第四章 集成运算放大器.ppt

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1、第四章 集成运算放大器,运算放大器(operational amplifier)简称为运放，是一种高增益直流放大器，最初因用在模拟计算机中进行各种数学运算而得名，如果将整个运算放大器制成在一个小硅片上，就成为集成运算放大器(integrated operational amplifier)。 由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电量少等优点得到了广泛应用。可完成放大、振荡、调制、解调及模拟信号的各种运算和脉冲信号的产生等。 本章将介绍集成运放的基本知识、基本电路及其主要应用。,主要内容,第一节 运算放大器的基本知识第二节 运算放大器的基本电路第三节 运算放大器的应用,

2、第一节 运算放大器的基本知识,一. 集成运算放大器的组成 集成运放通常由输入放大级、中间电压放大级、输出级以及偏置电路等四部分组成。 输入级采用差动放大电路，要求输入阻抗高、零点漂移小、抗共模干扰能力强；中间级一般由共发射极放大电路构成，主要用于高增益的电压放大；输出级与负载相接，要求输出阻抗低、带负载能力强、能够提供足够大的电压与电流；偏置电路一般由恒流源电路构成，给上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。此外，电路还备有过流保护电路。,集成运放的基本组成,右图是运算放大器的电路符号。它有两个输入端和一个输出端。反相输入端标“-”号，同相输入端标“+”号。输出电压与反相输

3、入电压相位相反，与同相输入电压相位相同。此外还有两个端分别接正、负电源，有些集成运放还有调零端和相位补偿端。在电路中不画出。,二. 集成运算放大器的使用,1. 调零 实际运算放大器，当输入为零时输出并不为零，采用调零技术可使输入为零时输出也为零。,2. 消振 集成运放是多级直接耦合的放大器，因存在着分布电容等分布参数，信号在传输过程中会产生相移。 信号频率变化时，相移也变化。当运放闭环(输出端与输入端经过导线、元器件相连)后，会在某些频率上产生自激振荡。为了使放大器工作稳定，通常外接RC消振电路或消振电容，用来破坏产生自激振荡的条件。,3.保护 输入端保护是当输入端所加的电压过高时会损坏输入级

4、的晶体管。在输入端处接入两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下；,输出端保护是为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，将两个稳压管反向串联，将输出电压限制在(Uz+UD)的范围内，其中，Uz是稳压管的稳定电压，UD是它的正向管压降；,电源保护 是为了防止正、负电源接反，可用二极管进行保护。,三. 集成运放的主要性能指标,1. 输入失调电压Uis： 对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压Uis，其值等于输入

5、电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。Uis一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。,2. 输入失调电流Iis： 输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流I+与I-之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。Iis是由差动输入级两个晶体管的值不一致所引起的。,3. 开环电压增益Kd： 开环电压增益是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。也可用Kd的常用对数表示。一般运放的电压增益都很大，为60100dB，高增益运放可达140dB(即107)。,(4)输入阻抗ri和输出阻抗ro： 输入阻抗ri是指运放开环运用时，从两个输入端

6、看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电流Ii的变化之比，即ri=Ui/Ii，ri越大越好。双极型晶体管输入级的ri值为104-106，单极型场效应管输入级ri可达109以上。输出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之内。,(5)共模抑制比CMRR： 共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。CMRR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的CMRR都可达到80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。,运放还有很多其他指标：如转换速率是指放大器在闭环状态下，输入放大信号时，放大器输出电压对时间的

7、最大变化速率。运放的静态功耗是指没有输入信号时的功耗，通常约为数十毫瓦，有些低耗运放，静态功耗可低到0.1mW以下，这个指标对于便携式或植入式医学仪器是很重要的。运放的最大共模输入电压是指运放共模抑制比明显恶化时的共模输入电压值，通常约为几伏到十几伏。运放的电源电压，一般从几伏到几十伏。,四.集成运算放大器的理想模型,集成运放理想化的条件是：开环电压放大倍数Kd，输入阻抗ri，输出阻抗ro0，共模抑制比CMRR，输入信号为零时，输出电压为0，且特性不随温度而变化。,由此理想运放在线性运用时有以下重要结论：运放两个输入端的电压近似相等，即U+U-：因为Kd，则ui=u+-u-=uo/Kd=0，所

8、以u+=u-。这样，两个输入端可以认为是虚连接，当其中一个输入端接地时，另一个输入端也为零电位，称为“虚地”(imaginary ground)。,两个输入端的输入电流近似为零，即Ii0 因为ri，所以Ii=（u+-u-)/ri=0。 上面两个结论，虽然是从理想运放的特性得到的，但比较符合实际情况，因此，对于各种实际的集成运放电路，可以用理想模型进行分析、计算，这样可使电路的分析大大地简化，同时也不影响结果。,第二节 运算放大器的基本电路,一. 反相放大器 输入电压ui经电阻R1由反相输入端输入，输出端与反相端之间接一反馈电阻RF，同相输入端与地之间接一平衡电阻R2，且R2=R1/RF，以保证

9、运放输入端的对称。,因Ii=0，故i1if，因此,又因u+u-=0，因此,KF为反相放大器的闭环电压放大倍数，它只与外接电阻R1、RF有关，而与集成运放本身参数无关。只要电阻值足够精确，则输出电压uo与输入电压ui可得到高精度的比例关系，负号表示uo与ui相位相反，所以称反相放大器。,当RF=R1时，uo=-ui，构成反相器。反相放大器是一种电压并联负反馈电路，输出阻抗低。因其反相输入端为虚地，所以该电路的输入电阻是R1。,对于具有内阻Rs的信号源，上面公式中的R1应当用R1+Rs代替，为了不使电压增益受Rs的太大影响，R1应该取大一些。但为了保证输入电流远大于偏置电流，R1应远小于运放的内阻

10、，对于通用型运放，R1不宜超过数十千欧，反馈电阻RF越大则电压增益越大，但要求反馈电流也应远大于偏置电流，所以RF也不能取得过大，通常不宜超过兆欧。因此，当Rs达到数千欧时，这个电路难以获得高增益。另外，反相放大器是并联负反馈电路，该放大器的输入电阻小，故它不能应用到高内阻信号源上。,右图为高增益的反相放大器，反馈电压从分压电阻R3和R4的连接点引出，这仍是一个电压并联负反馈电路。 由于R3/R4可以取很大值，因此这个电路可以获得很高的电压增益。,二. 同相放大器 将反相放大器中R1端接地，输入电压ui经电阻R2由同相输入端输入，即可构成同相放大器(noninverting amplifier

11、)，实现输出电压uo与输入电压ui之间的同相比例运算。,因Ii=0，故i1if，因此,又因u+u-，因此,uo与ui之间的比例关系也与运放本身的参数无关，电路精度和稳定度都很高。KF为正表示uo与ui同相，并且KF总是大于或等于1，这一点与反相放大器不同。,当RF=0时KF=1，电路就变成电压跟随器。 同相放大器实际上是一个电压串联负反馈放大器，因此其输入阻抗高、输出阻抗低，而且增益不受信号源内阻的影响。该电路的不足是其共模抑制比CMRR不太大。,解：放大电路由A1、A2串行连接而成，其中A1是跟随器，因此Uo1=Ui=2V 它又是A2的输入信号电压，A2是反相放大器，因此Uo=-(RF/R1

12、)Uo1=4V,三. 差分放大器 右图是基本的差分放大器，信号电压同时从双端输入，可实现减法运算。 根据理想运放条件，得 当R1=R2，R3=RF时，R1=R2=R3=RF，则uo=ui1-ui2。,该电路的反馈对同相输入端是电压串联负反馈，对反相输入端是电压并联负反馈，它的主要缺点是输入阻抗低，运放的高内阻没有发挥作用；而且对不同信号源，差分放大器的内阻不同，外接电阻的平衡条件也要随之改变，因此使用很不方便，实际电路要进行改进，详见后面的并联型差分放大器。,第三节 运算放大器的应用,一. 加法和减法运算电路 对于低内阻信号源，双端都采取并行输入可以同时实现加减法运算，下图是实现加减法运算的基

13、本电路。,由Ii=0，得,设,即,整理后，得,若调节R5，使R+=R-，则,上式表明，输出电压等于各输入电压按不同的比例相加或相减。如果Rl、R2、R3、R4、RF取不同值，需按权重进行加减法；如果Rl=R2=R3=R4=RF可以实现加减运算，即 uo=(ui1+ui2)-(ui3+ui4)如果只从反相端并行输入信号，可以实现反相加法运算，即uo=-(ui3+ui4)如果只从相同端并行输入信号，可以实现同相加法运算，即uo= (ui1+ui2)输入端个数可以根据实际需要适当增减，剩余的输入端要接地。,二. 积分和微分运算电路积分运算电路 将反相放大器的反馈电阻换成电容器CF，放大电路如图所示。

14、,假定反馈电容CF初始电压为0，则,上式表明，输出电压uo是输入电压ui对时间的积分，R1CF叫做时间常数，负号表示输出电压与输入电压在相位上相反。 这个电路应用到有直流成分的输入电压时，积分时间不能太长，以免输出电压达到饱和。因此要增加一些开关，积分时间结束时切断输入回路，积分开始前使电容器放电。 积分运算电路常用于对呼吸流速等进行积分处理，求得呼吸流量、血液流量等生理参数。,2. 微分运算电路 微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的反馈电容CF和输入电阻R1交换位置，即构成微分运算放大器。,由上面两式得，,即输出电压与输入电压的微分成正比。,在使用微分电路时，输入电压变化不能太大，

15、否则运放将达到饱和，甚至被损坏。微分电路的主要缺点是干扰较严重，因为干扰电压变化很快，频谱很宽，频率越高的成分放大越多，形成很多尖峰。 在微分运算前先经过低通滤波可以大改善这个电路的性能。微分运算放大电路可用来对血压、阻抗容积图等波形进行处理，以求得其变化速率。,三. 对数和反对数运算电路,1. 对数运算电路以二极管代替反相放大器中的反馈电阻RF，即可构成对数运算放大电路。二极管PN结的正向电流为：,UT=26mV，i1=ui/R1，理想运放，i1=iD，因此,两边取对数，又uo=-uD，则,上式说明，电路的输出电压与输入电压的对数成正比关系。 实际电路中，常用三极管的发射结代替二极管。该电路

16、只适用于ui0的情况，若ui0，则需将二极管两极对调连接。 这个电路的主要缺点是受温度影响很大，其次是小电流和大电流时误差较大。对数运算放大电路在生物医学仪器中应用较多，但实际电路较复杂。,2. 反对数运算电路 反对数运算是对数运算的逆运算，又叫指数运算。将对数运算电路中的二极管与输入电阻交换位置，即可构成反对数运算放大电路。,因为：,所以：,上式表明电路的输出电压与输入电压的反对数成正比。 实际电路中常用三极管代替二极管。当uif0的高频信号，两个串联的电容C阻抗很低，信号可经电容直接传输到运放的同相输入端即u+=ui；对于ff0的低频信号，电容2C的阻抗非常高，信号可经两个串联的电阻R直接

17、传输到运放的同相端即u+=ui；只有当f=f0时，分别从高通滤波通道(两个电容C和一个电阻R/2构成)和低通滤波通道(两个电阻R和一个电容2C构成)传输到同相输入端的电压正好大小相等、相位相反，相互抵消，输出电压为零。,理论上可以证明，该电路的Q值为 如R2=30，R3=1k，则Q=8。 如果取R1=10k，信号中陷波带以外的成分 可放大10倍。Q值不宜过大，通常不超过10，否则易产生振荡。 如果选取C=0.1F，R=31.8k ，则陷波频率f0=50Hz，构成市电50Hz陷波器。,这个电路的缺点是配置适当的电容和电阻麻烦且不易调节，右图所示的电路解决了调节的困难。可以这样理解，R1和R2分别与相应的电容组成两节高通滤波器，每一节的输出电压都比输入电压超前一个小于/2的相位，再经过电容传输，它与上支路经由电阻R3传输的电压合成时，在某一适当频率处正好幅度相等，相位相反，使输出电压为零，可见调节图中的电位器，可以改变中心频率，又不影响选频条件。,