第十六讲 集成运放的结构、工作原理和主要参数.ppt

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1、7-1 集成运放的特点和电路结构集成运放的特点和电路结构7-2 集成运放的特性参数集成运放的特性参数7-3 理想的集成运放理想的集成运放7-4 集成运放的线性应用集成运放的线性应用7-5 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用 集成运算放大器，简称集成运放，是一集成运算放大器，简称集成运放，是一 个个高性能高性能的直的直接耦合多级放大电路，因首先用于运放，故而得名。接耦合多级放大电路，因首先用于运放，故而得名。1、采用直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性，、采用直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性，采用差分放大电路和电流源电路。采用差分放大电路和电流源电路。通用型集成运放：通用型

2、集成运放：单运放单运放LM741；四运放四运放LM324专用型集成运放：专用型集成运放：高精度型：高精度型：AD7977-1 集成运放的特点和电路结构集成运放的特点和电路结构2、用有源器件代替无源元件，如用晶体管代替占面积大的、用有源器件代替无源元件，如用晶体管代替占面积大的 大电阻，三极管当二极管用等。大电阻，三极管当二极管用等。3、利用纵向、利用纵向NPN管管值较大、横向值较大、横向PNP管的耐压比较高的特管的耐压比较高的特 点，接成复合管的组态，点，接成复合管的组态，形成性能优良的各种放大电路。形成性能优良的各种放大电路。一、一、集成运放的特点集成运放的特点集成运放的分类：集成运放的分类

3、：4、体积小、可靠性高、功耗低、成本低、使用方便。、体积小、可靠性高、功耗低、成本低、使用方便。二、二、集成运放的一般构成（通用型）集成运放的一般构成（通用型）偏置电路：偏置电路：由恒流源电路组成，向各放大级提供合适的偏由恒流源电路组成，向各放大级提供合适的偏置电流；置电流；输输 入入 级：级：大多采用差动放大电路，要求输入电阻大，共大多采用差动放大电路，要求输入电阻大，共模抑制比高，耐压高；模抑制比高，耐压高；中中 间间 级：级：输输 出出 级：级：主放大器，多采用共射放大电路，要求有足主放大器，多采用共射放大电路，要求有足够大的放大能力；够大的放大能力；一般为互补推挽功率放大器，要求输出电

4、阻小，一般为互补推挽功率放大器，要求输出电阻小，输出电压尽可能大，通常含有保护电路。输出电压尽可能大，通常含有保护电路。输输入入级级中中间级间级输输出出级级偏置偏置电电路路u+u-uO三、三、集成运放的符号和封装集成运放的符号和封装若将集成运放看成若将集成运放看成一个黑盒子，则可一个黑盒子，则可等效为一个双端输等效为一个双端输入单端输出的高性入单端输出的高性能差分放大电路。能差分放大电路。输输入入级级中中间级间级输输出出级级偏置偏置电电路路u+u-uO1 1、电路符号、电路符号+-u+u-uOA同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端同相输入端：信号从该端输入时，输出与输入同相。同相输入端：信

5、号从该端输入时，输出与输入同相。反相输入端：信号从该端输入时，输出与输入反相。反相输入端：信号从该端输入时，输出与输入反相。+-u+u-uOA2 2、封装、封装金属圆壳式；金属圆壳式；双列直插式；双列直插式；扁平式扁平式四、四、通用型集成运放通用型集成运放LM741对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级。流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级。四、四、通用型集成运放通用型集成运放LM741双入单出的共集双入单出的共集-共基共基差分放大电路差分放大电路复合管为放大管、复合管为放大管、恒流源作负

6、载的共恒流源作负载的共射放大电路射放大电路用用UBE倍增电路倍增电路消除交越失真的消除交越失真的互补推挽输出级互补推挽输出级四、四、通用型集成运放通用型集成运放LM741T1T6组成差分式放大电路；组成差分式放大电路；T1、T3和和T2、T4组成复合差分电路；组成复合差分电路；采用共集形式可以提高输入阻抗，共基形采用共集形式可以提高输入阻抗，共基形式频带宽；式频带宽；T3、T4为横向为横向PNP管，耐压高，因此允管，耐压高，因此允许的共模输入电压大；许的共模输入电压大；T5、T6、T7组成精密镜像电流源作为组成精密镜像电流源作为T3、T4的有源负载，能有效地提高共模抑制比；的有源负载，能有效地

7、提高共模抑制比；Rp为外接的调零电位器，通过调节为外接的调零电位器，通过调节Rp可以可以保证静态时输出为零。保证静态时输出为零。四、四、通用型集成运放通用型集成运放LM741T16T17组成复合管共射放大组成复合管共射放大电路，电路，T13B作为有源负载，作为有源负载，交流电阻很大，所以本级可以交流电阻很大，所以本级可以获得很高的电压增益，同时具获得很高的电压增益，同时具有较高的输入电阻。有较高的输入电阻。电容电容CC用于相位补偿（密勒）用于相位补偿（密勒）补偿，避免电路产生自激振荡。补偿，避免电路产生自激振荡。四、四、通用型集成运放通用型集成运放LM741T14T20组成互补推挽输出电路。组

8、成互补推挽输出电路。T19作二极管用，与作二极管用，与T14、R8组成组成UBE倍增电路，使电路工作在甲乙类状倍增电路，使电路工作在甲乙类状态，消除交越失真。态，消除交越失真。T24为射极跟随器，起隔离作用，减为射极跟随器，起隔离作用，减小输出级对中间级的负载影响。小输出级对中间级的负载影响。四、四、通用型集成运放通用型集成运放LM741 正常工作时，正常工作时，T15、T21处于截止状态。当电流处于截止状态。当电流过大时，过大时，R9、R10的压降增大，的压降增大，T15、T21导通。导通。T15导通后，对导通后，对T14的基极产生分流作用，限制的基极产生分流作用，限制T14的电流，保护的电

9、流，保护T14。T21导通后，使导通后，使T23、T22导通，使导通，使T16的基极电的基极电位降低，使位降低，使T24的基极电位升高，导致的基极电位升高，导致T20趋于截趋于截止，因而限制止，因而限制T20的电流，保护的电流，保护T20。1、开环差模电压增益、开环差模电压增益AOd集成运放在无外加反馈情况下的差模电压增益。集成运放在无外加反馈情况下的差模电压增益。+-u+u-uOAOd越大越好，一般在越大越好，一般在70120dB范围内。范围内。2、差模输入电阻、差模输入电阻ridrid：几兆欧；：几兆欧；若以场效应管作为若以场效应管作为输入级可达输入级可达106M 3、输出电阻、输出电阻r

10、O集成运放输出端的对地等效电阻集成运放输出端的对地等效电阻,反映了集成运放的带负载能力。反映了集成运放的带负载能力。rO：1001000欧姆欧姆7-2 集成运放的主要技术参数集成运放的主要技术参数4、共模抑制比、共模抑制比KCMR开环差模电压增益与开环共模电压增益之比。开环差模电压增益与开环共模电压增益之比。KCMR越大越好，一般在越大越好，一般在80160dB范围内。范围内。5、-3dB带宽带宽BWAOd由直流增益下降由直流增益下降3dB时所对应的信号频率。时所对应的信号频率。6、单位增益带宽、单位增益带宽BGAOd下降到下降到1（0dB）时对应的频率。）时对应的频率。BW：几：几Hz 几千

11、几千Hz；BG：0.45MHz；7-2 集成运放的主要技术参数集成运放的主要技术参数7、输入失调电压、输入失调电压 UI0及其温漂及其温漂 UI0静态时为使输出电压为静态时为使输出电压为0，需要在输入端所加的补偿电，需要在输入端所加的补偿电压，其值表征了运放输入级的对称性，在一定程度上也压，其值表征了运放输入级的对称性，在一定程度上也反映了温漂的大小。反映了温漂的大小。输入失调电压输入失调电压 UI0的温度变化率。的温度变化率。UI0：110mV；UI0：510 V/C；8、最大共模输入电压、最大共模输入电压UICm表示集成运放所能承受的最大共模电压。若超过此值，表示集成运放所能承受的最大共模

12、电压。若超过此值，运放的共模抑制比将显著恶化。运放的共模抑制比将显著恶化。9、最大差模输入电压、最大差模输入电压UIdm表示集成运放两输入端之间所能承受的最大电压。若表示集成运放两输入端之间所能承受的最大电压。若超过此值，运放输入级中差分对管中的一个管子的发超过此值，运放输入级中差分对管中的一个管子的发射结可能被反向击穿。射结可能被反向击穿。7-2 集成运放的主要技术参数集成运放的主要技术参数10、输入偏置电流、输入偏置电流 IIB输出电压为输出电压为0时，两个输入端偏置电流的平均值。时，两个输入端偏置电流的平均值。典型值：典型值：10几千几千nA11、输入失调电流、输入失调电流 II0及其温

13、漂及其温漂 II0输入失调电压输入失调电压 II0的温度变化率。的温度变化率。输出电压为输出电压为0时，两个输入端的偏置电流之差。时，两个输入端的偏置电流之差。II0：几十：几十一百一百nA；II0：0.01 II0/C；7-2 集成运放的主要技术参数集成运放的主要技术参数7-2 集成运放的特性指标集成运放的特性指标指标参数指标参数741典型值典型值理想值理想值开环差模增益开环差模增益Aod:106dB 差模输入电阻差模输入电阻rid:2M 差模输出电阻差模输出电阻ro:100 0共模抑制比共模抑制比KCMR：90dB 输入失调电压输入失调电压UIO:1mV0uIO的温漂的温漂dUIO/dTV

14、/C0输入失调电流输入失调电流IIO:20nA0IIO的温漂的温漂dIIO/dT:nA/C0最大共模输入电压：最大共模输入电压：13V最大差模输入电压：最大差模输入电压：30V3dB带宽：带宽：10Hz 转换速率：转换速率：0.5V/s7-3 理想运算放大器理想运算放大器一、理想运放的技术指标一、理想运放的技术指标二、集成运放的传输特性二、集成运放的传输特性三、理想运放工作在线性区的特点三、理想运放工作在线性区的特点四、理想运放工作在非线性区的特点四、理想运放工作在非线性区的特点一、一、理想运放的技术指标理想运放的技术指标理想运放理想运放将各项技术指标理想化的集成运放。将各项技术指标理想化的集

15、成运放。开环差模电压增益：开环差模电压增益：差差 模模 输输 入入 电电 阻：阻：输输 出出 电电 阻：阻：共共 模模 抑抑 制制 比：比：AOdridrOKCMRIIBIIOUIOBW零点漂移零点漂移 0 000 0uOu+-u-0UOHUOL二、二、集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性线性线性区区非线非线性区性区非线非线性区性区1 1、线性区、线性区当差模输入信号较小时，输当差模输入信号较小时，输出与输入是线性的关系。出与输入是线性的关系。由于运放的开环差模电压增由于运放的开环差模电压增益很高，所以线性范围很小，益很高，所以线性范围很小，一般不超过一般不超过0.1mV.2 2、非线

16、性区、非线性区若差模输入信号过大，超出其线性范围时，会导致运放内若差模输入信号过大，超出其线性范围时，会导致运放内部的某些晶体管饱和或截止，此时运放的输出电压只有两部的某些晶体管饱和或截止，此时运放的输出电压只有两种情况，要么为正向饱和值，要么为负向饱和值。种情况，要么为正向饱和值，要么为负向饱和值。三、三、理想运放工作在线性区时的特点理想运放工作在线性区时的特点因理想运放因理想运放AOd=；运放工作在线性区时：运放工作在线性区时：+-u+u-uO1 1、理想运放的差模输入电压等于零、理想运放的差模输入电压等于零“虚短虚短”运放的两输入端电位相等，如同将两点短路一样，但实运放的两输入端电位相等

17、，如同将两点短路一样，但实际上并未真正被短路，将这种现象称为际上并未真正被短路，将这种现象称为“虚短虚短”。实际运放实际运放AOd越大，将输入端视为越大，将输入端视为“虚短虚短”带来的误差越小。带来的误差越小。由于理想运放由于理想运放rid=，因此两输入端均没有电流。因此两输入端均没有电流。2 2、理想运放的输入电流等于零、理想运放的输入电流等于零“虚断虚断”运放的输入电流等于运放的输入电流等于0，如同将两点断开，但实际上并，如同将两点断开，但实际上并未真正被断开，将这种现象称为未真正被断开，将这种现象称为“虚断虚断”。实际运放实际运放rid越大，将输入端视为越大，将输入端视为“虚断虚断”带来

18、的误差越小。带来的误差越小。“虚短虚短”和和“虚断虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常作为分析运放应用电路的出发点，必须牢牢掌握。要结论，常作为分析运放应用电路的出发点，必须牢牢掌握。+-u+u-uOi+i-三、三、理想运放工作在线性区时的特点理想运放工作在线性区时的特点四、四、理想运放工作在非线性区时的特点理想运放工作在非线性区时的特点1 1、输出电压的值只有两种可能：、输出电压的值只有两种可能：或等或等于正向饱和值；或等于负向饱和值。于正向饱和值；或等于负向饱和值。uOu+-u-0UOHUOL非线非线性区性区非线非线性区性区理想特性理想特性注意：

19、注意：运放工作在非线性区时，运放工作在非线性区时，差模输入电压可以较大，所以差模输入电压可以较大，所以“虚短虚短”现象不复存在。现象不复存在。2 2、理想运放的输入电流等于零、理想运放的输入电流等于零“虚断虚断”理想运放理想运放rid=，时，发生状态的转换。时，发生状态的转换。注意问题注意问题理想运放工作在线性区和非线性区时，各有不同的特点。理想运放工作在线性区和非线性区时，各有不同的特点。在分析运放的各种应用电路时，首先必须判断其中的运放在分析运放的各种应用电路时，首先必须判断其中的运放工作在哪个区域。工作在哪个区域。线性区：虚短、虚断线性区：虚短、虚断非线性区：有虚断无虚短；输出为正向（负向）饱和值。非线性区：有虚断无虚短；输出为正向（负向）饱和值。线性区：线性区：非线性区：非线性区：必须要在电路中引入深度负反馈。必须要在电路中引入深度负反馈。运放工作在开环状态。运放工作在开环状态。