集成电路运算放大器及应用课件.ppt

集成电路运算放大器及应用1第1页，此课件共94页哦5.1 差动放大电路集成电路集成电路运算放大器是一种具有高放大倍运算放大器是一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。数的多级直接耦合放大电路。当多级直接耦合放大电路的输入端短路当多级直接耦合放大电路的输入端短路(ui0)，输出端电压它并不保持恒值，而在，输出端电压它并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称缓慢地、无规则地变化着，这种现象就称为零点漂移。为零点漂移。产生零点漂移的主要原因是三极管受温度产生零点漂移的主要原因是三极管受温度的影响。的影响。抑制零点漂移有效的措施之一是抑制零点漂移有效的措施之一是采用差动放大电路。采用差动放大电路。2第2页，此课件共94页哦本节主要内容：5.1.1基本差分电路5.1.2长尾式差分电路5.1.3长尾式差分电路的工作原理分析5.1.4差分放大电路四种接法的分析与比较3第3页，此课件共94页哦特点：特点：结构对称。结构对称。差动放大电路的工作情况差动放大电路的工作情况vi1vi2voRCR1T1RBRCR1T2RB+VCC4第4页，此课件共94页哦5.1.1基本差分电路1、基本差分电路的组成基本差分电路如图5-1-1和图5-1-2。其工作原理是利用对称性来解决和克服零漂问题。电路左右两边对称，指电路结构及元件的特性与参数完全相同，使T1、T2在同一个直流电源供电情况下具有相同的静态工作点。图图图图5-1-1 5-1-1 基本差分电路形式之一基本差分电路形式之一基本差分电路形式之一基本差分电路形式之一图图图图5-1-2 5-1-2 基本差分电路形式之二基本差分电路形式之二基本差分电路形式之二基本差分电路形式之二5第5页，此课件共94页哦输入信号：输出信号：电压放大倍数：6第6页，此课件共94页哦当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相反时，定义为差分输入信号或差模输入信号vd。vi1=-vi2，此时，放大电路的输入电压为：或：式中，vd称为差动输入电压。2、基本差分电路、基本差分电路的工作原理的工作原理7第7页，此课件共94页哦当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相同时，定义为共模输入信号vc。则：或：8第8页，此课件共94页哦当输入信号中既有差模信号，又有共模信号时，则基本差分电路输入端的信号可分解为二种信号的叠加，即9第9页，此课件共94页哦根据两式可得出如下结论：在差分放大电路输入端施加的任意形式的信号都可以分解为差模信号与共模信号的叠加，输出端的响应都可视为差模信号与共模信号共同作用的结果。10第10页，此课件共94页哦例已知基本差分放大电路如图5-1-1所示vi1=5V，vi2=3V，求此时作用于放大电路输入端的差模电压为多少？共模电压为多少？解：根据差模信号的定义，总的差模输入信号为：由电路的对称性可知，每个输入端的输入电压为：11第11页，此课件共94页哦于是，两个实际的输入信号电压可等效为图(a)或图(b)的形式。根据共模信号的定义有：12第12页，此课件共94页哦由图可见，对于差模输入信号，由于vi1=-vi2则根据共射放大电路输出与输入反相的特点：得，差模输入信号作用下的电压放大倍数为：Ad称为差模电压放大倍数。对于共模输入信号：由于电路对称，则AC称为共模电压放大倍数。3、放大倍数的计算：13第13页，此课件共94页哦3、放大倍数的计算：基本差分放大电路只对差模输入信号进行放大，而不对共模信号进行放大。在双端输出的情况下，放大电路的差模电压放大倍数等于一个单级共射放大电路的电压放大倍数。在理想对称的条件下，如果共模信号能够模拟温度的变化，则不难看出，无论温度怎么变化，输出端皆为零，从而达到了抑制输出信号电压的零点漂移。14第14页，此课件共94页哦5.1.2长尾式差分电路前面介绍的基本差分放大电路中，依靠电路对称，利用两个放大电路的输出之差，抑制了零点漂移电压的输出，但是并没有消除单级放大电路本身的零漂。为了进一步减小或消除零漂，提高抑制零点漂移的效果，需要在基本差分放大电路的基础上进行改进，减小单级放大电路自身的零点漂移。15第15页，此课件共94页哦在基本差分放大电路的发射极接入一个射极电阻RE，以便引入电流负反馈，稳定输入电压，减小零漂。发射极电阻RE犹如在基本差分电路中多了一条尾巴，RE愈大，稳定性愈好，相当于尾巴愈长，故称为长尾式差分电路。射极电阻RE愈大，对共模信号的反馈作用愈强，抑制零漂的效果愈好，但同时，RE上的直流压降也愈大，三极管放大的动态范围愈小。解决办法是增加一个负电源VEE，用以增加三极管的动态范围。如图5-1-3所示。图图图图5-1-3 5-1-3 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路1、长尾式差分电路的组成16第16页，此课件共94页哦2、长尾式差分电路的几种接法（1）双端输入双端输出输入信号分别在三极管T1、T2的基极输入，从T1、T2的集电极之间输出。这种接法称为双端输入双端输出电路。如图5-1-3所示。图图图图5-1-3 5-1-3 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路17第17页，此课件共94页哦4.5.2长尾式差分电路（2）双端输入单端输出输入信号分别在三极管T1、T2的基极输入，但输出却只从T1或T2的集电极单独对地之间输出，称为双端输入单端输出。如果从T1的集电极输出，称为左侧输出，电压放大倍数为单级共射放大电路的一半，且输出与输入反相，如图5-1-4所示。如果从T2的集电极输出，称为右侧输出，电压放大倍数也为单级共射放大电路的一半，但输出与输入同相。图图图图5-1-4 5-1-4 双端输入左侧单端输出双端输入左侧单端输出双端输入左侧单端输出双端输入左侧单端输出18第18页，此课件共94页哦4.5.2长尾式差分电路（3）单端输入双端输出输入信号只从三极管T1或T2的基极一端输入，从三极管T1和T2的集电极之间输出。图图图图5-1-5 5-1-5 单端输入双端输出的接法单端输入双端输出的接法单端输入双端输出的接法单端输入双端输出的接法19第19页，此课件共94页哦4.5.2长尾式差分电路（4）单端输入单端输出输入信号只从三极管T1或T2的基极一端输入，只从三极管T1或T2的集电极一端对地输出。在长尾式差分电路的几种接法中，值得注意的是：在单端输入时（包括单端输入双端输出和单端输入单端输出），由于对称，输入的差模信号在图5-1-5和图5-1-6的虚线所示的输入回路中，将被对半分配到两侧的输入端，相当于双端输入；可以说单端输入等同于双端输入。图图图图5-1-6 5-1-6 单端输入左侧单端输出单端输入左侧单端输出单端输入左侧单端输出单端输入左侧单端输出20第20页，此课件共94页哦4.5.3长尾式差分电路的工作原理分析前面就长尾式差分放大电路的几种接法进行了介绍。下面以图4-5-4所示的长尾式差分放大电路为例，对双端输入双端输出电路的工作原理进行分析。1、静态分析静态时，输入信号vi1和vi2均为零，等效处理方法是将两个输入端分别对地短路。由于电路左右对称，T1和T2特性相同，则有IC1=IC2、VC1=VC2得到：V0=VC1-VC2=I0RL=0(1)I0=0(2)式(2)表明，在静态时，RL电阻中没有电流流过,相当于开路，也就是说，RL可以拿掉。RL拿掉后的直流通路如图5-1-7所示。图图图图5-1-3 5-1-3 长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路21第21页，此课件共94页哦5.1.3长尾式差分电路的工作原理分析对于输入回路：由于在设计时，RE通常选得比较大，使得IBQ非常小，一般可以忽略，则(约为-0.7V)根据电路的对称性可知，每个管子的集电极电流为IEQ的一半，即说明T1的工作点电压VCEQ近似为它的集电极对地电位。图图图图5-1-7 5-1-7 长尾差分放大电路的直流通路长尾差分放大电路的直流通路长尾差分放大电路的直流通路长尾差分放大电路的直流通路22第22页，此课件共94页哦当差分放大电路两输入端加上任意信号vi1、vi2时，都可以等效为差模和共模信号的叠号，根据叠加原理，可以分别进行分析。（1）差模信号vid由于电路的对称性使vi均分给两个输入端，即即在输出端RL两端有信号输出。图图图图5-1-8 5-1-8 双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路2、动态分析23第23页，此课件共94页哦4.5.3长尾式差分电路的工作原理分析此时，在RE上的电流约为，即RE上的差模交流电流为零。则RE上的差模交流电压也为0。使VE点对交流信号而言相当于接地，得：差模交流通路如图5-1-9所示。图图图图5-1-9 5-1-9 差模交流通路差模交流通路差模交流通路差模交流通路图图图图5-1-8 5-1-8 双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路双入双出差模电路24第24页，此课件共94页哦4.5.3长尾式差分电路的工作原理分析差模电压增益由于电路对称，RL接在两管集电极之间，两端电压变化量相等，极性相反，所以，负载电阻RL的中点电位不变，相当于交流接地。因此，可以将RL分为相等的两部分，对T1、T2各取RL/2。在双入双出时，两管基极之间的输入是单边的两倍，两管集电极之间的输出也是单边的两倍。所以，此时差放的差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同。即：其中图图图图5-1-9 5-1-9 差模交流通路差模交流通路差模交流通路差模交流通路图图图图5-1-10 5-1-10 差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路25第25页，此课件共94页哦差模输入电阻：为差模输入信号电压与差模输入信号电流之比，即从两个输入端看进去的总差模输入电阻。差模输出电阻：双端输出时，两输出端之间呈现的差模输出电阻为图图图图5-1-10 5-1-10 差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路差模放大微变电路26第26页，此课件共94页哦（2）共模分析双入双出电路加共模信号如图5-1-11所示。加共模信号时：vic1=vic2=vic由于电路两边对称，RE上的电流变化是每个三极管电流变化的两倍。从电压等效的观点来看，对共模信号而言，每个晶体管发射极相当于各接2RE电阻。如图5-1-12所示。画出共模信号作用下的交流通路如图5-1-13所示。图图图图5-1-11 5-1-11 双入双出电路加共模信号双入双出电路加共模信号双入双出电路加共模信号双入双出电路加共模信号图图图图5-1-12 5-1-12 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路27第27页，此课件共94页哦共模电压增益由于电路对称，ic1=ic2=ic,则vc1=vc2voc=vc1-vc2=0结论：双入双出差分放大电路对共模信号不会放大。如果干扰信号属于共模信号，则可以用这种放大电路对干扰信号进行抑制。图图图图5-1-125-1-12 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路图图图图5-1-13 5-1-13 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路28第28页，此课件共94页哦共模抑制比差分放大电路对差模信号有较高的放大能力，对共模信号有抑制作用，这种抑制作用用“共模抑制比”来评价，定义为：双端输出时，Avc=0，KCMR=通常CMR用dB数来表示，即图图图图5-1-13 5-1-13 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路29第29页，此课件共94页哦共模输入电阻由图5-1-14可见，从输入端看进去的共模输入电阻为共模输出电阻图图图图5-1-13 5-1-13 共模交流通路共模交流通路共模交流通路共模交流通路图图图图5-1-14 5-1-14 共模等效电路共模等效电路共模等效电路共模等效电路30第30页，此课件共94页哦5.1.4差分放大电路四种接法的分析与比较差分电路四种接法：双入双出双入单出单入双出单入单出前面已经对“双入双出”进行了分析，下面对另外三种接法进行分析和比较。31第31页，此课件共94页哦1、双入单出电路与双入双出的图相比较，只是输出负载RL接在T1的C与地之间。输入差模信号时，由于T1、T2对称，IEQ不变，对差模输入信号而言E点电位没有变化，相当于交流接地，只是输出电压从半边输出。因此，放大倍数将为双端输出电路的一半，即其中以上单端输出又称为左侧输出。图图图图5-1-15 5-1-15 双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路32第32页，此课件共94页哦1、双入单出电路如果从T2管的C极输出，称为右侧输出。电路的差模输入电阻为（由于电路的输入回路没有变）电路的输出电阻图图图图5-1-15 5-1-15 双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路双入单出差模电路33第33页，此课件共94页哦1、双入单出电路现在来讨论这种电路的温漂情况，由于温度漂移相当于输入共模信号的情况，可以用共模放大倍数来表示。输入共模信号时，由于T1、T2对称，RE上流过的电流为2IE1，对于每个管子来说，可等效为IE1流过阻值为2RE的电阻，如图5-1-16所示。由图可得：由于式中的(1+)2RE一般很大，所以单端输出的温漂也不是很大（Avc不是很大）。图图图图5-1-16 5-1-16 共模等效电路共模等效电路共模等效电路共模等效电路34第34页，此课件共94页哦此电路的共模抑制比为：由上式可见，增大RE对减小共模放大倍数和提高共模抑制比都有好处，所以RE越大，对抑制温漂越有利。35第35页，此课件共94页哦1、双入单出电路例例5-1，双入单出差分电路中，双入单出差分电路中，已知已知VCC=10V、-VEE=-10V，RC=10k，=100，RB=5k，RE=5k，rbe=1k，RL=10k。求：求：Avd，Avc，KCMR。解：解：36第36页，此课件共94页哦2、单入双出电路如图5-1-17所示。可以把信号等效为一个共模信号和一对差模信号。变换后的电路如图5-1-18所示。变换为双端输入双端输出。图图图图5-1-17 5-1-17 单入双出电路单入双出电路单入双出电路单入双出电路5-1-18 5-1-18 单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换37第37页，此课件共94页哦2、单入双出电路由于输入信号中有差模和共模两部分信号，所以输出信号也由两部分组成：前面已计算过双入双出的Avc、Avd其中：Avc=0，单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换单入双出对信号源进行等效变换38第38页，此课件共94页哦3、单入单出电路由于单端输入可等效为双端输入看待。因此，“单入单出”的分析计算过程与“双入单出”时是一样的。图图图图5-1-19 5-1-19 单入单出电路单入单出电路单入单出电路单入单出电路电路的差模输入电阻为：电路的差模输入电阻为：电路的差模输出电阻为：电路的差模输出电阻为：由于差分放大电路只放大差模信由于差分放大电路只放大差模信号，不放大共模信号，所以在分号，不放大共模信号，所以在分析放大电路单端输入时，可以将析放大电路单端输入时，可以将单端输入等同于双端输入看待。单端输入等同于双端输入看待。39第39页，此课件共94页哦4、差分电路几种接法的性能比较对于差模信号：（1）差模输入电阻Rid与输入方式无关，它们都是：Rid=2(RB+rbe)（2）差模输出电阻Rod只与输出方式有关，而与输入方式无关。单端输出时：Rod=RC双端输出时：Rod=2RC（3）差模增益（放大倍数）只与输出方式有关，而与输入方式无关。双端输出时：其中单端输出时：其中（输入与输出在同一侧时为负，对方一侧时为正）40第40页，此课件共94页哦4、差分电路几种接法的性能比较对于共模信号：（1）共模输入电阻Ric与输入方式无关，它们都是（2）共模输出电阻Roc只与输出方式有关。单端输出时：Roc=RC双端输出时：Roc=2RC41第41页，此课件共94页哦4、差分电路几种接法的性能比较对于共模信号：（3）共模增益（放大倍数）只与输出方式有关，而与输入方式无关。双端输出时：Avc=0单端输出时：其中42第42页，此课件共94页哦（4）共模抑制比只与输出方式有关，而与输入方式无关。双端输出时：KCMR=单端输出时：掌握了以上这些特点和规律，也就掌握了长尾式差分放大电路。4、差分电路几种接法的性能比较43第43页，此课件共94页哦4.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出44第44页，此课件共94页哦4.几种方式指标比较几种方式指标比较输出方式输出方式双出双出单出单出双出双出单出单出45第45页，此课件共94页哦重要结论重要结论在各种组态差分放大器分析比较和改进的基础上，可以知道：要尽可能的提高差分放大器的共模抑制比，两个关键因素是：电路对称性；共射极电阻。46第46页，此课件共94页哦双端输出，理想情况双端输出，理想情况 KCMR。可使单端输出的当Re 时，但是rbe(1+)VT IEIEVEE2Re rbe 2Re(1+)VT VEE恒流源差动放大电路恒流源差动放大电路47第47页，此课件共94页哦理想电流源具有：电流恒定；交流等效电阻无穷大的特点。带恒流源的差分放大器恒流源的作用：1.提供放大电路的射极电流；2.替代交流大电阻；（提高共模抑制比）如果IE 恒定，而Re；则可能使KCMR。注意，此处Re 只要是在交流时即可。48第48页，此课件共94页哦为此由为此由T3构成的恒流构成的恒流源，输出电阻源，输出电阻r ro3o3取代取代Re，由微变等效电路由微变等效电路计算。计算。49第49页，此课件共94页哦5.2复合管电路复合管电路为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复合管，为获得高放大倍数，可以利用多个晶体管组成复合管，以得到较大的电流放大系数。以得到较大的电流放大系数。1.1.复合管的组成形式复合管的组成形式一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类型可一般复合管由两个晶体管组成，两个晶体管的类型可以相同，也可不同。以相同，也可不同。组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通组成后的复合管应满足复合起来的管子都处于导通状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结反向状态的条件，即满足发射结正向偏置、集电结反向偏置。偏置。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。50第50页，此课件共94页哦51第51页，此课件共94页哦2.复合管的主要参数复合管的主要参数是等效电流放大系效复合管的主要参数是等效电流放大系效和等效输入和等效输入电阻电阻rbe。由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：复由上图四种接法的复合管各极电流关系可以推出：复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积，合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积，即即12。（a a）(b)(b)两种接法的复合管中，两种接法的复合管中，T T1 1管是共集电极组管是共集电极组态，而态，而r rbe2be2是是T T1 1管的射极电阻，所以复合管等效输入管的射极电阻，所以复合管等效输入电阻为电阻为r rbebe=r=rbe1be1+（1+1+1 1）r rbe2be2，。，。（c）(d)两种接法的复合管中两种接法的复合管中,rbe=rbe1。52第52页，此课件共94页哦5.3集成运算放大器一一.集成运算放大器组成集成运算放大器组成输输入入级级输输出出级级偏置电路偏置电路中中间间级级UiUo集成电路集成电路运算放大器框图运算放大器框图53第53页，此课件共94页哦 1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。运放内部电路对称性的指标。2.输入失调电压温漂输入失调电压温漂 dUIO/dT 在规定工作温度范围内，输入失调电压在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。随温度的变化量与温度变化量之比值。二.集成运算放大器的主要参数54第54页，此课件共94页哦 4.输入失调电流输入失调电流 IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。3.输入偏置电流输入偏置电流IIB：输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。5.输入失调电流温漂输入失调电流温漂dIIO/DT:在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。化量与温度变化量之比值。55第55页，此课件共94页哦 6.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。7.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。放大器失去共模抑制能力。56第56页，此课件共94页哦 8.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ：无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在100120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以以上。上。9.差模输入电阻差模输入电阻rid：双极型管输入级约为双极型管输入级约为105106欧姆，场效应管输入欧姆，场效应管输入级可达级可达109欧姆以上。欧姆以上。10.共模抑制比共模抑制比 KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。57第57页，此课件共94页哦三.集成运算放大器的低频等效电路1.1.低频等效电路低频等效电路集成运放作为完整的独立集成运放作为完整的独立器件，只画出三个信号端，器件，只画出三个信号端，即即2 2个输入端，个输入端，1 1个输出端。个输出端。因为输入因为输入ui1与输出与输出uo反相，反相，所以称所以称u-端为反相输入端。端为反相输入端。而输入而输入ui2与电压与电压uo同相，所同相，所以称以称u+端为同相输入端。端为同相输入端。ui称为净输入电压，称为净输入电压，ii称为净称为净输入电流。输入电流。u+u-u0ui+_-+A0dUid r0ii58第58页，此课件共94页哦 运算放大器的符号中有运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个三个引线端，两个输入端，一个输出端输出端。集成运放的符号和传输特性集成运放的符号和传输特性 u u+uo 另一个称为另一个称为反相输入端，反相输入端，即该端输入信号变化的极性与即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号输出端相反，用符号“N N”表示。表示。uPuN+u+u uo 一个称为一个称为同相输入端同相输入端，即该端输入信号变化的极性与，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号输出端相同，用符号P表示；表示；59第59页，此课件共94页哦2.集成运算放大器的理想模型理想运算放大器的特点是：理想运算放大器的特点是：开环电压放大倍数为无穷大开环电压放大倍数为无穷大Au；输入电阻为无穷大输入电阻为无穷大ri；输出电阻为零输出电阻为零ro=0，共模抑制比无穷大共模抑制比无穷大KCMR；。；。60第60页，此课件共94页哦预备知识：集成运放的两种工作状态预备知识：集成运放的两种工作状态1）.运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性时，运放处于线性区。区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区61第61页，此课件共94页哦2）.理想运算放大器：理想运算放大器：1、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数 Aod=2、差摸输入电阻、差摸输入电阻 Rid=3、输出电阻、输出电阻 Ro=04、共摸抑制比、共摸抑制比 KCMR=为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！电路中有负反馈！3）.线性区线性区62第62页，此课件共94页哦4）.非线性区（正、负饱和状态）非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！+10V-10V+Uom-Uom0uoui63第63页，此课件共94页哦3.线性应用的两个重要概念线性应用的两个重要概念由由于于uo有有限限，如如果果Au，则则ui=u+u-0；两两输输入入端端的的电电位位相相等等，好好象象短短接接了了一一样样，这一概念称之为这一概念称之为“虚短虚短”。即。即u+u-由由于于ui=0，而而ri，故故净净输输入入电电流流ii0，输输入入端端好好象象断断开开了了一一样样，但但又又不不是是真真正正的的断开，这一概念称之为断开，这一概念称之为“虚断虚断”。即。即ii064第64页，此课件共94页哦分析线性区理想运放的两个概念分析线性区理想运放的两个概念 虚短虚短uuII+0 虚断虚断 u+IuoAOUiuI+65第65页，此课件共94页哦5.4集成电路运算放大器的应用 “虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念是分析集成运算放大的概念是分析集成运算放大器线性应用的理论根据器线性应用的理论根据。一一.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反相比例运算电路图反相比例运算电路图ii=ii-if 0,ii=ifu+=u0，u-端称为端称为“虚地虚地”。rif=ui/ii=R1 r0=0 66第66页，此课件共94页哦反相比例运算电路的特点：存在存在“虚地虚地”，共模输入分量近似为零。，共模输入分量近似为零。u0与与ui成比例关系成比例关系,相位相反相位相反,比值是比值是RF/R1与运算放大器与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。可以进行可以进行y=ax的运算，运算式中的系数的运算，运算式中的系数a0。当。当R1=Rf时，时，uo=ui，此电路称为反相器。，此电路称为反相器。由于集成运放的开环放大倍数非常大，需要引入负反馈，由于集成运放的开环放大倍数非常大，需要引入负反馈，且是深度负反馈。电路中引入的是并联电压负反馈。且是深度负反馈。电路中引入的是并联电压负反馈。R2为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差动放大电为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差动放大电路中结构的对称性，应选择路中结构的对称性，应选择R2=R1/Rf。67第67页，此课件共94页哦2.同相比例运算电路ii=0,有有ii=if u-=u+=ui,有有68第68页，此课件共94页哦同相输入运算电路特点：u-=u+=ui，引入共模输入信号，要求引入共模输入信号，要求CMR大。大。u0与与u+成比例关系成比例关系,相位相同相位相同,比值是比值是(1+RF/R1)1与运与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都较算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都较高。高。当当R1或或Rf=0时，时，Auf=1，此时称为跟随器。，此时称为跟随器。同相比例运算电路可以进行同相比例运算电路可以进行y=ax的运算，且运算式中的运算，且运算式中的系数的系数a1。电路中引入了电路中引入了深度串联深度串联电压负反馈，电压负反馈，故同相输入运算故同相输入运算电路的闭环输入电阻和输出电阻为电路的闭环输入电阻和输出电阻为 rif=ui/ii，ro=0R2为平衡电阻，为平衡电阻，R2=R1/Rf，作用与反相输入运算电，作用与反相输入运算电路相同路相同69第69页，此课件共94页哦二.加法运算电路ii=0，u+=u-0 i i1+i i2+i i3=i f1.1.反相加法运算电路反相加法运算电路70第70页，此课件共94页哦特点：特点：只调整某一路的只调整某一路的Ri，就可改变该路的比例系数。，就可改变该路的比例系数。平衡电阻：平衡电阻：R2=R11/R12/R13/RF反相求和电路可以实现如下运算：反相求和电路可以实现如下运算：y=-(a0 x0+a1x1.+anxn),ai071第71页，此课件共94页哦2.同相加法运算电路利用同相比例公式有：利用同相比例公式有：72第72页，此课件共94页哦特点：可以进行可以进行y=(a1x1+a2x2+anxn),an0若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相项，与反相求和求和电路比较，同相电路比较，同相求和求和电路调试比较麻电路调试比较麻烦。烦。引入共模输入分量，使同相引入共模输入分量，使同相求和求和电路的应用受到限制。电路的应用受到限制。73第73页，此课件共94页哦三.减法运算电路采用双端输入可实现减法运算。采用双端输入可实现减法运算。叠加原理：叠加原理：ui1单独作用时单独作用时ui2单独作用时单独作用时74第74页，此课件共94页哦特点可以进行可以进行y=a1x1a2x2的运算，故又称减法运算电路。的运算，故又称减法运算电路。若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相系数项，与反相求和求和电路比较，同相电路比较，同相求和求和电路调试比电路调试比较麻烦。较麻烦。当当:RF/R1=R3/R2，则则uo=RF/R1(ui2-ui1);当当:RF=R1时，时，得：得：uo=ui2ui1同样存在共模输入电压，所以，影响其运算精度的因素同样存在共模输入电压，所以，影响其运算精度的因素与同相输入运算放大电路完全相同。与同相输入运算放大电路完全相同。75第75页，此课件共94页哦四.积分电路与微分电路1.积分电路积分电路i1=if；u-=u+=0 if=ui/R1若若ui为恒定电压，为恒定电压，uc(0)=0,则则t0,uo uoL 时，时，uoL0 tuo当当uo=uoL时，积分作用停止。时，积分作用停止。76第76页，此课件共94页哦2.微分电路i1=if；u-=u+=0当输入信号为一系列方波当输入信号为一系列方波时，微分电路可将方波变时，微分电路可将方波变成尖顶波。成尖顶波。77第77页，此课件共94页哦五.测量放大器根据根据u-=u+，ii=0，对于，对于A1、A2有有UB=Ui1UC=Ui278第78页，此课件共94页哦特点：当当输输入入电电压压Ui1、Ui2不不变变时时，调调节节便便可可调调整整输输出出电电压压UO。此电路具有非常高的输入电阻，对被测量的影响很小。此电路具有非常高的输入电阻，对被测量的影响很小。当当电电路路其其它它参参数数一一定定时时，输输出出电电压压正正比比于于Ui1与与Ui2的的差值。差值。79第79页，此课件共94页哦六.电压比较器电压比较器是用来判断输入电压和基准电压之间数值大电压比较器是用来判断输入电压和基准电压之间数值大小的电路。通常由集成运算放大器组成。小的电路。通常由集成运算放大器组成。作为电压比较器时，集成运放工作在开环状态。由于其自作为电压比较器时，集成运放工作在开环状态。由于其自身的电压放大倍数很大，只要有微小的净输入电压就足以身的电压放大倍数很大，只要有微小的净输入电压就足以使集成运放处于饱和工作状态，所以它的输出只有两种可使集成运放处于饱和工作状态，所以它的输出只有两种可能：当能：当u+u-时，输出高电位时，输出高电位UOH，其极性为正，数值，其极性为正，数值接近正电源电压值；当接近正电源电压值；当u+u-时，输出低电位时，输出低电位UOL，其，其极性为负，数值接近负电源电压值。极性为负，数值接近负电源电压值。80第80页，此课件共94页哦工作时，电压比较器的一个输入端输入基准工作时，电压比较器的一个输入端输入基准电压电压UB，另一端则输入要与基准电压进行，另一端则输入要与基准电压进行比较的电压比较的电压ui。电压比较器广泛应用于数字仪表、模电压比较器广泛应用于数字仪表、模/数转数转换、自动检测、自动控制、波形变换等方面。换、自动检测、自动控制、波形变换等方面。81第81页，此课件共94页哦1.单门限电压比较器1）过零电压比较器u+=UB=0，u-=ui 当当ui0时，时，uo=UOH，当，当ui0时，时，uo=UOL。设输入电压设输入电压ui=Umsint，电压比，电压比较器将输入的连续变化量（模拟量）较器将输入的连续变化量（模拟量）变成跃变的矩形波（数字量）输出。变成跃变的矩形波（数字量）输出。从电压比较器的工作原理可以看从电压比较器的工作原理可以看出，输出电压的大小仅与输入电出，输出电压的大小仅与输入电压的大小有关，而与输入电压的压的大小有关，而与输入电压的波形无关。波形无关。82第82页，此课件共94页哦2）非零电压比较器u+=UB，u-=ui，当当uiUB时，时，uo=UOH，当，当uiUB时，时，uo=UOL。单门限电压比较器具有结构简单，灵敏度高等优点。单门限电压比较器具有结构简单，灵敏度高等优点。此类比较器设置了一个门限此类比较器设置了一个门限UB，不管输入电压增加还是，不管输入电压增加还是减小减小,经过此门限时，电路都要产生动作，因此这类比经过此门限时，电路都要产生动作，因此这类比较器的抗干扰能力差。为了克服这一缺点，实际应用中较器的抗干扰能力差。为了克服这一缺点，实际应用中常采用多门限电压比较器。常采用多门限电压比较器。83第83页，此课件共94页哦2.迟滞比较器迟迟滞滞比比较较器器在在结结构构上上引引入入了了正正反反馈馈，这这样样不不仅仅加加快快了了输输出出电电压压的的翻翻转转过过程程，而而且且还还给给电电路路提提供供了了两两个个不不同同极极性性的的参参考考电电压压，即即设设置置两两个个门门限限值值，使使输输入入电电压压增增加加时时的的门门限限值值与与输输入入电电压压减减小小时时的的门门限限值值不不同同，电电路路只只对对某某一一个个方方向向变变化化的的电电压压敏敏感感，将将双双向向敏敏感感改改为为单单向向敏敏感感，产产生生回回环环，提提高高电电路路的的抗抗干扰能力。干扰能力。84第84页，此课件共94页哦1 1）反相输入迟滞比较器）反相输入迟滞比较器工作在非线性放大区，工作在非线性放大区，uo=UZ，u+=u-=UB=uoR2/(R2+R3)=UZR2/(R2+R3)=ui(门限门限值值)。设设ui很很小小，uo输输出出高高电电位位UOH=+UZ，此此时时参参考考电电位位UB+=UZR2/(R2+R3)，随随着着ui增增 加加，只只 要要 uiUB+时时，uo由由UoH跃跃变变到到UoL=-UZ，参参考考电电压压也也跃跃变变为为UB-=-UZR2/(R2+R3)，随后，只要随后，只要uiUB-，uo保持保持UoL=-UZ不变；不变；当当uiUB-时时，电电路路回回到到过过程程。当当电电路路uo发发生生变变化化时时，u+=u-=UB所所对对应应的的输输入入电电压值为门限值。压值为门限值。86第86页，此课件共94页哦2 2）同相输入迟滞比较器）同相输入迟滞比较器u-=u+=0，u+=uiR3/(R2+R3)+UZR2/(R2+R3)，电路电路uo发生发生变化时，变化时，u+=u-=0，对应，对应的输入电压的输入电压门限值门限值ui=-UZR2/R3和和UZR2/R3。当当 ui增增