劳动版(第四版)电子技术基础第三章.ppt

第三章集成运算放大器及其应用3-1 差动放大电路差动放大电路3-2 集成运算放大器概述集成运算放大器概述3-3 集成运算放大器的基本电路集成运算放大器的基本电路3-4 集成运算放大器的应用电路集成运算放大器的应用电路3-5 集成运放的使用常识集成运放的使用常识可放大直流信号和缓慢变化信号可放大直流信号和缓慢变化信号 直接耦合放大路直接耦合放大路：一、零点漂移一、零点漂移输入电压为零、输出电压不为零输入电压为零、输出电压不为零的现象，称为的现象，称为零点漂移现象零点漂移现象，零点漂移简称零点漂移简称零漂零漂。零点漂移现象：零点漂移现象：在阻容耦合和变压器耦在阻容耦合和变压器耦合放大电路中，也存在合放大电路中，也存在零点漂移，但这种缓慢零点漂移，但这种缓慢的漂移信号不会传递到的漂移信号不会传递到下一级被进一步放大。下一级被进一步放大。3-1 差动放大电路差动放大电路产生的原因：产生的原因：如温度的变化，电源电压波动以及电路元件参数的变化等。如温度的变化，电源电压波动以及电路元件参数的变化等。缺点缺点:由于由于零点漂移零点漂移的存在，的存在，使得输出端既有被放大的真信号，使得输出端既有被放大的真信号，又有零点漂移产生的漂移信号，当漂移信号可以与输出端的有又有零点漂移产生的漂移信号，当漂移信号可以与输出端的有用信号相比时，有用信号将被淹没，失去分辩能力。用信号相比时，有用信号将被淹没，失去分辩能力。对于对于一个多级直接耦合的放大电路一个多级直接耦合的放大电路，级数越多，放大，级数越多，放大倍数越倍数越大，零点漂越严重大，零点漂越严重，会造成，会造成后级放大电路无法后级放大电路无法正常工作。正常工作。解决的办法：解决的办法：采用差动放大电路采用差动放大电路 抑制零点漂移是直接耦合放大器的突出问题抑制零点漂移是直接耦合放大器的突出问题二、基本差动放大电路二、基本差动放大电路 特点特点：a.两个输入端两个输入端,两个输出端两个输出端b.元件参数对称元件参数对称c.ui1=ui2 时时,uo=0能有效地克服零点漂移能有效地克服零点漂移ui2ui+-+-ui1+uo-1、电路组成、电路组成RR+VCCRE-VEE基本差动放大电路基本差动放大电路uo=UC1 UC2=02、工、工作原理作原理2IE+IC1UC1UC2uoIC2IB1IB2+-IB1=IB2IC1=IC2UC1=UC2ui1=ui2=0ui=0直流通路直流通路IE1IE2IE1=IE2（1）静态）静态ib1+uodui2ui+-ib2+-ui1ic2ic1uo1uo2（2）动态分析动态分析1）差模输入差模输入差模输入差模输入ui1=ui2差模输入电压差模输入电压uid=ui1 ui2=2ui1 差模输入放大电路差模输入放大电路使得：使得：ic1=ic2uo1=uo2差模输出电压差模输出电压uod=uc1 uc2=uo1 （uo2）差模电压放大倍数差模电压放大倍数大小相同大小相同 极性相反极性相反ib1=ib2=Ad1ie1=ie2ie=0ie1ie2=2uo1ie=0+2）共模输入共模输入共模输入共模输入ui1=ui2共模输出电压共模输出电压uic=ui1=ui2使得使得:ie1=ie2 ie1 ie2ue=2ie1RE共模输入电压共模输入电压uoc=uc1 uc2=0共模抑制比共模抑制比大小相同大小相同极性相同极性相同共模信号交流通路共模信号交流通路ui1uodui2uC1uC2共模放大倍数共模放大倍数3）共模抑制比）共模抑制比+VCCV1V2-VEERCRCRE衡量差动放大器的质量，即差模放大能力和共模抑制能力衡量差动放大器的质量，即差模放大能力和共模抑制能力三、三、具有电流源的差动放大电路具有电流源的差动放大电路增大共模放大倍数的思路：增大共模放大倍数的思路：增大增大RE用恒流源代替用恒流源代替RE特点：特点：直流电阻为有限值直流电阻为有限值动态电阻很大动态电阻很大（1）三极管电流源三极管电流源简化画法简化画法+VCCRLRERB1RB2ICI0ui1V1+VCCV2RCR1uodui2RCVEER2R3IC3V3ui1V1+VCCV2RCuodui2RCVEEI0电流源代替电流源代替差动电路中差动电路中的的RE（2）具有恒流源）具有恒流源的差动放大电路的差动放大电路一、集成运算放大电路组成一、集成运算放大电路组成输入级中间级输出级偏置电路组成框图组成框图为负载提供一定幅度的信号电压为负载提供一定幅度的信号电压和信号电流。一般采用输出电阻和信号电流。一般采用输出电阻很低的射极输出器或由射极输出很低的射极输出器或由射极输出器组成的互补对称功放电路。器组成的互补对称功放电路。使集成运放具有较强的放大使集成运放具有较强的放大能力能力。通常由多级共射极放通常由多级共射极放大器构成。大器构成。通常是具有较高输入电阻和较高通常是具有较高输入电阻和较高放大倍数的差动放大器，利用它放大倍数的差动放大器，利用它可以使集成运放获得尽可能高的可以使集成运放获得尽可能高的共模抑制比。共模抑制比。为各级提供所为各级提供所需的稳定的静需的稳定的静态工作电流态工作电流。3-2 集成运算放大器概述集成运算放大器概述电路符号电路符号实际上集成运放的引出端不止三个，但分析集成运放时，习惯上只画出图示中的三个端，其他接线端各有各的功能，但因对分析没有影响，故略去不画。反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端二、集成运放的封装和分类二、集成运放的封装和分类1、封装、封装集成运放封装有集成运放封装有塑料双列直插式塑料双列直插式、陶瓷扁平陶瓷扁平、金属圆壳金属圆壳封装等多种。封装等多种。2、分类、分类通用型通用型：专用型专用型：低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高低功耗型、高精度型、高速型、宽带型、高阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功阻型、高压型、低漂移型、低噪声型、大功率型等。率型等。三、集成运放的主要参数三、集成运放的主要参数 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo 输入失调电压输入失调电压Uio 输入失调电流输入失调电流Iio 输入偏置电流输入偏置电流IiB 最大差模输入电压最大差模输入电压Uidm 最大共模输入电压最大共模输入电压Uicm 差模输入电阻差模输入电阻 rid 开环输出电阻开环输出电阻ro 共模抑制比共模抑制比CMRR 开环差模电压放大倍数简称开环差模电压放大倍数简称“开环增益开环增益”，开环状，开环状态下，输出电压态下，输出电压Uo与输入差模电压（与输入差模电压（Ui1-Ui2）之比，即）之比，即Auo=Uo/（Ui1-Ui2）。）。Auo越大，器件的性能越稳定，其越大，器件的性能越稳定，其运算精度也就越高。运算精度也就越高。开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Auo 输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入端附输入电压为零时，为使输出电压为零，在输入端附加一个的补偿电压，该电压叫做输入失调电压（加一个的补偿电压，该电压叫做输入失调电压（Uio）。）。高质量产品高质量产品Uio一般在一般在1mv以下。以下。输入失调电压输入失调电压Uio 在输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差，在输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差，即即Iio=IiB1-IiB2。一般在。一般在0.010.1mA范围内，此值越小范围内，此值越小越好。越好。输入失调电流输入失调电流Iio 输入偏置电流输入偏置电流IiB 当输入信号为零时，两输入端所需的静态基极电当输入信号为零时，两输入端所需的静态基极电流的平均值，即流的平均值，即IiB=（IiB1+IiB2）/2。一般情况在。一般情况在1mA以以下。下。IiB越小零漂越小。越小零漂越小。最大差模输入电压最大差模输入电压Uidm 正常工作时，在两个输入端之间允许加载的最大差模正常工作时，在两个输入端之间允许加载的最大差模电压值，使用时差模输入电压不能超过此值。电压值，使用时差模输入电压不能超过此值。最大共模输入电压最大共模输入电压Uicm 两输入端之间所能承受的最大共模电压。如果共模输两输入端之间所能承受的最大共模电压。如果共模输入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降，甚入电压超过此值，集成运放的共模抑制性能明显下降，甚至造成器件的损坏。至造成器件的损坏。两输入端加入差模信号时的交流输入电阻。此值两输入端加入差模信号时的交流输入电阻。此值越大，集成运放向信号源索取的电流越小，运算精度越大，集成运放向信号源索取的电流越小，运算精度越高。越高。差模输入电阻差模输入电阻 rid 开环输出电阻开环输出电阻ro开环时的动态输出电阻。开环时的动态输出电阻。ro越小带载能力越强。越小带载能力越强。共模抑制比共模抑制比CMRR 综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能力。综合衡量运放的放大能力和抑制共模的能力。CMRR越大越好。越大越好。二、集成运算放大器的两种基本电路二、集成运算放大器的两种基本电路 一、集成运放的理想化一、集成运放的理想化3-3 集成运算放大器的基本电路集成运算放大器的基本电路一、集成运放的理想化一、集成运放的理想化1.理想集成运放的基本理想集成运放的基本概念概念（1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数Auo（2）差模输入电阻）差模输入电阻rid（3）开环输出电阻）开环输出电阻ro0（4）共模抑制比）共模抑制比CRMM（5）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。）没有失调现象，即当输入信号为零时，输出信号也为零。理想集成运放的符号理想集成运放的符号2.理想集成运放的电压传输特性理想集成运放的电压传输特性0-Uom+Uomuoui电压传输特性电压传输特性线性区非线性区非线性区+Uom-Uomuo与与ui是线性关系，即是线性关系，即集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性。集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性。“虚短虚短”“虚断虚断”uo只有两种可能，即只有两种可能，即+Uom和和-Uom“虚短虚短”不成不成立立“虚断虚断”仍成仍成立立二、集成运算放大器的两种基本电路二、集成运算放大器的两种基本电路“虚地虚地”R2=R1/R f平衡电阻：平衡电阻：特点：特点：1.为深度为深度电压并联负反馈电压并联负反馈，Auf=Rf /R 1uP=uN N=0“虚地虚地”1、反相比例运算放大电路、反相比例运算放大电路2.反相输入信号时，反相输入信号时，反相比例运算放大电路反相比例运算放大电路“虚短虚短”“虚断虚断”当当 R1=Rf 时，时，Auf =-1反相器反相器特殊地：特殊地：反相器反相器2、同相比例运算放大电路、同相比例运算放大电路 特点：特点：1.为深度为深度电压串联负反馈电压串联负反馈，Auf =1+Rf /R12.“虚短虚短”“虚断虚断”uP=uN N ，“虚短虚短”仍成立，但仍成立，但“虚地虚地”不成立不成立R2=R1/R f平衡电阻：平衡电阻：同相比例运算放大电路同相比例运算放大电路当当 R1=，Rf =0 时，时，Auf =1跟随器跟随器特殊地：特殊地：同相器 一、信号运算电路一、信号运算电路 二、电压比较器二、电压比较器3-4 集成运算放大器的应用电路集成运算放大器的应用电路线性应用：线性应用：电路引入了电路引入了负反馈，负反馈，非线性应用：非线性应用：电路电路开环开环或引入了或引入了正反馈，正反馈，集成运放工作在集成运放工作在线性区。线性区。集成运放工作在集成运放工作在非线性区。非线性区。（1）判断集成运放的工作区域。判断集成运放的工作区域。（2）根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行分根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路进行分析。析。分析集成运放应用电路的基本步骤是：分析集成运放应用电路的基本步骤是：一、一、信号运算电路信号运算电路1、加法运算电路、加法运算电路if i1+i2若若 Rf=R1=R2 uo=（ui1+ui2）平衡电阻：平衡电阻：加法运算电路加法运算电路则则利用叠加原理利用叠加原理ui2=0 ui1 使：使：2、减法运算电路、减法运算电路减法运算电路减法运算电路 反相比例运算放大电路反相比例运算放大电路ui2 使：使：ui1=0 同相比例运算放大电路同相比例运算放大电路组合组合和和R1/Rf=R2/R3 平衡电阻：平衡电阻：则：则：当当R1=R2，Rf=R3时时，上式，上式简简化化为为如果取如果取Rf=R1，则，则uo=ui2-ui1减法运算实际是差分电路减法运算实际是差分电路输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。二、电压比较器二、电压比较器集成运放工作在非线性区时，电路集成运放工作在非线性区时，电路开环开环或引入了或引入了正反馈。正反馈。uPuN时，时，uo=+Uom（高电平）（高电平）uPUR时，时，uo=-UomuiUR时，时，uo=+Uom门限电压为门限电压为UR因输入电压只跟一个参考电压因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，故此进行比较，故此电路称为电路称为“单门限电压比较器单门限电压比较器”。若若UR0 过零电压比较器过零电压比较器单门限电压比较器单门限电压比较器电路开环，集成运放工作在非线性区。电路开环，集成运放工作在非线性区。单门限电压比较器的传输特性曲线单门限电压比较器的传输特性曲线uiuo0UR-Uom+Uom单门限电压比较器的单门限电压比较器的特点特点：电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差电路结构简单、灵敏度高，但是抗干扰能力差 单门限电压比较器可实现波形的变换单门限电压比较器可实现波形的变换0tui单门限电压比较器单门限电压比较器把正弦波变为矩形波把正弦波变为矩形波2、双门限电压比较器双门限电压比较器输出电压输出电压uo经经Rf和和R1分压加到同相输入端，为分压加到同相输入端，为电路引入了电路引入了正反馈正反馈当当uo=+Uom时，门限电压用时，门限电压用UP1表示表示当输入电压当输入电压上升上升到到ui=UP1时，输出电压时，输出电压uo发生发生跳变跳变，由，由+Uom跳变为跳变为-Uom，集成运放工作在集成运放工作在非线性区非线性区。门限电压随之变为：门限电压随之变为：双门限电压比较器双门限电压比较器当输入电压当输入电压减小减小，直至，直至ui=UP2时，输出电压再度时，输出电压再度跳变跳变，由由-Uom跳变为跳变为+Uom。两个两个门门限限电压电压之差称之差称为为回差回差电压电压，用，用UP表示。表示。双门限电压比较器的传输特性曲线双门限电压比较器的传输特性曲线回差电压与参考电压无关回差电压与参考电压无关 uiuo0UP1UP2+Uom-Uom双门限电压比较器的抗干扰作用双门限电压比较器的抗干扰作用当输入电压当输入电压ui因受干扰或含有噪因受干扰或含有噪音信号时，只要变化幅度不超过音信号时，只要变化幅度不超过回差电压，输出电压就不会在此回差电压，输出电压就不会在此期间发生频繁地跳变，而仍保持期间发生频繁地跳变，而仍保持为比较稳定的输出电压波形为比较稳定的输出电压波形 一、正确使用集成运放一、正确使用集成运放1、调零、调零外接调零电位器的调零电路外接调零电位器的调零电路3-5 集成运放的使用常识集成运放的使用常识外加补偿电压的方法进行调零的电路外加补偿电压的方法进行调零的电路同相输入调零同相输入调零反相输入调零反相输入调零2、消除自激振荡、消除自激振荡二、集成运放的保二、集成运放的保护电护电路路1、防止电源极性接反、防止电源极性接反防止电源极性接反电路防止电源极性接反电路 二极管二极管V1、V2串入集串入集成电路直流电源电路中，成电路直流电源电路中，当电源极性反接时，相应当电源极性反接时，相应二极管便截止二极管便截止 2、输入保护电路、输入保护电路双端输入保护电路双端输入保护电路单端输入保护电路单端输入保护电路利用二极管的限幅特性利用二极管的限幅特性