第16章运算放大电路精.ppt

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1、第16章运算放大电路第1页，本讲稿共101页集成电路集成电路:它是用一定的生产工艺把它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线以及它们之间的连线所组成的整个电路所组成的整个电路集成集成在一块半导体基片上，在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为有一定功能的器件，也称为固体器件固体器件固体器件固体器件优优 点：点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了小，实现了元件、电路和系统元件、电路和系统的三结

2、合的三结合16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、小、中、大、超大规模集成电路；中、大、超大规模集成电路；第2页，本讲稿共101页集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点1.单个的精度不是很高单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致性能比较一致2.2.元器件相互离得很近元器件相互离得很近,温度特性较一致温度特性较一致3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不

3、易制造都不易制造 4.4.电感难于制造电感难于制造,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造不易制造第3页，本讲稿共101页16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路分类集成电路分类模拟集成电路：模拟集成电路：数字集成电路数字集成电路集成运算放大器、集成集成运算放大器、集成 功率放大器、集成稳压功率放大器、集成稳压 电源、集成电源、集成

4、A/D、D/A 等。等。第4页，本讲稿共101页16.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采用的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。（2）电路结构和参数具有对称性）电路结构和参数具有对称性 由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的作在同一硅片上

5、，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好。偏差，温度均一性好。（1）级间采用直接耦合方式）级间采用直接耦合方式第5页，本讲稿共101页 集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为值大约为100 30K，且阻值精度不高，因此常常用晶体管，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直流高阻值的场合，必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。也大多采用外接的方法。（3）用有源器件代替无源器件）用有源器件代替无源器件（4）用晶体管代替二极管）用晶体管代替二极管 集成电路中的二极

6、管都采用晶体管构成，把发射集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。极、基极、集电极三者适当组配使用。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸第6页，本讲稿共101页16.1.2 电路的简单说明电路的简单说明中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路一、电路的基本组成及作用一、电路的基本组成及作用一、电路的基本组成及作用一、电路的基本组成及作用输入级：输入级：要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂

7、移和共模干扰信号的能力强。采用差分放大电路。漂移和共模干扰信号的能力强。采用差分放大电路。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。本身还应有高的输入电阻，以发射极放大电路构成。本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。减小对前级的影响。第7页，本讲稿共101页输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路：偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，为各级放大电路提供稳定和合适的偏置

8、电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。+UCCUEEu uo ouu+输入级输入级中间级中间级输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端运算放大器内部结构运算放大器内部结构第8页，本讲稿共101页二、集成电路的封装二、集成电路的封装双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212、1414、1616等种等种类类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212等种类等种类第9页，本讲稿共101页三、运放举例：F007 F007 1 2 3 48 7 6 5 F00776143

9、2582 2反相输入端反相输入端6 6输出端输出端3 3同相输入端同相输入端4 4负电源端负电源端7 7正电源端正电源端8 8闲置端闲置端（NC）1 1、5 5接调零电位器接调零电位器第10页，本讲稿共101页1 1、最大输出电压、最大输出电压U UOPPOPP能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。2 2、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数A Auouo没有外接反馈时所测出的差模电压放大倍数。Auo一般约为一般约为104107（80-140)。3 3、输入失调电压、输入失调电压U UIoIo为使输出等于零而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来完成）16.1.316

10、.1.3运算放大器运算放大器的主要参数主要参数第11页，本讲稿共101页4 4、输入失调电流、输入失调电流I IIOIO当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零点零几微安级。5 5、输入偏置电流、输入偏置电流I IIBIB当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流的平均值，其值愈小愈好。一般在零点几微安级。6 6、最大共模输入电压、最大共模输入电压U UICM ICM 运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就大为下降，甚至造成器件损坏。第12页，本讲稿共101页 ri 高高:几十几十k 几百几百k

11、 运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放：ri KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 A o 很大很大:104以上以上 107Ao 运放的特点和符号运放的特点和符号运放符号：运放符号：u u+uo A0 u u+uo A0 u u+uo 第13页，本讲稿共101页16.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据1.电压传输特性电压传输特性 uo=f(ui)下图所示为运放输入电压和输出电压之间关下图所示为运放输入电压和输出电压之间关系的特性曲线，系的特性曲线，称为称为传输特性传输特性。从图中看到，实际运放。从图中看到，实际运放的传输特性

12、与理想运放比较接近。的传输特性与理想运放比较接近。线性区：线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：非线性区：u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+0 ui=Ui u u 时，时，时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uuu 时，时，时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uu 时，时，时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)即即即即 u ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)可见，在可见，在 ui=UR 处输出电压处输出电压 u

13、o 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压第78页，本讲稿共101页ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第79页，本讲稿共101页URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+Ot+Uo(sa

14、t)Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在反相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2第80页，本讲稿共101页输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 u ui i U UR R，u uo o=U UZ ZUZ U

15、ZuoRDZURuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURu ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o =U Uo o (sat)(sat)第81页，本讲稿共101页设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降稳压管上的电流等于电阻稳压管上的电流等于电阻稳压管上的电流等于电阻稳压管上的电流等于电阻R R1 1和和和和R R2 2电流之和电流之和电流之和电流之和若稳压管电流从左流向右若稳压管电流

16、从左流向右若稳压管电流从左流向右若稳压管电流从左流向右则则则则 u uo o =U UZ Z 若稳压管电流从右流向左若稳压管电流从右流向左若稳压管电流从右流向左若稳压管电流从右流向左 u uo o=U UZ ZDZURuouiR+R2R1UZ UZ电压传输特性电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoO第82页，本讲稿共101页2 2、过零电压比较器、过零电压比较器、过零电压比较器、过零电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特

17、性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)u ui iu uo oO OU UR R=0=0tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O第83页，本讲稿共101页2、过零电压比较器、过零电压比较器DZuoui+R设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 u ui i uu，u uo o =U UZ Z u ui i 0 0，u u+u 0 0，u uo o =U UZ Z 若稳压管电流从右流向左若稳压

18、管电流从右流向左若稳压管电流从右流向左若稳压管电流从右流向左 u ui i 0 0，u uo o=U UZ Z电压传输特性电压传输特性 Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUZ-UZDZuoui+R1R2设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降稳压管上的电流等于电阻稳压管上的电流等于电阻稳压管上的电流等于电阻稳压管上的电流等于电阻R R1 1电流电流电流电流若稳压管电流从左流向右若稳压管电流从左流向右若稳压管电流从左流向右若稳压管电流从左流向

19、右第85页，本讲稿共101页*滞回比较器滞回比较器时时当输出电压当输出电压当输出电压当输出电压时时当当时，时，当当时，时，信号加到反相信号加到反相输入端输入端引回正反馈引回正反馈第86页，本讲稿共101页滞回比较器的传输特性滞回比较器的传输特性uoui0小于回差的干扰不会引起跳转小于回差的干扰不会引起跳转称为回差称为回差上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压第87页，本讲稿共101页练习与思考练习与思考1 1 1 1、图中、图中、图中、图中U U U UR R R R为参考电压且为正值，为参考电压且为正值，为参考电压且为正值，为参考电压且为正值，R R R R和和和和G G G G分别为红色

20、和绿色发分别为红色和绿色发分别为红色和绿色发分别为红色和绿色发光二极管，试判断在什么情况下它们会亮？光二极管，试判断在什么情况下它们会亮？光二极管，试判断在什么情况下它们会亮？光二极管，试判断在什么情况下它们会亮？uiuR+R RGG第88页，本讲稿共101页1.1.矩形波发生电路矩形波发生电路双向稳压管,起输出限幅作用R R1 1和和R R2 2构成正反馈电路构成正反馈电路 起限流的作用起限流的作用反相输入端的电压反相输入端的电压电容两端电压的变化是电容通过电容两端电压的变化是电容通过电阻电阻R RF F的充放电实现的的充放电实现的R RF F和和C C构成负反馈电路构成负反馈电路通过比较通

21、过比较的大小可的大小可得出输出电压得出输出电压U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z*16.4 *16.4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用第89页，本讲稿共101页思考题：如何改变矩形波的周期思考题：如何改变矩形波的周期T T？1.1.矩形发生器的波形矩形发生器的波形U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z第90页，本讲稿共101页组成积分电路组成比较器2.2.三角波发生器三角波发生器第91页，本讲稿共101页当当电路工作稳定后电路工作稳定后,当当从从

22、R R2 2R RF FR R1 1u uo1o1D DZ ZR R5 5R R4 4C CF Fu uo ou uc cR R6 6R R3 3第92页，本讲稿共101页如何计算周期如何计算周期?三角波发生器的波形三角波发生器的波形第93页，本讲稿共101页3.3.锯齿波发生器锯齿波发生器与三角波发生器电路基本相同。只是电阻与三角波发生器电路基本相同。只是电阻R R4 4被被分为两路，使正负向积分的时间常数不等。分为两路，使正负向积分的时间常数不等。第94页，本讲稿共101页16.5 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题1.选用元件 根据实际要求来选用运算放

23、大器根据实际要求来选用运算放大器,主要是根据使用条主要是根据使用条件及运放的参数进行选择件及运放的参数进行选择。2.消振 这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他这是为避免运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响寄生参数的影响,使电路产生自激振荡，即外加消振的方使电路产生自激振荡，即外加消振的方法。法。3.调零 由于运放内部参数不可能完全对称由于运放内部参数不可能完全对称,输入信号为零输入信号为零,输出可能不为零输出可能不为零,为此为此,在使用时必须调零。在使用时必须调零。第95页，本讲稿共101页4.保护输入电压将限制在二极管的正向压降以下(1)(1)输入保护输入保护R R2

24、 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o第96页，本讲稿共101页（2 2）输出端保护输出端保护将两个稳压管反向串联,将输出电压限制在一定的范围内第97页，本讲稿共101页用二个二极管来保护,以护止正、负电源接反.（3 3）电源保护电源保护第98页，本讲稿共101页（5 5）扩大输出电流扩大输出电流互补对称电路第99页，本讲稿共101页运算电路要求运算电路要求1.1.了解集成运放的基本组成及其主要参数的意义；了解集成运放的基本组成及其主要参数的意义；理解运放的电压传输特性理解运放的电压传输特性2.2.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大熟记各种单运放组成的基本运算电路的电

25、路图及放大倍数公式。倍数公式。2.2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.3.会用会用 “虚开路虚开路(i ii i=0)=0)”和和“虚短路虚短路(u u+=u u)”分分析给定运算电路的放大倍数。析给定运算电路的放大倍数。4.4.理解电压比较器的工作原理和应用。理解电压比较器的工作原理和应用。5.5.了解运放使用时要注意的问题。了解运放使用时要注意的问题。第100页，本讲稿共101页作业作业习题习题16.1.1 16.2.1 16.2.616.1.1 16.2.1 16.2.616.2.9 16.2.12 16.2.13 16.2.9 16.2.12 16.2.13 16.2.1516.2.15实验：运算放大器的应用实验：运算放大器的应用 第101页，本讲稿共101页