第五章集成运算放大器优秀PPT.ppt

第五章集成运算放大器第一页，本课件共有42页直直流流放放大大器器：用用来来放放大大缓缓慢慢变变化化的的信信号号或或某某个个直直流流量量的的变化的放大电路。变化的放大电路。5.1直流放大器直流放大器直直流流放放大大器器比比阻阻容容耦耦合合放放大大器器在在低低频频端端有有更更好好的的幅幅频频特特性。直流放大器也可放大交流信号。性。直流放大器也可放大交流信号。直直流流放放大大器器的的幅幅频频特特性性如如图图（a）所所示示。阻阻容容耦耦合合放放大大器器的的幅频特性如图（幅频特性如图（b）所示。）所示。（a）（b）第二页，本课件共有42页两两级级直接耦合放大器工作点相互影响示意直接耦合放大器工作点相互影响示意图图如如图图所示。所示。5.1.1前后级静态工作点的相互影响前后级静态工作点的相互影响（1）C1、B2 断断开开。计计算算放放大大器器的的静静态态工工作作点点。V1管管处处于放大状于放大状态态。5.1直流放大器直流放大器第三页，本课件共有42页（2）C1、B2连连接接。VBE2=0.7 V，迫迫使使 VCE1=VBE2=0.7 V，V1 管处于饱和状态，失去放大功能，管处于饱和状态，失去放大功能，V2 而处于深饱和状态。而处于深饱和状态。5.1直流放大器直流放大器图图（a）中中在在射射极极上上加加了了电电阻阻 Re2，可可抬抬高高 V2 管管的的射射极极电电位位，因因 VCE1=VBE2+VE2，这这样样，前前级级的的 VCE1 提提高高了了。后后级级的的 VBE2 也也有有了了合合适适的的值值，信信号号就就可可以以放放大大并并耦耦合合到到后后级级，不不过过，由由于于引引入入了了电电流流负负反反馈馈，使使放放大大器器增益下降。增益下降。改善电路如图所示。改善电路如图所示。第四页，本课件共有42页图图（b）采用硅）采用硅稳压稳压管代替管代替电电阻，其阻，其电电流流负负反反馈馈作用减小。作用减小。5.1直流放大器直流放大器第五页，本课件共有42页图图（c）采采用用 NPN 管管和和 NPN 管管组组成成互互补补耦耦合合电电路路，也也能能改改善前后善前后级级工作点互相工作点互相牵牵制。制。5.1直流放大器直流放大器第六页，本课件共有42页结论结论：1什么是零点漂移什么是零点漂移2零点漂移的表示方法零点漂移的表示方法输输入入零零漂漂：把把输输出出端端零零点点漂漂移移电电压压除除以以放放大大器器放放大大倍倍数数，得到的数就是等效到输入端的零点漂移电压，简称输入零漂。得到的数就是等效到输入端的零点漂移电压，简称输入零漂。（1）第第一一级级零零漂漂所所产产生生的的作作用用最最显显著著，因因为为它它受受到到后后面面各各级放大器放大。要减小零漂必须着重解决第一级。级放大器放大。要减小零漂必须着重解决第一级。（2）放大器的总的放大倍数越高，输出电压的漂移越严重。）放大器的总的放大倍数越高，输出电压的漂移越严重。输输入入零零漂漂确确定定了了直直流流放放大大电电路路正正常常工工作作时时，所所能能放放大大的的有有用用信号的最小值。信号的最小值。5.1.2零点漂移现象零点漂移现象5.1直流放大器直流放大器第七页，本课件共有42页3抑制零漂的措施抑制零漂的措施（2）采用单级或级间负反馈来稳定工作点，以减小零点漂移。）采用单级或级间负反馈来稳定工作点，以减小零点漂移。（4）采用差分放大电路抑制零漂。）采用差分放大电路抑制零漂。（3）采采用用直直流流稳稳压压电电源源，减减小小由由于于电电源源电电压压波波动动所所引引起起的的零零点点漂移。漂移。（1）选用稳定性能好的硅三极管作放大管。）选用稳定性能好的硅三极管作放大管。5.1直流放大器直流放大器第八页，本课件共有42页（1）对共模信号的抑制作用）对共模信号的抑制作用原原理理：温温度度变变化化时时，两两集集电电极极电电流流增增量量相相等等，即即 IC1=IC2使使极极电集电压变化量相等。电集电压变化量相等。因此，该电路能有效抑制零漂。因此，该电路能有效抑制零漂。输出电压变化量：输出电压变化量：5.2差分放大电路差分放大电路电路有效地抑制零点漂移。电路有效地抑制零点漂移。若电源电压升高时，仍有若电源电压升高时，仍有 特点：左右电路完全对称。特点：左右电路完全对称。差分放大差分放大电电路如路如图图所示。所示。第九页，本课件共有42页共模信号共模信号：大小相等，极性相同的输入信号称为共模信号。：大小相等，极性相同的输入信号称为共模信号。差模信号差模信号：大小相等，极性相反的信号称为差模信号。：大小相等，极性相反的信号称为差模信号。（2）对差模信号的放大作用）对差模信号的放大作用差模输入差模输入：输输入差模信号的入差模信号的输输入方式称入方式称为为差模差模输输入。入。共模输入共模输入：输输入共模信号的入共模信号的输输入方式称入方式称为为共模共模输输入。入。5.2差分放大电路差分放大电路第十页，本课件共有42页放大器为差模输入放大器为差模输入放大器双端输出电压放大器双端输出电压差分放大电路的电压放大倍数为差分放大电路的电压放大倍数为可见它的放大倍数与单级放大电路相同。可见它的放大倍数与单级放大电路相同。5.2差分放大电路差分放大电路第十一页，本课件共有42页（3）共模抑制比）共模抑制比共共模模抑抑制制比比：差差模模放放大大倍倍数数与与共共模模放放大大倍倍数数的的比比值值称称为为共共模抑制比。模抑制比。第一，要做到电路完全对称是十分困难的。第一，要做到电路完全对称是十分困难的。第第二二，若若需需要要单单端端输输出出，输输出出端端的的零零点点漂漂移移仍仍能能存存在在，因而该电路抑制零漂的优点就荡然无存了。因而该电路抑制零漂的优点就荡然无存了。缺点：缺点：5.2差分放大电路差分放大电路第十二页，本课件共有42页改改进进电电路路如如图图（b）所所示示。在在两两管管发发射射极极接接入入稳稳流流电电阻阻Re。使使其其即即有有高高的的差差模模放放大大倍倍数数，又又保保持持了了对对共共模模信信号号或或零零漂漂强强抑抑制能力的优点。制能力的优点。在在实实际际电电路路中中，一一般般都都采采用用正正负负两两个个电电源源供供电电，如如图图所所示示（c）所示。所示。5.2差分放大电路差分放大电路第十三页，本课件共有42页5.3.1集成运算放大器的基础知识集成运算放大器的基础知识1集成运放的组成和电路符号集成运放的组成和电路符号集集成成运运放放电电路路主主要要由由输输入入级级、中中间间级级、输输出出级级和和偏偏置置电电路路等等四部分组成，如图所示。四部分组成，如图所示。5.3集成运算放大器集成运算放大器第十四页，本课件共有42页 反反相相输输入入端端：输输入入信信号号在在该该端端输输入入时时，输输出出信信号号与与输输入信号相位相反。入信号相位相反。（2）中间级中间级：由高增益的电压放大电路组成。：由高增益的电压放大电路组成。（3）输出级输出级：由三极管射极输出器互补电路组成。：由三极管射极输出器互补电路组成。（4）偏偏置置电电路路：为为集集成成运运放放各各级级电电路路提提供供合合适适而而稳稳定定的的静静态工作点。态工作点。集集成成运运放放电电路路符符号号如如图图所所示。示。同同相相输输入入端端：输输入入信信号号在在该该端端输输入入时时，输输出出信信号号与与输输入信号相位相同。入信号相位相同。（1）输入级输入级：由差分放大电路组成，有两个输入端。：由差分放大电路组成，有两个输入端。5.3集成运算放大器集成运算放大器新标准新标准旧标准旧标准 第十五页，本课件共有42页（1）开环差模电压放大）开环差模电压放大倍数倍数 AVO2集成运放的主要参数集成运放的主要参数无反馈时集成运放的放大倍数。无反馈时集成运放的放大倍数。（2）输入失调电压）输入失调电压 VIO 当当输输入入电电压压为为零零时时，为为了了使使放放大大器器输输出出电电压压为为零零，在在输输入入端端外外加加的的补补偿偿电电压压，反反映映了了运运放放的的失失调调程程度度。VIO 越越小小，输输入入级级对对称称性性越好。越好。（3）输入）输入失调电流失调电流 IIO 输输入入信信号号为为零零时时，运运放放两两输输入入端端的的基基极极静静态态电电流流不不相相等等，其其差差值值称称为为输输入入失失调调电电流流 IIO。数数值值越越小小，表表明明输输入入级级管管子子 的的对对称称性性越越好。好。5.3集成运算放大器集成运算放大器第十六页，本课件共有42页（4）共模抑制比共模抑制比 KCMR开开环环情情况况下下，差差模模放放大大倍倍数数 AVD 与与共共模模放放大大倍倍数数 AVC 之之比比，KCMR 越大，运放对零漂的抑制能力越强。越大，运放对零漂的抑制能力越强。（5）输出电压）输出电压峰峰 峰值峰值 VOPP放大器在空载情况下，输出的最大不失真电压的峰峰值。放大器在空载情况下，输出的最大不失真电压的峰峰值。5.3集成运算放大器集成运算放大器第十七页，本课件共有42页3理想集成运放理想集成运放理想运放的条件：理想运放的条件：（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数（2）输入电阻）输入电阻=；（3）输出阻抗）输出阻抗=；（4）共模抑制比）共模抑制比=；结论：结论：理想运放的两输入端电位差趋于零。理想运放的两输入端电位差趋于零。理想运放的输入电流趋于零。理想运放的输入电流趋于零。5.3集成运算放大器集成运算放大器=；第十八页，本课件共有42页1反相比例运算放大器反相比例运算放大器（1）电路结构）电路结构反相比例运算放大器电路及其等效电路如图所示。反相比例运算放大器电路及其等效电路如图所示。Rf 引入引入电电压负反馈。压负反馈。5.3.2集成运算放大器构成的基本运算电路集成运算放大器构成的基本运算电路5.3集成运算放大器集成运算放大器第十九页，本课件共有42页虚虚短短：N、P 两两点点电电位位相相同同，相相当当于于短短路路，但但内内部部并并未未短短路路，称为称为“虚假短路虚假短路”。虚虚地地：N 端端称称“虚虚地地”。并并非非真真正正“接接地地”。是是反反相相输输入入运运放放的的一个重要特点。一个重要特点。5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十页，本课件共有42页（2）闭环放大倍数）闭环放大倍数 只取决于外接反馈电阻只取决于外接反馈电阻（3）结论结论：反相输入比例运算电路的闭环放大倍数：反相输入比例运算电路的闭环放大倍数 之比，与集成之比，与集成运放本身参数无关；运放本身参数无关；输出电压与输入电压成比例关系，相输出电压与输入电压成比例关系，相与输入端电阻与输入端电阻5.3集成运算放大器集成运算放大器位相反。位相反。第二十一页，本课件共有42页引入电压串联负反馈。引入电压串联负反馈。2同相比例运算放大器同相比例运算放大器（1）电路结构）电路结构相比例运算放大器电路如图所示。相比例运算放大器电路如图所示。5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十二页，本课件共有42页（3）结论）结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与：同相输入比例运算电路的放大倍数与 无无 关，只取决于关，只取决于 与与 的比值；输出电压与输入电压同相且的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。成比例关系。（2）闭环放大倍数）闭环放大倍数 AVF 5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十三页，本课件共有42页1运算电路运算电路5.3.3集成运算放大构成的应用电路集成运算放大构成的应用电路（1）加法运算电路（加法器）加法运算电路（加法器）电路组成电路组成5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十四页，本课件共有42页 加法运算关系加法运算关系在在虚地点虚地点N，因，因 整理可得整理可得所以有所以有 若取若取，则，则 若取若取=R，则，则 结结论论：电电路路的的输输出出电电压压等等于于各各输输入入电电压压之之和和，完完成成了了加加法运算。法运算。5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十五页，本课件共有42页减减法法运运算算电电路路是是一一个个既既有有反反相相输输入入信信号号又又有有同同相相输输入入信信号的双端输入的运算放大器电路。号的双端输入的运算放大器电路。（2）减法运算电路（减法器）减法运算电路（减法器）电路组成电路组成5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十六页，本课件共有42页因为因为，则，则，于是有于是有和和上式中上式中和和因因，故，故 为为使使电电路平衡，路平衡，选择选择，得，得 减法运算关系减法运算关系5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十七页，本课件共有42页 结论结论：输出电压正比于两个输入电压之差，该电路完成了减法运：输出电压正比于两个输入电压之差，该电路完成了减法运算。算。该电该电路又可以看成差分运放路又可以看成差分运放电电路。可由路。可由图图（b）和（）和（c）输输出出电压电压可看成是两个可看成是两个输输入入电压电压分分别别作用于差分式减法运算器又叠加而成。作用于差分式减法运算器又叠加而成。故电路又称为减法器。故电路又称为减法器。如果如果=，则，则 5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十八页，本课件共有42页 例例 5-1 试写出图示电路的运算关系，已知试写出图示电路的运算关系，已知 第第二二运运放放为为差差分分输输入入减减法器，运用叠加原理法器，运用叠加原理。解解第一运放为同相比例运放。第一运放为同相比例运放。所以所以 5.3集成运算放大器集成运算放大器第二十九页，本课件共有42页 例例 5-2 集成运算能作为反相器或电压跟随器使用吗？集成运算能作为反相器或电压跟随器使用吗？集成运放能作为反相器使用，如图（集成运放能作为反相器使用，如图（a）所示。）所示。集成运放也可作为电压跟随器，如图（集成运放也可作为电压跟随器，如图（b）所示。）所示。5.3集成运算放大器集成运算放大器第三十页，本课件共有42页2信号转换电路信号转换电路 电路组成电路组成为输入端电阻；为输入端电阻；为负载电阻；为负载电阻；为平衡电阻。为平衡电阻。信号转换原理信号转换原理输入电路中，输入电路中，负载电流与输入电压成正比。，负载电流与输入电压成正比。保持输入电压保持输入电压 恒定，则输出电流恒定，则输出电流 也就稳定不变。也就稳定不变。5.3集成运算放大器集成运算放大器（1）电压）电压/电流转换器电流转换器同相同相输输入式入式电压电压/电电流流转换转换器器电电路如路如图图所示。所示。第三十一页，本课件共有42页由由 有有 电电路路如如图图所所示示。输输出出电电压压与与输输入入电电流流成成正正比比，如如果果输输入入电电流流恒恒定定，只只要要阻阻值值稳稳定定，则则输输出出电电压压也是恒定的。也是恒定的。（2）电流）电流/电压转换器电压转换器5.3集成运算放大器集成运算放大器第三十二页，本课件共有42页、为隔直电容，其容量足够大，近似交流短路。为隔直电容，其容量足够大，近似交流短路。（3）交流耦合放大器）交流耦合放大器反反相相交交流流耦耦合合放放大大器器如如图图（a）所所示示。同同相相交交流流耦耦合合放放大大器器如如图图（b）所示。）所示。5.3集成运算放大器集成运算放大器第三十三页，本课件共有42页5.3集成运算放大器集成运算放大器高高输输入入电电阻阻交交流流放放大大器如图所示。器如图所示。用用途途：由由集集成成运运放放构构成成的的交交流流耦耦合合放放大大器器，在在音音频频范范围围内内有有着着广广泛泛的的用用途途。具具有有组组装装简简单单，调调整方便等整方便等优优点。点。特特点点：这这种种放放大大器器的的直直流流工工作作点点非非常常稳稳定定，放放大大器器的的增增益益取取决决于于元元件件的的参参数数，反反相相交交流流放放大大器器的的放放大大倍倍数数为为 ；同同相相交交流放大器的放大倍数流放大器的放大倍数为为 。第三十四页，本课件共有42页（4）集成运放正弦波振荡器）集成运放正弦波振荡器用用集集成成运运放放可可组组成成性性能能优优良良的的正正弦弦波波振振荡荡器器。图图示示为为RC 文文氏电桥振荡器。氏电桥振荡器。5.3集成运算放大器集成运算放大器第三十五页，本课件共有42页5.3集成运算放大器集成运算放大器由由于于功功放放电电路路后后级级通通常常工工作作在在大大电电流流、高高电电压压状状态态，因因此此在在输输出出功功率率管管的的芯芯片片内内，由由于于过过热热而而易易遭遭损损坏坏，目目前前常常采采用用将将功功率率管管从从芯芯片片内内搬搬走走，而而采采用用驱驱动动电电路路的的办办法法，使使电电路路故故障障率率明明显显下下降降。图图示示为为典型的功率典型的功率驱动电驱动电路。路。（5）集成运放功率驱动电路）集成运放功率驱动电路第三十六页，本课件共有42页（1）电源极性接反的保护）电源极性接反的保护1集成运放的保护措施集成运放的保护措施5.3.4集成运算放大器使用常识集成运算放大器使用常识5.3集成运算放大器集成运算放大器保保护护原原理理：利利用用二二极极管管的的单单向向导导电电性性，当当电电源源极极性性正正确确时时，它它正正常常导导通通；一一旦旦电电源源极极性性接接反反，二二极极管管反反偏偏截止，截止，电电源不通，保源不通，保护护了运放。了运放。如如图图所所示示。主主要要用用于于高高电电源源电电压压的的场合。场合。第三十七页，本课件共有42页无无论论是是输输入入信信号号的的极极性性是是正正是是负负只只要要超超过过二二极极管管导导通通电电压压，则则 VD1 或或 VD2 中中就就会会有有一一个个导导通通，导导通通压压降降为为 0.7 V 从从而而限限制制了了输输入入信信号号的幅度，起到了保的幅度，起到了保护护作用。作用。5.3集成运算放大器集成运算放大器（2）输入保护）输入保护保保护电护电路如路如图图所示。所示。第三十八页，本课件共有42页（3）输出保护）输出保护若若输输入入端端出出现现过过高高电电压压，集集成成运运放放输输出出端端电电压压将将受受到到稳稳压压管管稳稳压压值值的限制，将其的限制，将其稳稳定在安全范定在安全范围围内。内。5.3集成运算放大器集成运算放大器保保护电护电路如路如图图所示。所示。第三十九页，本课件共有42页2集成运放常见故障分析集成运放常见故障分析（1）不能调零）不能调零出出现现这这种种故故障障是是输输出出电电压压处处于于极极限限状状态态，或或接接近近正正电电源源，或或接接近近负负电电源源。如如果果这这是是开开环环调调试试，则则属属正正常常情情况况。当当接接成成闭闭环环后后，若若输输出出电电压压仍仍在在某某一一极极限限值值，调调零零也也不不起起作作用用，则则可可能能是是接接线线错错误误、电电路路上上有虚焊点、或运放组件损坏。有虚焊点、或运放组件损坏。（2）阻塞）阻塞现现象象：运运放放工工作作于于闭闭环环状状态态下下，输输出出电电压压接接近近正正电电源源或或负负电源电压极限值，不能调零，信号无法输入。电源电压极限值，不能调零，信号无法输入。原原因因：输输入入信信号号过过大大或或干干扰扰信信号号过过强强，使使运运放放内内的的某某些些管管子子进进入入饱和或截止状态。饱和或截止状态。5.3集成运算放大器集成运算放大器第四十页，本课件共有42页排排除除方方法法：断断开开电电源源再再重重新新接接通通，或或将将两两个个输输入入端端短短接接一一下下即能恢复正常。即能恢复正常。（3）自激）自激现现象象：工工作作不不稳稳定定，当当人人体体或或金金属属物物靠靠近近它它时时，表表现现更更为为显显著。著。排排除除方方法法：可可重重新新调调整整 RC 补补偿偿元元件件参参数数，加加强强正正、负负电电源源退退耦或在反馈电阻两端并联电容等。耦或在反馈电阻两端并联电容等。原原因因：RC 补补偿偿元元件件参参数数不不恰恰当当，输输出出端端有有容容性性负负载载或或接接线线太长等。太长等。5.3集成运算放大器集成运算放大器第四十一页，本课件共有42页本章小结本章小结2差差分分放放大大器器的的重重要要特特性性：（1）差差分分放放大大电电路路具具有有良良好好的的对对称称结结构构；（2）差差分分放放大大器器具具有有放放大大差差模模信信号号的的能能力力；（3）差差分分放放大大器具有抑制共模信号的能力。器具有抑制共模信号的能力。3集集成成运运放放的的主主要要特特性性：（1）开开环环电电压压放放大大倍倍数数很很高高；（2）开开环环输输入入电电阻阻很很高高；（3）输输出出电电阻阻很很低低；（4）共共模模抑抑制制比很大。比很大。4集成运放常集成运放常见见的故障：不能的故障：不能调调零、阻塞和自激。零、阻塞和自激。1直直耦耦放放大大器器存存在在的的两两个个问问题题：（1）前前后后级级静静态态工工作作点点相相互互牵牵制；（制；（2）零点漂移现象。）零点漂移现象。第四十二页，本课件共有42页