集成电路运算放大器及应用.ppt

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1、第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器及应用及应用基本要求：基本要求：了解差动放大电路的工作原理；了解差动放大电路的工作原理；掌握运算放大器的分析方法。掌握运算放大器的分析方法。基本内容：基本内容：差动放大电路差动放大电路集成运算放大器集成运算放大器集成电路运算放大器的应用集成电路运算放大器的应用1第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器5.1 差动放大电路差动放大电路集成电路集成电路运算放大器是一种具有运算放大器是一种具有高放大倍高放大倍数数的的多级直接耦合多级直接耦合放大电路。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

2、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，这种现象就称为为零点漂移零点漂移。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采用差动放大电路差动放大电路。2第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器一一.电路结构电路结构特点特点：对称对称 二二.静态分析静态分析（ui1=ui2=0)3第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.1/5.1 差动放大电路差动放大电路综上所述综上所述：1）电路）电路(对称

3、性对称性)具有抑制具有抑制零点零点漂移的作用；漂移的作用；2）RE的主要作用是引入电的主要作用是引入电流负流负反馈，稳定电路工作点，反馈，稳定电路工作点，抑制单个抑制单个管子的零点漂移管子的零点漂移。3）电源（）电源（-UEE）的作用是：的作用是：a）对三极管对三极管T 1、T 2提供基极电流；提供基极电流；b）补偿补偿I E在在RE上产生的直流压降，使上产生的直流压降，使VE=0，则，则UCE=VC，输出电压有较大的变化范输出电压有较大的变化范围。围。4第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器若若ui1=ui2时时，称，称为为共模信号，记为：共模信号，记为：uic=ui1=ui2。

4、分析：分析：电路是完全对称；电路是完全对称；则则uo=uc1uc2=0，Auc=0差动放大电路双端输差动放大电路双端输出时，对出时，对共模信号没共模信号没有电压放大作用。有电压放大作用。三三.动态分析（动态分析（u ui1i100，u ui2 i2 0)0)1.共模输入信号（共模输入信号（Common-mode input）5第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器若若 ui1=ui2时，时，称为称为差模输入信号，记差模输入信号，记为为uid1=-uid2或或“uid=(uid1-uid2)=(ui1-ui2)”。分析：分析：ib1=ib2，ic1=ic2，ie1=ie2，ie=0u

5、RE=0，RE对差模信对差模信号电流不起作用。号电流不起作用。设设:uid10,uid20;uid=uid1-uid2=2uid12.差差模输入信号模输入信号 （Differential-mode input）uO=uO1-uO2=2uO16第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器差模信号通路差模信号通路(c1和和c2间接入间接入RL)微变等效电路微变等效电路双端输入、双端输出时，双端输入、双端输出时，电压放大倍数为单管电压电压放大倍数为单管电压放大倍数。放大倍数。双端输入、单端输出时，双端输入、单端输出时，7第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器表述：表述：当两个输入信

6、号既非共模，又非差模，它当两个输入信号既非共模，又非差模，它们的大小和极性是任意的，这样的输入信号称为们的大小和极性是任意的，这样的输入信号称为比较输入信号。比较输入信号。分析：分析：对于任何对于任何ui1和和ui2都可以将其分解成共模都可以将其分解成共模信号和差模信号的叠加，即信号和差模信号的叠加，即 ui1 =uc +uid1 ui2 =uc+uid2 3.比较输入信号比较输入信号Auc=0Aud0根据叠加原理根据叠加原理uo=Auduid+Aucuic=Aud(ui1-ui2)电路电路对差模信号有放大作用，对差模信号有放大作用，故称差动故称差动放大放大电路电路8第五章第五章 集成电路运算

7、放大器集成电路运算放大器四四.差动放大电路的四种接法差动放大电路的四种接法1.1.双端输入、双端输出双端输入、双端输出 uid=ui1-ui2,u0=u01-u02 Aud=uo/uid=Au12.2.单端输入、双端输出单端输入、双端输出ui1或或ui2=0,u0=u01-u02 Aud=uo/uid 同上同上3.3.双端输入、单端输出双端输入、单端输出 uid=ui1-ui2,u0=u01 Aud单单=Aud/24.4.单端输入、单端输出单端输入、单端输出ui1或或ui2=0,u0=u01 Aud单单=Aud/2差动放大电路电差动放大电路电压压放大倍数只与放大倍数只与输出形式有关输出形式有关

8、9第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器五五.电路的相位关系电路的相位关系因为输入电压因为输入电压ui1与输出电压与输出电压uO反相，所反相，所以称以称ui1端端为反相输入端。而输入电压为反相输入端。而输入电压ui2与与输出电压输出电压uO同相，所以同相，所以称称ui2端为同相输入端为同相输入端。端。集成运放作为完整的独立器件，集成运放作为完整的独立器件，图形符图形符号号只画出三个信号端，即只画出三个信号端，即2 2个输入端，个输入端，1 1个输个输出端出端,v-为反相输入端为反相输入端,v+端为同相输入端端为同相输入端。v+v-10第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大

9、器5.3集成运算放大器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11第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器二二.集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aod是是指指集集成成运运放放工工作作在在线线性性区区，接接入入规规定定的的负负载载，无无负负反反馈情况下的直流差模电压放大倍数。馈情况下的直流差模电压放大倍数。2最大输出电压最大输出电压Uop-p最最大大输输出出电电压压是是指指在在额额定定的的电电压压下下，集集成成

10、运运放放的的最最大大不不失失真真输输出出电电压压的的峰峰一一峰峰值值。用用集集成成运运放放的的传传输输特特性性曲曲线线表示表示Uop-p的的影响。影响。3最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax所指的是集成运放的反相和所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大同相输入端所能承受的最大电压值。电压值。4最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax这是指运放所能承受的最大这是指运放所能承受的最大共模输入电压。共模输入电压。UoUidUOM=Uop-p/2-UOM0线性区线性区12第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.3 /5.3 集成运算放大器集成运算放大器三三.集成运

11、算放大器的低频等效电路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，同相，所以称所以称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称为净输入电流。称为净输入电流。u+u-u0ui+_-+A0dUidr0ii13第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.3

12、 /5.3 集成运算放大器集成运算放大器2.集成运算放大器的理想模型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；。；。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，这这一一概概念念称称之之为为“虚虚短短”。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ii

13、0，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断开开，这这一一概概念念称称之为之为“虚断虚断”。即。即ii014第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.3 /5.3 集成运算放大器集成运算放大器/集成运算放大器的低频集成运算放大器的低频等效电路等效电路5.4集成电路运算放大器的应用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器的概念是分析集成运算放大器线性应用的理论根据线性应用的理论根据。一一.比例运算电路比例运算电路对对输输入入信信号号实实现现比比例例运运算算的的电电路路称称比比例例运运算算电电路路。根根据据输输

14、入入信信号号端端钮钮不不同同，比比例例运运算算电电路路可可分分为为反反相相比比例例运运算算电路和同相比例运算电路。电路和同相比例运算电路。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 15第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器反相比例运算电路的反相比例运算电路的特点：特点：存在存在“虚地虚地”，共摸输入分量近似为零。，共摸输入分量近似为零。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与运算放大与运算放大器本身的参数无关

15、，其精度和稳定性都很高。器本身的参数无关，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。馈。R2为平衡电阻，为保证集成运算放大器第一级差动放为平衡电阻，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，应选择大电路中结构的对称性，应选择R2=R1/Rf。16第五章第五章 集成电路运算放

16、大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/比例运算电路比例运算电路 2.2.同相比例运算电路同相比例运算电路ii=0,有有ii=ifu-=u+=ui,有有17第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/比例运算电路比例运算电路 同相输入运算电路同相输入运算电路特点特点：u-=u+=ui，引入共摸输入信号，要求引入共摸输入信号，要求CMRR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与与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都较高。运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定

17、性都较高。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路作用与反相输入运算电路相同相同18第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/比例运算电路比例运算电路 二二

18、.加法运算电路加法运算电路1.反相加法运算电路反相加法运算电路ii=0，u+=u-0i i1+i i2+i i3=i f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反相反相求和求和电路可以实现如下运算：电路可以实现如下运算：y=-(a0 x0+a1x1.+anx2),an019第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用 2.同相加法运算电路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：20第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运

19、算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/加法运算电路加法运算电路 特点特点：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，与反相有系数项，与反相求和求和电路比较，同相电路比较，同相求和求和电路电路调试比较麻烦。调试比较麻烦。引入共摸输入分量，使同相引入共摸输入分量，使同相求和求和电路的应用受到电路的应用受到限制。限制。21第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/加法运算电路加法运算电路 三三.减法运算电路减法运算电路采

20、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。因运放工作在线性区，可应因运放工作在线性区，可应用叠加原理。用叠加原理。ui1单独作用时单独作用时ui2单独作用时单独作用时22第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用 特点特点：可以进行可以进行y=a1x1a2x2的运算，故又称减法运算电的运算，故又称减法运算电路。路。若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所若改变某一路的输入电阻，将影响输出表达式所有系数项，与反相有系数项，与反相求和求和电路比较，同相电路比较，同相求和求和电路电路调试比较麻烦。调试比较麻烦。当当:RF/R1=R3/

21、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。的因素与同相输入运算放大电路完全相同。23第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/减法运算电路减法运算电路 四四.积分电路与微分电路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为图中所示电压，为图中所示电压，uc(0)=0,则则t0,uouoL时，时，uoL0tuo当当uo=uo

22、L时，积分作用停止。时，积分作用停止。24第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用 2.2.微分电路微分电路i1=if；u-=u+=0当输入信号为一系列方当输入信号为一系列方波时，微分电路可将方波时，微分电路可将方波变成尖顶波。波变成尖顶波。25第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/积分电路与微分电路积分电路与微分电路 六六.电压比较器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小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。的电路

23、。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，数值接其极性为正，数值接近正电源电压值；当近正电源电压值；当u+u-时，输出低电位时，输出低电位UOL，其极性其极性为负，数值接近负电源电压值。为负，数值接近负电源电压值。工作时，电压比较器的一个输入端输

24、入基准电压工作时，电压比较器的一个输入端输入基准电压UB，另一另一端则输入要与基准电压进行比较的电压端则输入要与基准电压进行比较的电压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/数转换、自动检测、数转换、自动检测、自动控制、波形变换等方面。自动控制、波形变换等方面。26第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用 1.单门限电压比较器单门限电压比较器1）过零电压比较器过零电压比较器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，电压电

25、压比较器将输入的连续变化量比较器将输入的连续变化量（模拟量）变成跃变的矩形波（模拟量）变成跃变的矩形波（数字量）输出。（数字量）输出。从电压比较器的工作原理可以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看出，输出电压的大小仅与输入电压的大小有关，而与输入入电压的大小有关，而与输入电压的波形无关。电压的波形无关。27第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/电压比较器电压比较器 2）非零电压比较器非零电压比较器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，

26、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。28第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器/5.4/5.4集成运放的应用集成运放的应用/电压比较器电压比较器 1.集成电路运算放大器的特点是，高放大倍数、直接耦合、集成电路运算放大器的特点是，高

27、放大倍数、直接耦合、多级放大。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差多级放大。为了抑制温漂和提高共模抑制比，常采用差动放大电路作输入极。动放大电路作输入极。2.基本差动放大电路是靠以下两方面来抑制零漂：一是利基本差动放大电路是靠以下两方面来抑制零漂：一是利用了电路的对称性；二是射极接了大电阻用了电路的对称性；二是射极接了大电阻Re，也就是引，也就是引进了电流负反馈，从单管着手，稳定静态工作点。进了电流负反馈，从单管着手，稳定静态工作点。3.差动放大电路有两个输入端差动放大电路有两个输入端ui1和和ui2，uid=ui1-ui2称为差称为差模输入信号；模输入信号；uic=(ui1+ui2)/2称

28、为共模输入信号。任意两称为共模输入信号。任意两个输入信号都可用差模信号和共模信号表示，即个输入信号都可用差模信号和共模信号表示，即ui1=uic+uid/2，ui2=uic-uid/2。4.集成运算放大器线性应用时的两个重要概念：集成运算放大器线性应用时的两个重要概念：“虚短虚短”，u+u-；“虚断虚断”，ii0。小结小结29第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器5.反相输入运算放大电路的分析要点为掌握好反相输入运算放大电路的分析要点为掌握好“虚地虚地”的概念的概念,uo=-(Rf/R1)ui。6.同相输入运算放大电路的输出电压与同相输入端的电同相输入运算放大电路的输出电压与同相输

29、入端的电位有一个固定的关系位有一个固定的关系uo=(1+-Rf/R1)u+，所以，准确，所以，准确求出同相输入端的电位求出同相输入端的电位u+是求解同相输入运算放大电是求解同相输入运算放大电路的关键。路的关键。7.电压比较器是集成运算放大器工作于非线性状态下的电压比较器是集成运算放大器工作于非线性状态下的应用。由于输入通常为模拟量，输出为数字量，所以，应用。由于输入通常为模拟量，输出为数字量，所以，电压比较器往往是联系模拟电路和数字电路的桥梁。电压比较器往往是联系模拟电路和数字电路的桥梁。它的输出只有两种可能：当它的输出只有两种可能：当u+u-时，输出高电位时，输出高电位UOH，其极性为正，数值接近正电源电压值；当，其极性为正，数值接近正电源电压值；当u+u-时，输出低电位时，输出低电位UOL，其极性为负，数值接近负电源，其极性为负，数值接近负电源电压值。电压值。小结小结30第五章第五章 集成电路运算放大器集成电路运算放大器