第二章集成运算放大器及其应用PPT讲稿.ppt
第二章集成运算放大器及其应用第1页，共49页，编辑于2022年，星期二1.1.1.1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.2.了解差动放大电路的工作原理和性能特点。了解差动放大电路的工作原理和性能特点。了解差动放大电路的工作原理和性能特点。了解差动放大电路的工作原理和性能特点。3.3.3.3.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运 算放算放算放算放大器并掌握其基本分析方法。大器并掌握其基本分析方法。大器并掌握其基本分析方法。大器并掌握其基本分析方法。4.4.4.4.理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。5.5.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和理解用集成运放组成的比例、加减、微分和 积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器 的工作原理。的工作原理。的工作原理。的工作原理。6.6.6.6.理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求本章要求第2页，共49页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 直接耦合直接耦合直接耦合：直接耦合：直接耦合：直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2+RE2第3页，共49页，编辑于2022年，星期二2.2.零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移：零点漂移：零点漂移：零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生指输入信号电压为零时，输出电压发生 缓慢地、无规则地变化的现象。缓慢地、无规则地变化的现象。产生的原因：产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压晶体管参数随温度变化、电源电压 波动、电路元件参数的变化。波动、电路元件参数的变化。直接耦合存在的两个问题：直接耦合存在的两个问题：直接耦合存在的两个问题：直接耦合存在的两个问题：1.1.前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响前后级静态工作点相互影响零点漂移的危害：零点漂移的危害：零点漂移的危害：零点漂移的危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。电压还是漂移电压。第4页，共49页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 差动放大电路差动放大电路一一一一.典型差动放大电路典型差动放大电路 差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。两管两管静态工作静态工作点相同点相同结构对称：结构对称：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=RbR RE E的作用：的作用：的作用：的作用：稳定静态工作点，稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。限制每个管子的漂移。EE：用于补偿：用于补偿RE上的压降，以获得合上的压降，以获得合适的工作点。适的工作点。+_o2Ru+T+TCC1R+EEue2oVRCcV+i2uui1uo1第5页，共49页，编辑于2022年，星期二 1 1.差动放大电路一般有两个输入端：差动放大电路一般有两个输入端：双端输入双端输入从两输入端同时加信号。从两输入端同时加信号。单端输入单端输入仅从一个输入端仅从一个输入端对地对地加信号。加信号。2.2.差动放大电路可以差动放大电路可以有两个输出端。有两个输出端。双端输出双端输出从从C C1 1 和和C C2 2输出。输出。单端输出单端输出从从C C1 1或或C C2 2 对地输出。对地输出。几个基本概念几个基本概念+_o2Ru+T+TCC1R+EEue2oVRCcV+i2uui1uo1第6页，共49页，编辑于2022年，星期二静态工作点的计算：静态工作点的计算：忽略忽略Ib，有有：UB1=UB2=0V一一一一.典型差动放大电路典型差动放大电路+_o2Ru+T+TCC1R+EEue2oVRCcV+i2uui1uo1第7页，共49页，编辑于2022年，星期二1.1.差模信号差模信号差模信号差模信号 ui1i1=-=-ui2i2=ui i/2/2若若ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 iRe不变不变 uE不变不变二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理+_RT+TCC1REEue2VRccV+i2uui1oiu2iu2IReEo2u+uo1LR+2+Eid2TuTi1id1RRu c c+i22uuuEu+o1ou o2由于两管电流变化量异号等值，故由于两管电流变化量异号等值，故RE电流变化量为零，电流变化量为零，即即RE对差模信号不起作用，相当于接地点对差模信号不起作用，相当于接地点。第8页，共49页，编辑于2022年，星期二+2+Eid2TuTi1id1RRu c c+i22uuuEu+o1ou o2（1 1）双端输出差模电压放大倍数：）双端输出差模电压放大倍数：因为因为ui1=-ui2=ui i/2/2设设ui1 ,ui2 uo1 ,uo2 。电路对称电路对称uo1=uo2 uo=uo1 uo2=2 uo1 差模电压放大倍数差模电压放大倍数 二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理1.差模信号差模信号第9页，共49页，编辑于2022年，星期二 二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理（2 2）单端输出差模电压放大倍数：）单端输出差模电压放大倍数：1.差模信号差模信号+_cu+V2uRLi2o1TeRRi1cVCCuEE+1TR+第10页，共49页，编辑于2022年，星期二+_o2Ru+T+TCC1R+EEue2oVRCcV+i2uui1uo12.2.零点漂移的抑制零点漂移的抑制零点漂移的抑制零点漂移的抑制(无输入信号无输入信号无输入信号无输入信号)uo=VC1 VC2 =0uo=(VC1+VC1 )(VC2+VC2)=0静态时，静态时，ui1=ui2 =0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移有抑制作用对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移有抑制作用 二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理第11页，共49页，编辑于2022年，星期二+_o2Ru+T+TCC1R+EEue2oVRCcV+i2uui1uo12.零点漂移的抑制零点漂移的抑制(无输入信号无输入信号)uo=VC1 VC2 =0静态时，静态时，ui1=ui2 =0 如果是单端输出则依靠射极电阻如果是单端输出则依靠射极电阻如果是单端输出则依靠射极电阻如果是单端输出则依靠射极电阻R Re e的直流负反馈作用抑制零点的直流负反馈作用抑制零点的直流负反馈作用抑制零点的直流负反馈作用抑制零点漂移，并且漂移，并且漂移，并且漂移，并且Re越大，则共模负反馈作用越强，抑制零点漂移越大，则共模负反馈作用越强，抑制零点漂移越大，则共模负反馈作用越强，抑制零点漂移越大，则共模负反馈作用越强，抑制零点漂移的效果越好。但的效果越好。但的效果越好。但的效果越好。但R Re e对差模信号无负反馈作用对差模信号无负反馈作用对差模信号无负反馈作用对差模信号无负反馈作用 二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理第12页，共49页，编辑于2022年，星期二 两管集电极电位变化相同两管集电极电位变化相同 VC1=VC2，所以输出所以输出电压为零，即电压为零，即对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力。3.3.共模信号共模信号共模信号共模信号 u ui1 i1=u ui2i2大小相等、极性相同大小相等、极性相同 差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。漂移的抑制水平。共模信号共模信号需要抑制需要抑制二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理+_ _o2Ru+T+TCC1R+EEue2oVRCcV+i2uui1uo1第13页，共49页，编辑于2022年，星期二3 3 差动输入差动输入差动输入差动输入 u ui1 i1、u ui2 i2 大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。可分解成可分解成:ui1=uiC+uiD uiC：共模信号共模信号uiD：差模信号差模信号差模信号差模信号 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。统中是常见的。差模信号：差模信号：共模信号共模信号：二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理ui2=uiC-uiD 第14页，共49页，编辑于2022年，星期二3 3 比较输入比较输入比较输入比较输入 二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理对于线性对称放大器，可用叠加原理：对于线性对称放大器，可用叠加原理：双端输出时：双端输出时：差动放大电路只放大两输入信号的差值，差动放大电路只放大两输入信号的差值，能有效抑制零漂或共模信号能有效抑制零漂或共模信号差动放大器差动放大器的差值特性的差值特性第15页，共49页，编辑于2022年，星期二（Common Mode Rejection Ratio)全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。号的能力。差模放大倍数差模放大倍数差模放大倍数差模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数共模放大倍数 KCMR越大，说明差放分辨越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。共模信号的能力越强。4.4.共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比 二二.差动放大电路工作原理差动放大电路工作原理分贝分贝(dB)第16页，共49页，编辑于2022年，星期二 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac=0 输出电压输出电压 u uo o=A Ad d （u ui1 u ui2 i2）=Ad u uidid 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0，实际输出电压实际输出电压 u uo o=A Ac c u uic ic+A Ad d u uid 即共模信号对输出有影响即共模信号对输出有影响。第17页，共49页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 集成运算放大器的简介集成运算放大器的简介一、一、一、一、集成运放的组成集成运放的组成集成运放的组成集成运放的组成 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级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。模拟集成电路。第18页，共49页，编辑于2022年，星期二+UCCUEEuouu+电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级中间级中间级输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放都采用带恒流源的差放。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共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。发射极放大电路构成。输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，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。一般由互补对称电路或射极输出器构成。第19页，共49页，编辑于2022年，星期二二、集成运算放大器的特点二、集成运算放大器的特点特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo 高高:80dB140dB rid 高高:105 1011 ro 低低:几十几十 几百几百 KCMR高高:70dB130dB三、符号、外引线与参数三、符号、外引线与参数1、符号、符号第20页，共49页，编辑于2022年，星期二2、外引线、外引线第21页，共49页，编辑于2022年，星期二3 主要参数主要参数1.最大输出电压最大输出电压 U UOPPOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.2.开环差模电压增益开环差模电压增益开环差模电压增益开环差模电压增益 A Au uo o 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。A Au uo o愈高，愈高，愈高，愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.6.共模输入电压范围共模输入电压范围共模输入电压范围共模输入电压范围 U UICMICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放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。的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好3.3.输入失调电压输入失调电压输入失调电压输入失调电压 U UIOIO4.4.输入失调电流输入失调电流输入失调电流输入失调电流 I IIOIO5.5.输入偏置电流输入偏置电流输入偏置电流输入偏置电流 I IIBIB第22页，共49页，编辑于2022年，星期二四、四、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1.理想运算放大器的理想化条件理想运算放大器的理想化条件Auo ，rid ，ro 0，KCMRR 2.电压传输特性电压传输特性 uo=f(ui)线性区：线性区：uo=Auo(u+u)饱和区饱和区(非线性区非线性区)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+0 ui=Ui u u 时，时，时，时，u uo o=+=+Uo o (sat)(sat)u+uUR 时，时，uo=Uo(sat)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)即即 uiUR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第47页，共49页，编辑于2022年，星期二2、过零电压比较器、过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波uouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoO OUR=0tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O第48页，共49页，编辑于2022年，星期二3 3、输出带限幅的电压比较器、输出带限幅的电压比较器、输出带限幅的电压比较器、输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则 ui U UR R，u uo o=U UZ ZUZ UZuoRDZURuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o =U Uo o(sat)(sat)第49页，共49页，编辑于2022年，星期二
