某一瞬时，在放大电路的输入端加入一个正极性的输入信号，按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。,41,例题3:,试判断下列电路中反馈支路的反馈极性。,对于串联反馈,：,输入量与反馈量作用在不同的两点上，若输入量与反馈量的瞬时极性相同为负反馈，瞬时极性相反为正反馈,。,对于并联反馈,：,输入量与反馈量作用在同一点上，若反馈元件两端瞬时极性相反为负反馈，瞬时极性相同为正反馈。,42,43,集成运放的应用（一）：模拟信号运算电路,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压,V,CC,=12V。,运放的,A,od,=10,4,U,i,1mV时，运放处于线性区。,A,od,越大，线性区越小，,当,A,od,时，线性区0,0,u,o,u,i,+10V,-,10V,+U,om,-U,om,-,1mV,+,1mV,线性区,非线性区,非线性区,+12V,-,12V,+U,om,-U,om,0,u,o,u,i,44,2.理想运算放大器：,开环电压放大倍数,A,od,=,差摸输入电阻,R,id,=,输出电阻,R,o,=0,为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：,理想运放工作在线性区的条件：,电路中有负反馈！,运放工作在线性区的分析方法：,虚短（,u,+,=,u,-,）,虚断（,i,i+,=,i,i-,=0）,3. 线性区,45,一、比例运算电路,1. 反相比例运算,虚地点,i,1,=,i,f,（虚断）,因为有负反馈，,利用虚短和虚断,u,+,=0,u,=,u,+,=0,（虚地）,反馈方式：,电压并联负反馈,电压放大倍数:,46,例题1.,R,1,=10k,R,f,=20k, ,u,i,=-1V。求:,u,o,、,R,i,。说明,R,0,的作用，,R,0,应为多大？,特点：,共模输入电压=0,（,u,=,u,+,=0）,缺点：,输入电阻小（,R,i,=,R,1,）,R,0,为平衡电阻,R,0,=,R,1,/,R,f,运放两个输入端对地,的直流电阻相等,47,2. 同相比例运算电路,u,-,=,u,+,=,u,i,i,1,=,i,f,（,虚断）,平衡电阻,R=R,f,/R,1,因为有负反馈，,利用虚短和虚断,反馈方式：,电压串联负反馈,特点：,输入电阻高,缺点：,共模输入电压0,（,u,=,u,+,=,u,i,）,电压放大倍数:,48,A,u,=1,3.电压跟随器,此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。,在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,u,i,=,u,+,=,u,-,=,u,o,因为有负反馈，,利用虚短和虚断：,49,二、基本运算电路,1. 反相加法器：,若,R,1,=,R,2,=,R,平衡电阻,R,0,=,R,1,/,R,2,/,R,f,i,1,+,i,2,=,i,f,（一） 加法运算电路,虚地,50,若R1=R2=R3=R,51,2.同相求和运算电路：,当,R,1,=,R,2,=,R,f,=,R,时,同相比例运算:,52,53,（二） 减法运算电路,1.利用加法器和反相比例器,54,叠加原理,2、差动减法器,u,i1,作用,u,i2,作用,综合：,则有：,55,两输入信号Ri大。,56,式中,R,+,=,R,3,/R,4,/R , R,-,=R,1,/R,2,/R,f,57,则：,58,三运放构成的精密放大器,Au=-R,f,/R*(1+2R,1,/R,2,),由虚短：,Ua = U,i1，,U,b,= U,i2,Ui1-ui2,=R,2,/(2R,1,+R,2,)*(u,o1,-u,o2,),因为A3为差分放大:,Uo=-Rf/R,*(u,o1,-u,o2,),所以：,59,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压,V,CC,=12V。,运放的,A,od,=10,4,U,i,1mV时，运放处于线性区。,A,od,越大，线性区越小，,当,A,od,时，线性区0,0,u,o,u,i,+10V,-,10V,+U,om,-U,om,-,1mV,+,1mV,线性区,非线性区,非线性区,+12V,-,12V,+U,om,-U,om,0,u,o,u,i,集成运放的应用（二）：比较电路,60,2. 非线性区（正、负饱和状态）,运放工作在非线性区的条件：,电路开环工作或引入正反馈！,+10V,-,10V,+U,om,-U,om,0,u,o,u,i,61,功能：,将一个模拟电压信号与一,参考电压,相比较，输出一定的高低电平。,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,U,REF,62,1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2. 运放工作在非线性状态的分析方法：,若,U,+,U,-,则,U,O,=+,U,OM,；,若,U,+,U,-,则,U,O,=-,U,OM,。,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,63,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,1. 过零比较器,:,（门限电平=0）,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,（一）单门限电压比较器,64,2.单门限比较器,（与参考电压比较）,u,o,u,i,0,+,U,om,-,U,om,U,REF,U,REF,为参考电压,当,u,i,U,REF,时 ,u,o,=,+,U,om,当,u,i,U,REF,时 ,u,o,=,-,U,om,运放处于开环状态,65,u,o,u,i,0,+,U,om,-,U,om,U,REF,当,u,i,U,REF,时 ,u,o,=,-,U,om,若,u,i,从反相端输入,66,u,o,u,i,0,+,U,Z,-,U,Z,（1）用稳压管稳定输出电压,3. 限幅电路使输出电压为一稳定的确定值,当,u,i,0,时 ,u,o,=,+,U,Z,当,u,i,0,时 ,u,o,=,-,U,Z,当,u,i,0,时 ,u,o,=,+,U,Z,电路中存在非线性负反馈元件，运放工作在线性状态,68,（二）窗口比较器,设,R,1,=R,2,，则有：,69,当,U,I,U,H,时，,U,O1,为,高电平,，D,3,导通；,U,O2,为,低电平, D,4,截止，,U,O,=,U,O1,。,当,U,I,U,L,时，,U,O2,为高,电平，D,4,导通；,U,O1,为低,电平，D,3,截止，,U,O,=,U,O2,。,当,U,H,U,I,U,L,时，,U,O1,为低电平，,U,O2,为低电,平，D,3,、D,4,截止，,U,O,为低电平。,该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为,窗口比较器,。,70,（三） 滞回比较器,1.工作原理,两个门限电压。,特点,:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。,（1）当,u,o,=+,U,Z,时，,（2）当,u,o,=-,U,Z,时，,U,T+,称上门限电压,U,T-,称下门限电压,U,T+,-,U,T-,称为回差电压,71,迟滞比较器的电压传输特性：,u,o,u,i,0,+,U,Z,-,U,Z,U,T+,U,T-,设,u,i, 当,u,i,= ,U,T+,时,u,o,从,+,U,Z,-,U,Z,反相输入,72,例题：,R,f,=10k,，,R,2,=10k,，,U,Z,=6V，,U,REF,=10V。当输入,u,i,为如图所示的波形时，画 出输出,u,o,的波形。,上下限：,u,o,u,i,0,8V,3V,传输特性,+6V,-6V,73,3V,8V,u,i,u,o,+6V,-6V,u,o,u,i,0,8V,3V,传输特性,+6V,-6V,74,2. 另类滞回比较器,时，,：,下门限电平,。,时，,：,上门限电平,。,75,回差电压,：,传输特性,:,76,分析电压比较器, 得出如下结论:,(3),电压传输特性的三个要素：,输出电压的高、低电平,，,阈值电压,和,输出电压的跃变方向,（输出电压的高、低电平决定于限幅电路） 。,(1) 集成运放多工作在,非线性区,输出电压,只有高电平和低电平,两种情况,。,(2),输出电压与输入电压的函数关系用,电压传输特性,来描述。,77,比较器的应用,比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,.,78,特点,：1）失调电压小，典型值为2mV；,2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；,3）对比较信号源的内阻限制较宽；,4）,差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；,5）,输出端电位可灵活方便地选用,LM339,79,光强测试电路,线性放大,非线性,80,比较检测温度，调节R1或R2的大小，就可以调节门限电压也就是调整了温度的设定。,温度检测电路,81,音控彩灯,82,