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YCF(中职）电子技术基础第五章教学课件 第五章第五章 集成运算放大电路集成运算放大电路第一节第一节 直接耦合放大电路和差动放大电直接耦合放大电路和差动放大电路路第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路第三节第三节 基本运算放大电路基本运算放大电路第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用第一节第一节 直接耦合放大电路和差动放大电直接耦合放大电路和差动放大电路路一、直接耦合放大电路一、直接耦合放大电路1级间耦合方式级间耦合方式由于集成运放要求能放大交流信号和直流信号，所以集成运由于集成运放要求能放大交流信号和直流信号，所以集成运放的级间耦合不能采用具有隔断直流作用的电容耦合和变压放的级间耦合不能采用具有隔断直流作用的电容耦合和变压器耦合，必须采用直接耦合方式将放大器的级与级之间直接器耦合，必须采用直接耦合方式将放大器的级与级之间直接连接，或采用能通过直流的电阻性元件（如电阻、二极管、连接，或采用能通过直流的电阻性元件（如电阻、二极管、稳压管等）相连。但采用直接耦合方式以后，各级的静态工稳压管等）相连。但采用直接耦合方式以后，各级的静态工作点不再独立，而是互相牵制。所以必须采取一定的措施，作点不再独立，而是互相牵制。所以必须采取一定的措施，保证各级有合适的工作状态和足够的动态范围。保证各级有合适的工作状态和足够的动态范围。图图5-1和和图图5-2所示即为两种常用的直接耦合方式。所示即为两种常用的直接耦合方式。下-页 返回第一节第一节 直接耦合放大电路和差动放大电直接耦合放大电路和差动放大电路路 2零点漂移零点漂移零点漂移指的是当放大器的输入端短路时，输出端还有缓慢零点漂移指的是当放大器的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离零点上下漂动的现象，简变化的电压产生，即输出电压偏离零点上下漂动的现象，简称称“零漂零漂”。在直接耦合放大器中，由于级与级之间没有隔断直流的电容，在直接耦合放大器中，由于级与级之间没有隔断直流的电容，所以第一级静态工作的微小偏移就会逐级被放大，致使放大所以第一级静态工作的微小偏移就会逐级被放大，致使放大器的输出端产生较大的漂移电压，严重时，可能把输出的有器的输出端产生较大的漂移电压，严重时，可能把输出的有用信号淹没，导致放大器无法正常工作。用信号淹没，导致放大器无法正常工作。引起零点漂移的主要原因是温度的变化，当温度变化时，三引起零点漂移的主要原因是温度的变化，当温度变化时，三极管的参数都会变化，从而使静态工作点发生变化，引起输极管的参数都会变化，从而使静态工作点发生变化，引起输出电压的漂移。出电压的漂移。上-页 下-页 返回第一节第一节 直接耦合放大电路和差动放大电直接耦合放大电路和差动放大电路路二、差动放大电路二、差动放大电路1差动放大电路的基本结构差动放大电路的基本结构差动放大电路（又称差分放大电路）的基本结构如图差动放大电路（又称差分放大电路）的基本结构如图5-3所所示。从示。从图图5-3可看出，差动放大电路有两个输入端和两个输可看出，差动放大电路有两个输入端和两个输出端，输出端的电位差为输出信号，是对两个输入信号之差出端，输出端的电位差为输出信号，是对两个输入信号之差的放大结果，所以叫做差动放大器。的放大结果，所以叫做差动放大器。差动放大电路具有以下特点。差动放大电路具有以下特点。电路具有对称性，即两个管子的所有参数相同，电子元件的电路具有对称性，即两个管子的所有参数相同，电子元件的阻值相同。阻值相同。输入信号分为差模输入信号和共模输入信号两部分。差模输输入信号分为差模输入信号和共模输入信号两部分。差模输入信号是指两输入端的输入信号大小相同，极性相反入信号是指两输入端的输入信号大小相同，极性相反上-页 下-页 返回第一节第一节 直接耦合放大电路和差动放大电直接耦合放大电路和差动放大电路路放大器具有两个输出端，放大器的输出信号分为双端输出信放大器具有两个输出端，放大器的输出信号分为双端输出信号和单端输出信号两种。双端输出信号为两个输出信号之差；号和单端输出信号两种。双端输出信号为两个输出信号之差；单端输出信号以两个输出端之一的输出信号作为输出信号。单端输出信号以两个输出端之一的输出信号作为输出信号。两个三极管工作在线性区。两个三极管工作在线性区。2差动放大电路抑制零点漂移和共模输入信号差动放大电路抑制零点漂移和共模输入信号共模信号输入时，若电路完全对称，则输出电压为零。所以，共模信号输入时，若电路完全对称，则输出电压为零。所以，在电路完全对称的情况下，差动放大电路能完全抑制共模信在电路完全对称的情况下，差动放大电路能完全抑制共模信号和零点漂移（所有零点漂移信号都属于共模信号）。但在号和零点漂移（所有零点漂移信号都属于共模信号）。但在实际中，完全对称的差动放大电路是不存在的，所以零点漂实际中，完全对称的差动放大电路是不存在的，所以零点漂移并不能完全抑制，只能减少。移并不能完全抑制，只能减少。上-页 下-页 返回第一节第一节 直接耦合放大电路和差动放大电直接耦合放大电路和差动放大电路路 3差动放大电路放大差模输入信号差动放大电路放大差模输入信号差模信号输入时，电路的两个输出电压大小相等，极性相反，差模信号输入时，电路的两个输出电压大小相等，极性相反，即即uo1=-uo2，则双端输出电压，则双端输出电压uo1-uo2，差模电压放大倍，差模电压放大倍数数Aud为为 Aud为单管放大电路的电压放大倍数。由此可见，差动放大为单管放大电路的电压放大倍数。由此可见，差动放大电路对差模输入信号有放大作用。电路对差模输入信号有放大作用。上-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路 一、集成运放的基本结构及符号一、集成运放的基本结构及符号集成运放是一种实现高电压增益的集成差动放大电路，其电集成运放是一种实现高电压增益的集成差动放大电路，其电压放大倍数往往在压放大倍数往往在105以上，由于采用了集成电路技术设计以上，由于采用了集成电路技术设计制造运算放大器，所以它具有十分优秀的电路特性和技术指制造运算放大器，所以它具有十分优秀的电路特性和技术指标。标。集成运放应用广泛，品种繁多，内部结构也不尽相同，但基集成运放应用广泛，品种繁多，内部结构也不尽相同，但基本结构却大体相同。本结构却大体相同。1输入隔离与保护电路输入隔离与保护电路输入隔离与保护电路的功能是提供信号输入通道，一般采用输入隔离与保护电路的功能是提供信号输入通道，一般采用差动放大电路结构，提高对零漂和电路噪声的抑制能力。差动放大电路结构，提高对零漂和电路噪声的抑制能力。下-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路2中间放大与补偿电路中间放大与补偿电路中间放大与补偿电路一般由多级放大电路以及专门性补偿电中间放大与补偿电路一般由多级放大电路以及专门性补偿电路组成，其作用是提高运放的电压增益，保证其良好的线性路组成，其作用是提高运放的电压增益，保证其良好的线性特征。特征。3输出驱动与保护电路输出驱动与保护电路输出驱动与保护电路由相应的驱动电路组成，一般由射极输输出驱动与保护电路由相应的驱动电路组成，一般由射极输出器或互补射极输出器组成，其功能是提供运放负载驱动能出器或互补射极输出器组成，其功能是提供运放负载驱动能力，同时在输出端提供相应的输出保护电路。力，同时在输出端提供相应的输出保护电路。4偏置电路偏置电路偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流。偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流。上-页 下-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路集成运放的电路符号如集成运放的电路符号如图图5-5所示，其中所示，其中u+为同相输入，为同相输入，u-为反相输入，为反相输入，uo为输出。实际的集成运放为一个多端器件。为输出。实际的集成运放为一个多端器件。以常见的通用型以常见的通用型A741为例，其外壳封装有圆形和双列直插为例，其外壳封装有圆形和双列直插型两种，如型两种，如图图5-6所示。从定位销或凹口开始，管脚按逆时所示。从定位销或凹口开始，管脚按逆时针方向排列，依次为针方向排列，依次为1、28。二、集成运放的主要参数二、集成运放的主要参数集成运放的参数是评价其性能优劣的主要技术指标，也是正集成运放的参数是评价其性能优劣的主要技术指标，也是正确选择和使用它的基本依据。确选择和使用它的基本依据。开环差模电压增益是指集成运放在开环状态（即无外加反馈开环差模电压增益是指集成运放在开环状态（即无外加反馈回路）下输出空载时的直流差模电压放大倍数。回路）下输出空载时的直流差模电压放大倍数。上-页 下-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax运放对共模信号有抑制能力，但这运放对共模信号有抑制能力，但这个能力只是在规定的限制值内才有，一般运放的个能力只是在规定的限制值内才有，一般运放的Uicmax接近接近或高于电源电压。或高于电源电压。最大差模输入电压最大差模输入电压Uicmax这是运放所能承受的最大差模输入这是运放所能承受的最大差模输入信号电压，使用时不能超过此值。信号电压，使用时不能超过此值。最大输出电压最大输出电压 Uop-p是指在给定的电源电压下，运放所能达是指在给定的电源电压下，运放所能达到的最大不失真输出电压的峰一峰值。到的最大不失真输出电压的峰一峰值。差模输入电阻是指差模信号输入时，运放的开环输入电阻，差模输入电阻是指差模信号输入时，运放的开环输入电阻，其大小反映了集成运放输入端向差模信号源索取电流的大小其大小反映了集成运放输入端向差模信号源索取电流的大小输出电阻是指运放开环工作时，从输出端对地看进去的等效输出电阻是指运放开环工作时，从输出端对地看进去的等效电阻。其大小反映了集成运放在小信号输出时带负载的能力。电阻。其大小反映了集成运放在小信号输出时带负载的能力。上-页 下-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路共模抑制比共模抑制比KCMR KCMR为差模放大倍数为差模放大倍数Aud与共模放大倍数与共模放大倍数Auc之比。之比。三、集成运放的工作特点及重要结论三、集成运放的工作特点及重要结论1集成运放的两种工作状态集成运放的两种工作状态在电路中，运放的工作状态只有两种，即线性工作状态和非在电路中，运放的工作状态只有两种，即线性工作状态和非线性工作状态。线性工作状态指的是运放电路的输出信号与线性工作状态。线性工作状态指的是运放电路的输出信号与输入信号成线性关系，而非线性工作状态指的是运放电路的输入信号成线性关系，而非线性工作状态指的是运放电路的输出信号与输入信号不成线性关系。输出信号与输入信号不成线性关系。为了保证运放可靠工作于线性状态，通常利用外围电路引入为了保证运放可靠工作于线性状态，通常利用外围电路引入深度负反馈，使闭环增益远小于开环增益。这样就大大减小深度负反馈，使闭环增益远小于开环增益。这样就大大减小了传输特性线性段的斜率，使线性范围内所对应的净输入电了传输特性线性段的斜率，使线性范围内所对应的净输入电压的允许变化量得以增加，这种情况下线性段的传输特性如压的允许变化量得以增加，这种情况下线性段的传输特性如图图5-7(b)所示。所示。上-页 下-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路若利用外围电路引入正反馈，或直接采用开环形式工作，运若利用外围电路引入正反馈，或直接采用开环形式工作，运放则工作于非线性状态，其理想传输特性如图放则工作于非线性状态，其理想传输特性如图5-7(c)所示。所示。2理想集成运放的重要结论理想集成运放的重要结论在大多数情况下，可以将实际运放看成理想运放，即将运放在大多数情况下，可以将实际运放看成理想运放，即将运放的各项技术指标理想化。理想运放满足下列条件：的各项技术指标理想化。理想运放满足下列条件：开环电压增益开环电压增益 共模抑制比共模抑制比带宽带宽 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 上-页 下-页 返回第二节第二节 集成运算放大电路集成运算放大电路理想运放工作于线性状态的重要结论。理想运放工作于线性状态的重要结论。因为运放工作在线性状态时，其输出电压与输入电压之间满因为运放工作在线性状态时，其输出电压与输入电压之间满足关系式：足关系式：理想运放的两个输入端电位相等，称为理想运放的两个输入端电位相等，称为“虚短虚短”。理想运放工作于非线性状态的重要结论。理想运放工作于非线性状态的重要结论。流进理想运放两个输入端的电流仍等于零。流进理想运放两个输入端的电流仍等于零。上-页 返回第三节第三节 基本运算放大电路基本运算放大电路由理想集成运放组成的基本放大电路包括同相放大、反相放由理想集成运放组成的基本放大电路包括同相放大、反相放大、电压跟随和差动放大等形式。大、电压跟随和差动放大等形式。一、同相输入运算电路一、同相输入运算电路同相输入运算电路如同相输入运算电路如图图5-9所示，输入信号由同相端输入。所示，输入信号由同相端输入。由图由图5-9所示可知所示可知下-页 返回第三节第三节 基本运算放大电路基本运算放大电路输出电压与输入电压大小相等，相位相同，故称为电压跟随输出电压与输入电压大小相等，相位相同，故称为电压跟随器，它是同相输入运算电路的一个特例，通常用做阻抗变换器，它是同相输入运算电路的一个特例，通常用做阻抗变换和缓冲级。和缓冲级。一、反相输入运算电路一、反相输入运算电路反相输入运算电路如反相输入运算电路如图图5-11所示。输入信号由反相端输入，所示。输入信号由反相端输入，由于电路中由于电路中Rf引入了负反馈，所以运放工作于线性状态。为引入了负反馈，所以运放工作于线性状态。为保证集成运放的两输入端处于平衡工作状态，要求两输入端保证集成运放的两输入端处于平衡工作状态，要求两输入端对地的电阻相等，即对地的电阻相等，即R2=R1Rf。反相输入运算电路的闭环电压增益为反相输入运算电路的闭环电压增益为上-页 下-页 返回第三节第三节 基本运算放大电路基本运算放大电路反相输入运算电路的闭环增益仅取决于比值反相输入运算电路的闭环增益仅取决于比值RfR1，且输出，且输出信号电压与输入信号电压反相。信号电压与输入信号电压反相。三、差动输入运算电路三、差动输入运算电路当集成运放的反相输入端和同相输入端都接有输入信号当集成运放的反相输入端和同相输入端都接有输入信号ui1和和ui2时，则输出电压将与这两个输入电压之差成正比，所以称时，则输出电压将与这两个输入电压之差成正比，所以称为差动输入运算电路，电路如为差动输入运算电路，电路如图图5-12所示。所示。电压增益为电压增益为差动输入运算电路的输出电压与输入电压的差值有关差动输入运算电路的输出电压与输入电压的差值有关上-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用信号运算电路在模拟计算、测量和自动控制中应用十分广泛。信号运算电路在模拟计算、测量和自动控制中应用十分广泛。这一节将在第二节的基础上进一步介绍集成运放在线性状态这一节将在第二节的基础上进一步介绍集成运放在线性状态和非线性状态下的应用电路。和非线性状态下的应用电路。一、加法运算电路一、加法运算电路加法运算电路的功能是实现输入信号的求和放大。加法运算电路的功能是实现输入信号的求和放大。图图5-13所示电路是对两个输入信号求和放大的电路，多个信号的加所示电路是对两个输入信号求和放大的电路，多个信号的加法电路可以仿照这个电路实现。法电路可以仿照这个电路实现。下-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用输出电压等于各输入电压之和的反相。输出电压等于各输入电压之和的反相。二、微分运算电路二、微分运算电路微分运算电路如微分运算电路如图图5-14所示，它是将积分运算电路中的所示，它是将积分运算电路中的R与与C的位置互换后形成的。由虚地和虚断概念可知：的位置互换后形成的。由虚地和虚断概念可知：式式(5-14)表明，输出电压正比于输入电压对时间的微分，表明，输出电压正比于输入电压对时间的微分，RC为微分时间常数，负号表示输出电压与输入电压反相。为微分时间常数，负号表示输出电压与输入电压反相。三、积分运算电路三、积分运算电路上-页 下-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用积分电路和微分电路主要用于信号处理，比如对信号电压进积分电路和微分电路主要用于信号处理，比如对信号电压进行平滑处理或提取信号中的交流成分等。行平滑处理或提取信号中的交流成分等。输出电压是输入电压对时间的积分，输出电压是输入电压对时间的积分，RC为积分时间常数，负为积分时间常数，负号表示输出电压与输入电压反相。号表示输出电压与输入电压反相。积分电路在自动控制和测量系统中被广泛应用，利用它的充、积分电路在自动控制和测量系统中被广泛应用，利用它的充、放电过程可以实现延时、定时及校正等。放电过程可以实现延时、定时及校正等。四、电压比较电路四、电压比较电路电压比较电路又称电压比较器，其功能是将一个输入电压和电压比较电路又称电压比较器，其功能是将一个输入电压和另一个基准电压的大小进行比较，并将比较结果在输出端用另一个基准电压的大小进行比较，并将比较结果在输出端用上-页 下-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用高或低电平表示出来。它通常应用于越限报警、数模转换、高或低电平表示出来。它通常应用于越限报警、数模转换、波形产生等方面。波形产生等方面。1简单电压比较器简单电压比较器简单电压比较器通常采用开环形式构成，其阈值电压简单电压比较器通常采用开环形式构成，其阈值电压UTII为为某一固定值。当输入电压加在运放的同相输入端时称为同相某一固定值。当输入电压加在运放的同相输入端时称为同相电压比较器；当输入电压加在运放的反相输入端时称为反相电压比较器；当输入电压加在运放的反相输入端时称为反相电压比较器。电压比较器。图图5-18(a)所示电路为同相电压比较器。其中所示电路为同相电压比较器。其中Mi为输入电压，为输入电压，UREF为基准电压。由理想运放工作在非线性状态的虚断概念为基准电压。由理想运放工作在非线性状态的虚断概念i-=i+=0可知：可知：上-页 下-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用若改变基准电压若改变基准电压UREF的大小，即可改变阈值电压的大小，即可改变阈值电压UTII。2滞回电压比较器滞回电压比较器简单电压比较器中的阈值电平简单电压比较器中的阈值电平UTII是固定的，当输入电压达是固定的，当输入电压达到阈值电压时，输出电平立即翻转，用简单电压比较器来检到阈值电压时，输出电平立即翻转，用简单电压比较器来检测未知电压，具有较高的灵敏度。但是它易受噪声或干扰的测未知电压，具有较高的灵敏度。但是它易受噪声或干扰的影响，造成误翻转。影响，造成误翻转。滞回电压比较器是在反相电压比较器的基础上由滞回电压比较器是在反相电压比较器的基础上由Rf引入正反引入正反馈构成的。当输出电平发生跳变时，其正反馈迫使同相端电馈构成的。当输出电平发生跳变时，其正反馈迫使同相端电压随之跳变，从而使比较器的阈值电压也随输出电平的状态压随之跳变，从而使比较器的阈值电压也随输出电平的状态改变。改变。上-页 下-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用一个阈值电平为：一个阈值电平为：另一个阈值电平为：另一个阈值电平为：UTH+和和UTH-之差称为回差电压之差称为回差电压上-页 下-页 返回第四节第四节 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用式式(5-18)表明，回差电压表明，回差电压UTH与基准电压与基准电压UREF无关。回差无关。回差电压的存在，可以大大提高电路的抗干扰能力。电压的存在，可以大大提高电路的抗干扰能力。上-页 返回图图5-1后级接发射极电阻的直接藕合电路后级接发射极电阻的直接藕合电路返回图图5-2 NPN管和管和PNP管直接藕合电路管直接藕合电路返回图图5-3 差动放大电路差动放大电路返回图图5-5 集成运放的电路符号集成运放的电路符号返回 图图5-6 A741管脚排列管脚排列返回图图5-7 集成运放的传输特性集成运放的传输特性返回图图5-9同相输入运算电路同相输入运算电路返回图图5-11反相输入运算电路反相输入运算电路返回图图5-12差动输入运算电路差动输入运算电路返回图图5-13加法运算电路加法运算电路返回图图5-14微分运算电路微分运算电路返回图图5-18同相电压比较器及其传输特性同相电压比较器及其传输特性返回