第17章集成运算放大电路精.ppt

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1、第17章集成运算放大电路第1页，本讲稿共47页本章要求本章要求本章要求本章要求:1.1.1.1.了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；了解集成运算放大器的基本组成及其主要参数的意义；2.2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；基本分析方法；基本分析方法；基本分析方法；3.3.3.3.掌握用运

2、放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的分析；掌握用运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的分析；掌握用运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的分析；掌握用运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的分析；4.4.4.4.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。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。第第17章章 集成运算放大器集成运算放大器end第2页，本讲稿共47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、二极晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成以及它们之间的连线

3、所组成的整个电路的整个电路集成集成在一块半导体基片上，封装在在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为的器件，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、重量工作稳定、使用方便、体积小、重量 轻、功耗小，实现了轻、功耗小，实现了元件、电路和系统元件、电路和系统的三的三结合结合17.1 集成运算放大器的简单介绍17.1.1 集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点第3页，本讲稿共47页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上、用相同但由于是

4、在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，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、太高或太低都不易制电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造造 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200200pF,pF,大电容不易制造大电容不易制造第4页，本讲稿共47页集成电路的封装双列直插式塑料封装管脚数有8、10、12、14、16等种类金属壳封装管脚数有8、10、12等种类第5页，本讲稿共47页集成运算放大器集成运算放大器=具有高电压增益高电压增益的的直接耦合直接耦合多

5、级多级放大电路放大电路输入级中间级输出级+-uoui1ui2偏置电路反相输入端同相输入端输出端输入级输入级：多采用差动放大电路，以抑制零漂、提供两个输入端。：多采用差动放大电路，以抑制零漂、提供两个输入端。中间级中间级：多采用共射放大电路，以提供高电压放大倍数。：多采用共射放大电路，以提供高电压放大倍数。输出级输出级：多采用功率放大电路，以输出一定的功率。：多采用功率放大电路，以输出一定的功率。偏置电路偏置电路：多采用镜像恒流源电路。：多采用镜像恒流源电路。符号+U-U注意：实际运放在使用时必须外加电源为什么要加为什么要加正负电源？正负电源？+-ui1ui2uoA17.1.2 电路的简单说明第

6、6页，本讲稿共47页F007集成运算放大器结构简介集成运算放大器结构简介第7页，本讲稿共47页F007的简化电路结构复合管构成高Au的中间级输入级为改进型差动放大电路互补对称功放输出级保护管第8页，本讲稿共47页17.1.3 主要参数u开环电压放大倍数开环电压放大倍数Au0 运放开环时输出电压与输入差模电压之比运放开环时输出电压与输入差模电压之比,一般运放可一般运放可达达80dB，高精度运放可达高精度运放可达140dB。u共模抑制比共模抑制比KCMR 差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,一般一般运放可达运放可达80dB，高精度运放可达高精度运放可达16

7、0dB。u差模输入电阻差模输入电阻rid-输入差模信号时的输入电阻，可达输入差模信号时的输入电阻，可达M M数量级。数量级。u输出电阻输出电阻ro-可达可达几十几十 几百几百。u输入失调电压输入失调电压UIO 指当输入电压为零时，为使输出电压也为零所必须在输入端指当输入电压为零时，为使输出电压也为零所必须在输入端加的补偿电压。加的补偿电压。一般为一般为15mV，高精度运放可达，高精度运放可达0.5mV。u输入失调电流输入失调电流IIO输入为零时，输入为零时，IIO=|IB1-IB2|。一般一般为几十为几十nA。+-uo ARbRbIB1IB2第9页，本讲稿共47页集成运算放大器的简化等效电路等

8、效+-ui1ui2uoAuouidridro-uid理想运算理想运算放大器的放大器的条件条件Auo=rid=KCRM=ro=0符号+-ui1ui2uo A+-ui1ui2uo 17.1.4 理想运算放大器及其分析依据第10页，本讲稿共47页运算放大器的传输特性+UO(sat)-UO(sat)线性区饱和区饱和区理想特性实际特性第11页，本讲稿共47页例例 F007F007运算放大器的正、负电源电压为运算放大器的正、负电源电压为1515V V，开环电开环电压放大倍数压放大倍数Au0=2 105,输出最大电压（即输出最大电压（即 Uo(sat)为为13V。在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极

9、性：在下图电路中分别加如下电压，求输出电压及其极性：u u+uo第12页，本讲稿共47页解解:只要两个输入端之间的电压绝对值超过只要两个输入端之间的电压绝对值超过6565V V，输出电压输出电压就达到正或负的饱和值。就达到正或负的饱和值。第13页，本讲稿共47页运算放大器工作在线性区的条件运算放大器工作在线性区的条件+UO(sat)-UO(sat)线性区运放工作在线性区的条件是在电路中运放工作在线性区的条件是在电路中加入负反馈加入负反馈。第14页，本讲稿共47页运算放大器线性应用时的分析依据：1.差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。2.开环电压放大倍数 输出电压是一个有限值

10、，即即虚短虚短。如果信号从反相端输入，同相端接地 反相端近于反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。第15页，本讲稿共47页运算放大器工作在饱和区的条件：饱和区饱和区+UO(sat)-UO(sat)线性区 在在开环与正反馈条开环与正反馈条件件下，运放工作在饱和下，运放工作在饱和区。区。运算放大器在饱和运算放大器在饱和区时的情况：区时的情况：注意注意：此时输入端的输入电此时输入端的输入电流也等于零，流也等于零，即即“虚断虚断”end第16页，本讲稿共47页实现将输入信号按比实现将输入信号按比例放大的电路，称为例放大的电路，称为比例运算比例运算电路电路反相反相输入输入同相同相输入输入-实现运算

11、实现运算uo=-kui-实现运算实现运算uo=+kui1、反相输入反相输入u电路结构电路结构特点特点Rf引入深度负反馈引入深度负反馈该反馈为何该反馈为何种组态？种组态？输入信号加入反相端输入信号加入反相端平衡电阻平衡电阻R=R1/Rf+-R1Rfui+-R-u0+17.2 运算放大器在信号运算方面的应用17.2.1 比例运算比例运算第17页，本讲稿共47页+-R1Rfui+-R-u0+u参数计算参数计算因为因为I-=0，所以，所以 i1=if即即，又因为又因为U-=U+=RI+=0所以，所以，即即电压放大倍数电压放大倍数输入电阻输入电阻因为电路引入电压负反馈，因为电路引入电压负反馈，输出电阻输

12、出电阻 ro=0若输出端加若输出端加负载，负载，uo改改变吗？变吗？则实现运算：则实现运算：虚虚地地i1ifI-第18页，本讲稿共47页+-R1Rfui+-R-u0+2、同相输入u电路结构特点电路结构特点Rf引入深度负反馈引入深度负反馈输入信号加入同相端输入信号加入同相端平衡电阻平衡电阻R=R1/Rf该反馈为何该反馈为何种组态？种组态？i1ifI-u参数计算参数计算因为因为I-=0，所以，所以 i1=if即即，又因为，又因为U-=U+=ui所以，所以，即即电压放大倍数电压放大倍数则实现运算：则实现运算：第19页，本讲稿共47页+-R1Rfui+-R-u0+i1ifI-称为称为电压跟随器电压跟随

13、器ui+-RfRu0ui+-u0当当R1=或或RF=0Auf=1第20页，本讲稿共47页u分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系u02+-u01-+-R1R2ui+-+-R4R5R6-u0+R3i1ifI-I+虚断虚接虚地反相比例运算电路第21页，本讲稿共47页u分析图示电路输出电压uo与输入电压ui的关系i1ifI-因为因为I-=0，所以，所以 i1=if即即，又因为又因为U-=U+所以，所以，则：则：U+=？I+-R1Rfui+-R2-uo+R3同相比例运算电路因为I+=0，所以R2，R3串联第22页，本讲稿共47页+-R1Rfui1RuoR2R3ui2ui3i1i2i3if反相加法

14、器反相加法器u电路结电路结构特点构特点Rf引入深度负反馈引入深度负反馈输入信号输入信号均均加入加入反向端反向端平衡电阻平衡电阻R=R1/R2/R3/Rfu输入输出关系计算输入输出关系计算因为因为I-=0，所以，所以 i1+i2+i3=if即，即，又因为又因为U-=U+=RI+=0若取若取R1=R2=R3=R，则，则则实现运算：则实现运算：I-=017.2.2 加法运算加法运算第23页，本讲稿共47页同相加法器u电路结电路结构特点构特点Rf引入深度负反馈引入深度负反馈输入信号输入信号均均加入加入同相端同相端u输入输出关系计算输入输出关系计算因为因为I+=0，所以，所以 i1+i2+i3=0即，即

15、，又因为在同相比例器中有，又因为在同相比例器中有，则实现运算：则实现运算：整理得，整理得，RP=R1/R2/R3+-R1Rfui1RuoR2R3ui2ui3i1i2i3ifiU+U-I+=0第24页，本讲稿共47页-输入信号输入信号同时同时加入加入反相端反相端与与同相端同相端,称为称为差动输入差动输入。ui1单独作用单独作用=0ui2单独作用单独作用0=所以，所以，若取若取R1=R2、R3=Rf则则+-R1Rfui2R2u0ui1R3U+U-+-R1Rfui2R2u0ui1R3U+U-+-R1Rfui2R2u0ui1R3U+U-17.2.3 减法运算减法运算第25页，本讲稿共47页+-R2Rf

16、ui2R3u0ui1R4U+U-R1ui4ui3R+-R2Rfui2R3U0ui1R4U+U-R1R+-R2Rfui4R3U0”ui3R4U+U-R1Ru分析图示电路输出电压uo与输入电压ui1、ui2、ui3、ui4的关系第26页，本讲稿共47页例 电路如图所示，R1=R2=R3=R4，试求 的值。ui1+-u0ui2+-R1R2R3R4i1i2i3i4ab解法解法1：由虚短可得由虚短可得由虚断可得由虚断可得应用虚短、虚断的特点应用虚短、虚断的特点第27页，本讲稿共47页ui1+-uoui2+-R1R2R3R4解法解法2：uo2ui1+-uoR1R2uo2应用叠加原理应用叠加原理第28页，本

17、讲稿共47页思考题：思考题：图示电路电路中的运放处于线性图示电路电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管），讨论输入与输出的关系。三极管），讨论输入与输出的关系。ui0时时：ui0 uo=UO(sat)ui0 uo=-UO(sat)+UO(sat)-UO(sat)+-R1R2uiu00uiuo第37页，本讲稿共47页在输出端加一个双向稳压管作双向限幅用第38页，本讲稿共47页限幅器tuiu0tUZ-UZ应用举例第39页，本讲稿共47页滞回比较器时当输出电压当输出电压时信号加到反相输入端引回正反馈第40页，本讲稿共47页滞回比较器的传

18、输特性uoui0小于回差的干扰不会引起跳转称为回差上门限电压下门限电压第41页，本讲稿共47页uoui0om思考题：思考题：设滞回比较器的传输特性和输入电压波设滞回比较器的传输特性和输入电压波 形已给出，形已给出，试画出它的输出电压波形。试画出它的输出电压波形。end第42页，本讲稿共47页17.6 运算放大器中的负反馈1.并联电压负反馈反馈电流正比于输入信号与反馈信号在输入端相并联输入信号与反馈信号在输入端相并联,并联反馈并联反馈净输入电流被削弱 负反馈第43页，本讲稿共47页 2.串联电压负反馈反馈电压差值电压反馈电压取自输出电压反馈信号与输入信号在输入端串联 串联反馈反馈电压削弱了净输入

19、电压负反馈第44页，本讲稿共47页3.串联电流负反馈输出电压反馈电压取自输出电流电流反馈反馈信号与输入信号在输入端串联串联反馈同相输入恒流源第45页，本讲稿共47页电流反馈4.并联电流负反馈净输入电流被削弱净输入电流被削弱 负反馈反馈电流输入信号与反馈信号的输入端相并联输入信号与反馈信号的输入端相并联,并联反馈反相输入恒流源第46页，本讲稿共47页运放负反馈总结1.1.反馈电路直接从输出端引出的反馈电路直接从输出端引出的,是是电压反馈电压反馈 从负载电阻的靠近从负载电阻的靠近“地地”端引出，是端引出，是电流反馈电流反馈 2.2.输入信号和反馈信号分别加在两个输入端上输入信号和反馈信号分别加在两个输入端上 的，是的，是串联反馈串联反馈 加在同一个输入端上的是加在同一个输入端上的是并联反馈并联反馈3.3.反馈信号使净输入信号减小的是反馈信号使净输入信号减小的是负反馈负反馈 反馈信号使净输入信号增大的是反馈信号使净输入信号增大的是正反馈正反馈end第47页，本讲稿共47页