第五章集成运算放大器课件.ppt
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1、第五章第五章 集成运算放大器集成运算放大器 5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 5.2 理想集成运放及其分析特点理想集成运放及其分析特点 5.3 集成集成运运算放大器的线性应用算放大器的线性应用5.4 有源滤波电路有源滤波电路 5.5 电压比较器电压比较器 集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。为了抑制零点漂移,所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。为了提高放大倍数,中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路,为提高此电路的带负载能力,多采用互补对称输出级电路。5.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介输入级中间级输出
2、级偏置电路UoUi图5-1 集成运放框图 集成运放的内部电路一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。5.1.1 集成运算放大器的电路构成及特点集成运算放大器的电路构成及特点 15 VV2V1V3V4V5V6V7R1R2R3ICV8V9I34R4V12V17V16V11V10V13R5IR30 pFR7R8V15V18V19V14VD1VD2R9R10 15 V8uiIC1 k50 kRw3 k39 kC4.5 k7.5 k50 k25 kuo外接调零电位器输入级偏置电路中间级输出级9IC101 k图图 5 2 F007的电路原理图的电路原理图1 偏置电路偏置电路 UCC UEER5V11R
3、4V10V12V13至中间级IR至输入级I34IC9V9V8IC8IC13IC10图图 5-3F007的偏置电路的偏置电路 51112RUUUUIBEBEEECCR34910IIICC2 输入级输入级 V8V9V2V4I34UoV61 k 50 k 1 k V7V5V3V1 15 V 15 VI ICIC9Ui1Ui21 k 10 k 10图 5 4 的输入级 F007 V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1、IC2,从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下:910981234CCCCIIIIIIITCC(因为IC10是恒定电流)12CCI
4、I34CCII3 中间级中间级 7.5 kR84.5 kR7R539 kIR30 pFV16V11V17V12V13IC133 kV10Ui15 V至输出级15 VV15图 5 5F0 0 7的中间级 4 输出级和过载保护输出级和过载保护 V15VD1VD2R7R8V16V17V18V19R10R9V14V13Ui15 V15 VUo图 5-6F0 0 7的输出级 5.1.2 集成运放的性能指标集成运放的性能指标 1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod Aod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数,即idoodUUA 对于集成运放而言,希望Aod大,且稳定。目前高增
5、益集成运放的Aod可高达140dB(107倍),理想集成运放认为Aod为无穷大。2.最大输出电压最大输出电压U op-p 0.1 0.2 0.3 0.4Uid/mV0.10.20.30.41010线性区Uo/VUid0图图 5 7 集成运放的传输特性集成运放的传输特性 3.差模输入电阻差模输入电阻rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧,故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。F007的rid=2 M。认为理想集成运放的rid为无穷大。4.输出电阻输出电阻ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负
6、载能力。有时只用最大输出电流Io max表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的ro为零。5.共模抑制比共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力,其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好,理想集成运放的CMRR为无穷大。6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uid max 从集成运放输入端看进去,一般都有两个或两个以上的发射结相串联,若输入端的差模电压过高,会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏,PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏,如F007的U id max为30V。7.最大共模输入电压最大共模输入电压U ic max 输入端共模信号超过一定数值后,集成运放
7、工作不正常,失去差模放大能力。F007的Uic max值为13V。8.输入失调电压输入失调电压UIO 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器),它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求输入信号为零时,输出也为零,但实际中往往输出不为零,将此电压折合到集成运放的输入端的电压,常称为输入失调电压UIO。其值在110mV范围,要求愈小愈好。9.输入偏置电流输入偏置电流IIB和输入失调电流和输入失调电流IIO 输入偏置电流是指输入差放管的基极(栅极)偏置电流,用 表示;而将IB1、IB2之差的绝对值称为输入失调电流IIO,即 IIB和IIO愈小,它
8、们的影响也愈小。IIB的数值通常为十分之几微安,则IIO更小。F007的IIB=200nA,IIO为50100nA。)(21211BBBIII211BBOIII 10.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 和输入失调电流温漂和输入失调电流温漂 它们可以用来衡量集成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿UIO、IIB、IIO的影响,使直流输出电压调至零伏,但却很难补偿其温度漂移。低温漂型集成运放 可做到0.9V/以下,可做到0.009A/以下。F007的dTdUo1dTdIo1dTdUo1dTdIo1CnAdTdICVdTdUOo/1,/302011 11.-3dB带宽带宽fh 随着输入信号频率上升
9、,放大电路的电压放大倍数将下降,当Aod下降到中频时的0.707倍时为截止频率,用分贝表示正好下降了3dB,故对应此时的频率fh称为上限截止频率,又常称为-3dB带宽。当输入信号频率继续增大时,Aod继续下降;当Aod=1时,与此对应的频率fc称为单位增益带宽。F007的fc=1MHz。12.转换速率转换速率SR 频带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中,有时需要集成运放工作在大信号情况(输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压U op-p),此时用转换速率表示其特性dtdUSRo直流指标:。、dTdIdTdUIIUOOIBOO1111小信号指标:choidodffCMRRrrA、大信号指
10、标:。、SRUUIUicidopopmaxmaxmax5.2 理想集成运放及其分析特点理想集成运放及其分析特点5.2.1 集成运放的理想化集成运放的理想化 理想集成运放是将实际运放理想化,原因是由于实际运放的一些主要技术参数接近理想化的缘故。运放理想化的目的:使分析过程简化,而这种近似分析引入的误差又在工程允许的范围内。运放理想化条件:运放理想化条件:(1)开环电压放大倍数Aod=;(2)输入电阻rid=;ric=;(3)输入偏置电流IB1=IB2=0;(4)失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂 均为零。(5)共模抑制比CMRR=;(6)输出电阻rod=0;(7)-3dB带宽fh=;(
11、8)无干扰、噪声。dTdIdTdUIOIO、1 集成运放的线性工作区集成运放的线性工作区 放大器的线性工作区是指输出电压Uo与输入电压Ui成正比时的输入电压Ui的取值范围。记作Ui minUi max。uoiuoiiuOAUUAUUUAUmaxmaxminmin,Uo与Ui成正比,可表示为 5.2.2 集成运放的传输特性集成运放的传输特性 代表运放同相输入端的电位;U代表运放反相输入端的电位;其中,与都是运放的差模输入电压,只是两者的规定正方向相反。当集成运放工作在线性区时,作为一个线性放大器件,它的输出信号和输入信号之间满足如下关系:UUUUUUUUUUAUUAUododo)(例如F007开
12、环时Aod=105,UOL=-10V,UOH=+10V,则其线性区为-0.1mV+0.1mV。如果外加负反馈,使闭环增益Auf=100,则mVVAUAUUmVVAUAUUufOHufoiufOLufoi1001.0100101001.010010maxmaxminminUUUUAUoodo0无究小量 对于理想运放,由于Aod=,Uo是有限值,所以当其工作在线性状态时,由公式(7-1)可得 00无究小量无究小量icicidrUIIrUII故2 集成运放的非线性工作区集成运放的非线性工作区 运放的非线性工作区是指其Uo与 不成比例时,的取值范围。在非线性工作区UUudoAU U正向饱合区UOHUO
13、L负向饱合区UoOU图 5 8 理想运放开环传输特性)47(,状态不定时当负向饱和时当正向饱和时当OHooLOLoOHoUUUUUUUUUUUUU 由于理想运放的rid=ric=,而输入电压总是有理值,所以不论输入电压是差模信号还是共模信号,流过两输入端的电流及均为无穷小量,即II0无穷小量II5.3 集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用5.3.1 比例运算电路比例运算电路 1.反相比例运算电路反相比例运算电路 UoRfI1IIfUiR1RI图 5 9 反相比例运算电路 因为 ,所以0I0RIU又因为 ,所以 0U1110RURUUIUUUii0U因为,所以 fII 1ifffoU
14、RRRIU1该式表明,Uo与Ui是比例关系,其比例系数是Rf/R1,负号表示Uo与Ui相位相反。作为一个放大器,其闭环增益、输入电阻、输出电阻分别为所以 0111oiiffioufrRIUrRRUUA2.同相比例运算电路同相比例运算电路 UoRfI1IfUiR1RII图 5 10 同相比例运算电路 因为 ,所以0IiiUURIU因为 ,所以 0IiffffoifURRRRRRIRIURUII11111111IUrRRUUAiifiouf110or电压增益 输入电阻 输出电阻 若图 5-10 中的R1=或Rf=0,则Uo=Ui,此时,该电路构成电压跟随器,分别如图 5-11(a)、(b)所示。图
15、 5-11(a)中,Rf具有限流保护作用,R=Rf,以满足平衡条件RfUoRUi(a)UoUi(b)图 5 11 电压跟随器 3.差动比例运算电路差动比例运算电路 UoR1RfR2RpUi1Ui2Ii图 5 12 差动比例运算电路 21oooUUU)(111211foifoRRRUUURRU1222212112112ipippfoippfoippURRURRRRRRUURRRRPRUURRRUU因为 所以 所以 若满足平衡条件 R1Rf=R2Rp,则 1212ififoURRURRU若满足对称条件 R1=R2,Rf=Rp,则)()(211211iifoiifoUURRUUURRU或 当满足对称
16、条件时,其差模电压增益Aud为 02112121oiiiidfiioudrRRIUUrRRUUUA差模输入电阻为 输出电阻 5.3.2 加法运算电路加法运算电路1.反相加法运算电路反相加法运算电路 UoR1RfR2I3R3I2I1RIIfUi1Ui2Ui3图 5 13 反相求和电路 因为Rf引入负反馈,所以运放工作在线性区,故。0,0RUUII321321321RURURUIIIIiiif321321ifififoffoURRURRURRURIU反相求和电路可以模拟如下方程:)(221100XaXaXaY例如,要求用集成运算放大器实现)52(321iiioUUUU如果Rf=100k,电路如图5
17、-13所示,则只要选取 21RRfkR50112RRf53RRfkR1002kR203则kkkkkR1.1120/100/100/50图 5-13 所示电路对 呈现的输入电阻分别为321iiiUUU、0332211332211oiiiiiirRIUrRIUrRIUr输出电阻为 2.同相求和电路同相求和电路 UoRfRbIcRcIbIaIIfRaR1I1Ui1Ui2Ui3图 5 14 同相求和电路 因为 ,所以UUI,0URRRRRRURRIRIRIUfffffo11111111)()(因为 所以,0I0cbaIII0321cibiaiRUURUURUU即 因为 cibiaiRURURURU32
18、1式中 R=RaRbRc,所以cibiaifoRURURURRRRU32111若满足平衡条件R=RaRbRc=R=R1Rf,则321icfibfiafoURRURRURRU该电路对 所呈现的输入电阻分别为321iiiUUU、bacciicabbiicbaaiiRRRIUrRRRIUrRRRIUr/332211输出电阻为 0or3.代数求和电路代数求和电路 UoR2RfR3R1R4Ui1Ui2Ui3Ui4图 5 15 代数求和电路 令 ,在 作用下,则043iiUU21iiUU 和021iiUU 令 ,在 作用下,则43iiUU 和21121ififoURRURRU)(43243ififoURR
19、URRRRU式中,R=R3R4,R=R1R2Rf故 2143122143)(ififififoooURRURRURRURRRRUUU若满足平衡条件 R=R,则21432143ififififoURRURRURRURRUUoRfRfR1R2RR4RfR3RUo1Ui3Ui4Ui1Ui2图 5 16 代数求和电路的常用形式 由于理想运放的输出电阻为零,所以其输出电压Uo不受负载的影响。当多级理想运放相连时,后级对前级的输出电压Uo不产生影响。2114312143ififoffoififoURRURRURRUURRURRU21432143ififififoURRURRURRURRU5.3.3 积分电
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