计算机电路基础第5章-集成运算放大器课件.ppt

1、第第5章章 集成运算放大器集成运算放大器 本章首先介绍了集成运算放大器的基本概念，对运放的基本特点、基本参数、理想运放的分析依据；然后介绍反馈的基本概念，讨论反馈的各种类型以及它们的判断方法，电路的各种反馈组态以及它们对电路性能的影响；最后在前面的基础上讨论运放的构成的各种运算电路。51.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍 1.对称性好，适用于构成差分放大电路。对称性好，适用于构成差分放大电路。2.集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办

2、法。3.在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管代替替电阻电阻(特别是大电阻特别是大电阻)。4.在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难，电路通常采用直接耦合电路方式。路通常采用直接耦合电路方式。5.集成电路中的集成电路中的 NPN、PNP管的管的 值差别较大，值差别较大，通常通常 PNP 的的 100。5.1.2集成运算放大器的结构及管脚集成运算放大器的结构及管脚实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。电路。图图 5.1.1集成运算的基本组成集成运算的基本组

3、成输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路集成电路的外形集成电路的外形图图 5.1.2集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式双列直插式(b)圆壳式圆壳式(c)扁平式扁平式典型的集成运放典型的集成运放双极型集成运放双极型集成运放 F007CMOS 集成运放集成运放 C14573一、引脚一、引脚双极型集成运放双极型集成运放 F007图图 5.1.3F007 的引脚及连接示意图的引脚及连接示意图(a)(b)连连接接示示意意图图5.1.3集成运算放大器的主要技术参数集成运算放大器的主要技术参数集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号+A反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输输 出

4、出 端端一、开环差模电压增益一、开环差模电压增益 Aod一般用对数表示，定义为一般用对数表示，定义为 UUUAlg20-Ood单位：分贝单位：分贝理想情况理想情况 Aod 为无穷大；为无穷大；实际情况实际情况 Aod 为为 100 140 dB。图图 5.1.4运算放大器的符号运算放大器的符号二、输入失调电压二、输入失调电压 UIO三、输入失调电压温漂三、输入失调电压温漂 UIO 定义：定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。补偿电压。一般运放：一般运放：UIO 为为 1 10 mV；高质量运放：高质量运放：UIO 为为 1 mV 以下。以下

5、。定义：定义：TUUddIOIO 一般运放为一般运放为 每度每度 10 20 V；高质量运放低于每度高质量运放低于每度 0.5 V 以下以下；四、输入失调电流四、输入失调电流 IIO五、输入失调电流温漂五、输入失调电流温漂 IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即之差，即定义：定义：B2B1IOIII 一般运放为一般运放为 几十几十 一百纳安；高质量的低于一百纳安；高质量的低于 1 nA。定义：定义：TIIddIOIO 一般运放为一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流六、输入偏置电流 I

6、IB七、差模输入电阻七、差模输入电阻 rid八、共模抑制比八、共模抑制比 KCMR定义：定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。平均值。)(21B2B1IBIII 定义：定义：IdIdidIUr 一般集成运放为几兆欧。一般集成运放为几兆欧。定义：定义：ocodCMRlg20AAK 多数集成运放在多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达以上，高质量的可达 160 dB。九、最大共模输入电压九、最大共模输入电压 UIcm输入端所能承受的最大共模电压。输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压十、最大差模输入电压 UIdm 反相输入端与

7、同相输入端之间能够承受的最大电压。反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、十一、3 dB带宽带宽 fH表示表示 Aod 下降下降 3 dB 时的频率。一般集成运放时的频率。一般集成运放 fH 只只有几赫至几千赫。有几赫至几千赫。十二、十二、单位增益带宽单位增益带宽 BWGAod 降至降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于数等于 1。十三、十三、转换速率转换速率 SR 额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为输出电压的最大变化率。单位为 V/s。在实际工作中，输

8、入信号的变化率一般不要大于集在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的成运放的 SR 值。值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。出电阻等。5.1.4 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理想运放的技术指标理想运放的技术指标开环差模电压增益开环差模电压增益 Aod=；输出电阻输出电阻 ro =0；共模抑制比共模抑制比 KCMR =；差模输入电阻差模输入电阻 rid=；UIO =0、IIO=0、UIO =IIO=0；输入偏置电流输入偏置电流 IIB =0；3 dB 带宽带宽 fH =，等等。，等等。理想运放工

9、作在线性区时的特点理想运放工作在线性区时的特点输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即系，即)(odO uuAu u uOu i i+Aod理想运放工作在线性区特点：理想运放工作在线性区特点：1.理想运放的差模输入电压等于零理想运放的差模输入电压等于零0)(odO Auuu即即 uu“虚短虚短”图图 5.1.5集成运放集成运放的电压和电流的电压和电流2.理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零由于由于 rid=，两个输入端均没有电流，即，两个输入端均没有电流，即0 ii“虚断虚断”理想运放工作在非线性区时的特点理想运放工作在非线

10、性区时的特点传输特性传输特性+UOPPuOu+u O UOPP理想特性理想特性图图 4.5.2集成运放集成运放的传输特性的传输特性理想运放工作在非线性区特点：理想运放工作在非线性区特点：当当 u+u 时，时，uO=+UOPP当当 u+u 时时,uO=UOPP1.uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在非线性区内，在非线性区内，(u+u)可能很大，即可能很大，即 u+u。“虚地虚地”不存在不存在2.理想运放的输入电流等于零理想运放的输入电流等于零0 ii实际运放实际运放 Aod ，当，当 u+与与 u 差值比较小时，仍有差值比较小时，仍有 Aod(u+u )UOPP，运放工作在线性区。，运放工作

11、在线性区。例如：例如：F007 的的 Uopp=14 V，Aod 2 105，线性，线性区内输入电压范围区内输入电压范围V70102V 145odOPP AUuuuOu+u O实际特性实际特性非线性区非线性区非线性区非线性区线性区线性区但线性区范围很小。但线性区范围很小。图图 5.1.6集成运放的传输特性集成运放的传输特性5.2.1反馈的概念反馈的分类反馈的概念反馈的分类一、正反馈和负反馈一、正反馈和负反馈反馈信号增强了外加输入信号，使放大电路的放反馈信号增强了外加输入信号，使放大电路的放大倍数提高大倍数提高 正反馈正反馈反馈信号削弱了外加输入信号，使放大电路的放反馈信号削弱了外加输入信号，使

12、放大电路的放大倍数降低大倍数降低 负反馈负反馈反馈极性的判断方法：反馈极性的判断方法：瞬时极性法。瞬时极性法。先假定某一瞬间输入信号的极性，然后按信号的先假定某一瞬间输入信号的极性，然后按信号的放大过程，逐级推出输出信号的瞬时极性，最后根据放大过程，逐级推出输出信号的瞬时极性，最后根据反馈回输入端的信号对原输入信号的作用，判断出反反馈回输入端的信号对原输入信号的作用，判断出反馈的极性。馈的极性。(a)正反馈正反馈(b)负反馈负反馈例：用瞬时极性法判断电路中的反馈极性。例：用瞬时极性法判断电路中的反馈极性。-因为因为差差模模输入电压等输入电压等于于输入输入电压与电压与反馈反馈电压之电压之差，反馈

13、增强了输入电压，差，反馈增强了输入电压，所以为所以为正反馈正反馈。-反馈信号削弱了输入反馈信号削弱了输入信号，因此为信号，因此为负反馈负反馈。图图 5.2.1二、直流反馈和交流反馈二、直流反馈和交流反馈图图 5.2.2直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈(a)直流负反馈直流负反馈(b)交流负反馈交流负反馈直流负反馈可稳定静态工作点，交流负反馈用以改直流负反馈可稳定静态工作点，交流负反馈用以改善放大电路的性能。善放大电路的性能。三、电压反馈和电流反馈三、电压反馈和电流反馈如果反馈信号取自输出电压，则为如果反馈信号取自输出电压，则为电压反馈电压反馈；电压；电压负反馈的反馈信号与输出电压成比例；负反

14、馈的反馈信号与输出电压成比例；反馈信号取自输出电流，则为反馈信号取自输出电流，则为电流反馈电流反馈，电流负反，电流负反馈的反馈信号与输出电流成比例。馈的反馈信号与输出电流成比例。判断方法：判断方法：假设将输出端交流短路，假设将输出端交流短路，如果反馈信号消失，则为电压如果反馈信号消失，则为电压反馈；否则为电流反馈。反馈；否则为电流反馈。Re1 两端的电压与输两端的电压与输出信号无关，即反馈信号消出信号无关，即反馈信号消失，所以为电压反馈。失，所以为电压反馈。例：例：图图 5.2.3(b)反馈信号末消失，所以为电反馈信号末消失，所以为电流反馈。流反馈。四、串联反馈和并联反馈四、串联反馈和并联反馈

15、反馈信号与输入信号在输入反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和，为串联回路中以电压形式求和，为串联反馈；如果二者以电流形式求和，反馈；如果二者以电流形式求和，为并联反馈。为并联反馈。例：例：FIBiii 因为因为,FIBEuuu 因为因为所以为并联反馈；所以为并联反馈；所以为串联联反馈。所以为串联联反馈。5.2.2负反馈的四种组态负反馈的四种组态一、电压串联负反馈一、电压串联负反馈图图 5.2.4电压串联负反馈电压串联负反馈 (a)电路图电路图反馈信号与输出电压成反馈信号与输出电压成正比，集成运放的净输入电正比，集成运放的净输入电压等于输入电压与反馈电压压等于输入电压与反馈电压之差，之差

16、，.fi.iUUU .oF11f.URRRU 二、电压并联负反馈二、电压并联负反馈图图 5.2.5电压并联负反馈电压并联负反馈(a)电路图电路图反馈信号与输出电压成正比，净输入电流等于外加反馈信号与输出电压成正比，净输入电流等于外加输入电流与反馈电流之差输入电流与反馈电流之差.f.i.iIII F.of.RUI 三、电流串联负反馈三、电流串联负反馈图图 5.2.6电流串联负反馈电流串联负反馈 (a)电路图电路图反馈信号与输出电流成正比，净输入电压等于外加反馈信号与输出电流成正比，净输入电压等于外加输入信号与反馈信号之差输入信号与反馈信号之差.fi.iUUU Fo.f.RIU 四、电流并联负反馈

17、四、电流并联负反馈图图 5.2.7电流并联负反馈电流并联负反馈(a)电路图电路图 反馈信号与输出电反馈信号与输出电流成正比，净输入电流流成正比，净输入电流等于外加输入信号与反等于外加输入信号与反馈信号之差：馈信号之差：.f.iiIII F33o.f.RRRII 5.2.4反馈的一般表达式反馈的一般表达式图图 5.1.9反馈放大电路方框图反馈放大电路方框图.f.o.iXXX，分 别分 别为输入信号、输出信为输入信号、输出信号和反馈信号；号和反馈信号；开环放大倍数开环放大倍数:.A无反馈时放大网络的放大倍数；无反馈时放大网络的放大倍数；因为：因为：i.o.XXA o.f.XXF.f.iiXXX 所

18、以：所以：)()(.o.i.f.i.i.oXFXAXXAXAX 得：闭环放大倍数得：闭环放大倍数:.fAFAAXXA 1.i.o.fFAAXXA 1.i.o.f闭环放大倍数闭环放大倍数：.fA引入反馈后，放大电路对外加输引入反馈后，放大电路对外加输入信号的放大倍数。入信号的放大倍数。回路增益回路增益：.FA在反馈放大电路中，信号沿放大网络在反馈放大电路中，信号沿放大网络和反馈网络组成的环路传递一周后所得到的放大倍数。和反馈网络组成的环路传递一周后所得到的放大倍数。：.1FA 反馈深度反馈深度 引入反馈后，放大电路的放大倍引入反馈后，放大电路的放大倍数与无反馈时相比所变化的倍数。数与无反馈时相比

19、所变化的倍数。1 1 FA若若 fAA 则则负反馈；负反馈；1 1 FA若若 fAA 则则正反馈。正反馈。FAAXXA 1.i.o.f若若11 FAFFAAFAAA11.f 深度负反馈深度负反馈结论：深负反馈放大电路的放大倍数主要由反馈网结论：深负反馈放大电路的放大倍数主要由反馈网络的反馈系数决定，能保持稳定。络的反馈系数决定，能保持稳定。若若，01 FA则则 fA自激振荡自激振荡1.反馈信号与外加输入信号的求和方式只对放大电反馈信号与外加输入信号的求和方式只对放大电路的输入电阻有影响：串联负反馈使输入电阻增大；并路的输入电阻有影响：串联负反馈使输入电阻增大；并联负反馈使输入电阻减小。联负反馈

20、使输入电阻减小。2.反馈信号在输出端的采样方式只对放大电路的输反馈信号在输出端的采样方式只对放大电路的输出电阻有影响：电压负反馈使输出电阻减小；电流负反出电阻有影响：电压负反馈使输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。馈使输出电阻增大。3.串联负反馈只增大反馈环路内的输入电阻；电流串联负反馈只增大反馈环路内的输入电阻；电流负反馈只增大反馈环路内的输出电阻。负反馈只增大反馈环路内的输出电阻。4.负反馈对输入电阻和输出电阻的影响程度，与反负反馈对输入电阻和输出电阻的影响程度，与反馈深度有关。馈深度有关。R2=R1/RF由于由于“虚断虚断”，i+=0，u+=0；由于由于“虚短虚短”，u =u+=0“

21、虚地虚地”由由 iI =iF，得，得Fo1IRuuRuu IFIofRRuuAu 1、反相比例运算电路、反相比例运算电路由于反相输入端由于反相输入端“虚地虚地”，电路的输入电阻为，电路的输入电阻为Rif =R1当当 R1 RF 时，时，Auf =-1单位增益倒相器单位增益倒相器图图 5.3.15.3运算放大器在信号运算方面的应运算放大器在信号运算方面的应用用5.3.1比例运算电路比例运算电路2、同相比例运算电路、同相比例运算电路R2=R1/RF根据根据“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，可知的特点，可知i+=i-=0；又又 u =u+=uOF11uRRRu 所以所以IOF11uuRRR 所所以

22、以IFIOf1RRuuAu 得：得：由于该电路为电压串联负由于该电路为电压串联负反馈，所以输入电阻很高；输反馈，所以输入电阻很高；输出电阻很高。出电阻很高。当当 RF=0 或或 R1=时，时，Auf=1电压跟随器电压跟随器图图 5.3.23、差动比例运算电路、差动比例运算电路11RR FFRR 图图 5.3.4差动比例运算电路差动比例运算电路在理想条件下，由于在理想条件下，由于“虚断虚断”，i+=i =0IF1FuRRRu OF11IF1FuRRRuRRRu 由于由于“虚短虚短”，u+=u ，所以：，所以：IF1FOF11IF1FuRRRuRRRuRRR 1FIIOfRRuuuAu 电压放大倍

23、数电压放大倍数差 模 输 入差 模 输 入电阻电阻Rif=2R1三种比例运算电路之比较三种比例运算电路之比较反相输入反相输入同相输入同相输入差分输入差分输入电电路路组组成成要求要求 R2=R1/RF要求要求 R2=R1/RF要求要求 R1=R1 RF=RF电压电压放大放大倍数倍数uO与与 uI 反相，反相，可大于、小于或等可大于、小于或等于于 1uO 与与 uI 同相，放大倍同相，放大倍数可大于或等于数可大于或等于 1RifRif =R1不高不高Rif=(1+Aod)Rid 高高Rif=2R1 不高不高Ro低低低低低低性能性能特点特点实现反相比例运算；实现反相比例运算；电压并联负反馈；电压并联

24、负反馈；“虚地虚地”实现同相比例运算；实现同相比例运算；电压串联负反馈；电压串联负反馈；“虚短虚短”但不但不“虚地虚地”实现差分比例运算实现差分比例运算(减法减法)“虚短虚短”但不但不“虚地虚地”IFIOfRRuuAu IFIOf1RRuuAu 1FIIOfRRuuuAu )时时当当(,FF11RRRR fuA5.3.2求和电路求和电路求和电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果。求和电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果。1、反相输入求和电路、反相输入求和电路F321/RRRRR 由于由于“虚断虚断”，i =0所以：所以：i1+i2+i3=iF又因又因“虚地虚地”，u =0所以：所以：FO

25、3I32I21I1RuRuRuRu )(I33FI22FI11FOuRRuRRuRRu 当当 R1=R2=R3=R 时，时，)(I3I2I11FOuuuRRu 图图 5.3.52、同相输入求和电路、同相输入求和电路由于由于“虚断虚断”，i =0，所以：，所以：RuRuuRuuRuu 3I32I21I1解得：解得：I33I22I11uRRuRRuRRu 其中：其中：RRRRR /321由于由于“虚短虚短”，u+=u)(1()1()1(I33I22I111F1F1FOuRRuRRuRRRRuRRuRRu 图图 5.3.65.3.4积分电路积分电路RR 由于由于“虚地虚地”，u =0，故，故uO=u

26、C又由于又由于“虚断虚断”，iI=iC，故，故uI=iIR=iCR得：得：tuRCtiCuuCCd1d1IO=RC积分时间常数积分时间常数图图 5.3.7积分电路的输入、输出波形积分电路的输入、输出波形(1)输入电压为矩形波输入电压为矩形波图图 5.3.7t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu 当当 t t0 时，时，uI=0，uO=0；当当 t0 t1 时，时，uI=0，uo 保持保持 t=t1 时的输出电压值不变。时的输出电压值不变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。即输出电压随时间而向负方向直线增长。(二二)输入电压为正弦波输入电压为正弦波tUu sinmI

27、tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先 90 。因此，此时积分电路的作用是移相。因此，此时积分电路的作用是移相。tuIOUm 2 3图图 5.3.85.3.5微分电路微分电路图图 5.3.9基本微分电路基本微分电路由于由于“虚断虚断”，i =0，故，故iC=iR又由于又由于“虚地虚地”，u+=u-=0=0，故，故tuRCRiRiuCRddCO 可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。微分电路的作用：实现波形变换。微分电路的作用：实现波形变换。5.

28、4 使用运算放大器的注意事项使用运算放大器的注意事项1.不能调零不能调零调零电位器故障；调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而重新接通即可恢复为输入信号过大而造成造成“堵塞堵塞”现象现象原因原因2.漂移现象严重漂移现象严重存在虚焊点存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质

29、量不合格集成运放本身损坏或质量不合格原因原因3.产生自激振荡产生自激振荡消振消振措施措施按规定部位和参数接入校正网络按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错防止反馈极性接错避免负反馈过强避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大合理安排接线，防止杂散电容过大四四集成运放的保护集成运放的保护1.输入保护输入保护(a)反相输入保护反相输入保护(b)同相输入保护同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFR VuOuI保护元件保护元件保护元件保护元件uO+AR1RFVD1VD2uI保护元件保护元件图图 5.4.1输入保护输入保护2.电源极性错接保护电源极性错接保护保护元件：保护元件：VD1、VD23.输出端错接保护输出端错接保护保护元件：稳压管保护元件：稳压管 VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuIR 图图 5.4.3利用稳压管保护运放利用稳压管保护运放图图 5.4.2电源接错保护电源接错保护