集成运算放大器基础.pptx

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1、 集成电路的封装形式集成电路的封装形式 圆壳式圆壳式 双列直插式双列直插式 扁平式扁平式 单列直插式单列直插式 菱形式菱形式第1页/共75页集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元元器器件件具具有有良良好好的的一一致致性性和和同同向向偏偏差差，因因而而特特别别有有利利于于实实现现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集集成成电电路路的的芯芯片片面面积积小小，集集成成度度高高，所所以以功功耗耗很很小小，在在毫毫瓦瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只只能能制制作作几几十十pF以以下下的的小小电

2、电容容。因因此此，集集成成放放大大器器都都采采用用直直接耦合方式。如需大电容，只有外接。接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。第2页/共75页l 运算放大器运算放大器(operational amplifier)是是一一种种有有着着十十分分广广泛泛用用途途的的电电子子器器件件。最最早早开开始始应应用用于于19401940年年，19601960年年后后，随随着着集集成成电电路路技技术术的的发发展展，运运算算放放大大器器逐逐步步集集成成化化，大大大大降降低低了了成成本本，获获得得了了越越来来越越广泛的应用。广泛的应用。l

3、应用应用主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测运算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测量及波形产生方面也获得广泛应用。量及波形产生方面也获得广泛应用。集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多级放大器。的多级放大器。什么是集成运算放大器？第3页/共75页第4页/共75页多级放大电路多级放大电路 耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载

4、之间的连接方式。路之间、放大器与负载之间的连接方式。路之间、放大器与负载之间的连接方式。路之间、放大器与负载之间的连接方式。常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。耦合。耦合。耦合。第二级第二级第二级第二级 推动级推动级推动级推动级 输入级输入级输入级输入级 输出级输出级输出级输出级输输输输入入入入输输输输出出出出多级放大电路的框图多级放大电路的框图多级放大电路的框图多级放大电路的框图9.19.1零点漂移零点漂移第5页/共75页直接耦合直接耦合直接耦合：直接耦合

5、：直接耦合：直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2+RE2第6页/共75页直耦放大电路的特殊问题零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因：由由温温度度变变化化引引起起的的。当当温温度度变变化化使使第第一一级级放放大大器器的的静静态态工工作作点点发发生生微微小小变变化化时时，这这种种变变化化量量会会被被后后面面的的电电路路逐逐级级放放大大，最最终终在在输输出出端端产产生生较较大大的的电电压压漂移。因而零点漂移也叫

6、漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输输入入ui=0时时，输输出出有有缓缓慢慢变化的电压产生。变化的电压产生。3.减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路采用差动放大电路第7页/共75页 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。差动放大原理电路差动放大原理电路差动放大原理电路差动放大原理电路+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同9.29.2差动放大电路差动放大电路

7、第8页/共75页1.1.零点漂移的抑制零点漂移的抑制uo=VC1 VC2 =0uo=(VC1+VC1 )(VC2+VC2)=0静态时，静态时，ui1=ui2 =0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。抑制作用。抑制作用。抑制作用。+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2第9页/共75页2.2.有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况 两管集电极电位呈等量同向

8、变化，所以输出两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即电压为零，即电压为零，即电压为零，即对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力对共模信号没有放大能力。(1)(1)共模信号共模信号共模信号共模信号 u ui1 i1=u ui2i2大小相等、极性相同大小相等、极性相同大小相等、极性相同大小相等、极性相同 差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。

9、对零点漂移的抑制水平。对零点漂移的抑制水平。对零点漂移的抑制水平。+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号共模信号 需要抑制需要抑制第10页/共75页+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T22.2.有信号输入时的工作情况有信号输入时的工作情况两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，(2)(2)差模信号差模信号差模信号差模信号 u ui1 i1=u ui2i2大小相等、极性相反大小相等、极性相反大小相等、极性相反大

10、小相等、极性相反u uo o=(=(V VC1C1 V VC1C1 )(V VC2 C2+V VC C )=)=2 2 V VC1 C1 即即即即对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力对差模信号有放大能力。+差模信号差模信号 是有用信号是有用信号第11页/共75页(3)(3)比较输入比较输入 u ui1 i1、u ui2 i2 大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。大小和极性是任意的。例例1:ui1=10 mV,ui2=6 mV ui2=8 mV 2 mV 例例2:ui1=20 mV,ui2=16 mV 可分解成可分解成:ui1=18 mV +2 m

11、V ui2=18 mV 2 mV 可分解成可分解成:ui1=8 mV +2 mV共模信号共模信号共模信号共模信号差模信号差模信号差模信号差模信号 放大器只放大器只放大器只放大器只 放大两个放大两个放大两个放大两个 输入信号输入信号输入信号输入信号 的差值信的差值信的差值信的差值信 号号号号差动差动差动差动 放大电路。放大电路。放大电路。放大电路。这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。第12页/共75页第13页/共75页+UCCUEEu uo ouu+一、集成运放电路的简单说明输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相

12、输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的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。共发射极放大电路构成。输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，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。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。第14页/共75页 ri 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放：ri K

13、CMRR很大很大KCMMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 A o 很很大大: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15页/共75页二、主要参数1.最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。高，所构成的运算电路越稳定，运算精度

14、也越高。6.共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好愈小愈好愈小愈好愈小愈好3.输入失调电压输入失调电压 UIO4.输入失调电流输入失调电流 IIO5.输入偏置电流输入偏置电流 IIB第16页/共75页87654321-UCC+UCCuou+u-调调零零调零调零空空双列直插式单运放外部引脚（双列直插式单运放外部引脚（A741）标标志志第17页/共75页第18页/共75页三、理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放

15、大器Auo ，rid ，ro 0，KCMR 2.电压传输特性电压传输特性 uo=f(ui)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时，时，|T(j)|衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起

16、来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O第47页/共75页2.2.有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有第48页/共75页 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。若频率若频率若频率若频率 为变量，则为变量，则为变量，则为变量，则电路的传递函数电路的传递函数电路的传递函数电路的传递函数其模为其模为 幅频

17、特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O第49页/共75页五、五、集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用2 采样保持电路采样保持电路1 电压比较器电压比较器第50页/共75页理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：理想运放工作在饱和区的特点：1.1.输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能 +U Uo o (sat)(sat)或或或或 U Uo o(sat)(sat)当当当当 u u+u u 时，时，时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uuu 时，时，时，时，u uo o=+=+

18、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 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压第53页/共75页uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器：单限电压比较器：当当 ui 单方向变化时，单方向变化时，uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+

19、U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR第54页/共75页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 UZuoRDZURuouiR2+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55页/共75页2 2 过零电

20、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56页/共75页存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形 第57页/共75页第58页/共75页3.3.滞回比较器滞回比较器(施密特Schmidt触发器)上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压下

21、门限电压下门限电压 电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈电路中引入正反馈(1)(1)提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；提高了比较器的响应速度；(2)(2)输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生输出电压的跃变不是发生 在同一门限电压上。在同一门限电压上。在同一门限电压上。在同一门限电压上。RF当当 uo=+Uo(sat)，则则 当当 uo=Uo(sat)，则则门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制R2uoui+R1+第59页/共75页上门限电压上门限电压上门限电压上门限电压 UU+：u ui i 逐渐增加时的

22、门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压逐渐增加时的门限电压下门限电压下门限电压下门限电压下门限电压UU+：u ui i 逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压逐渐减小时的门限电压uiuoO Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat)两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+R1+第60页/共75页根据叠加原理，有根据叠加原理，有根据叠加原理，有根据叠加原理，有改变参考电压改变参考电压改变参考电压改变参考电压U UR R，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴

23、移动，可使传输特性沿横轴移动，可使传输特性沿横轴移动。可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴，+URRFR2uoui+R1+u ui iu uo oO O U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压当参考电压当参考电压U UR R不等于零时不等于零时不等于零时不等于零时第61页/共75页定义：定义：定义：定义：回差电压回差电压回差电压回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：与过零比较器相比具有以下优点：1.1.改善了输出波形

24、在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。改善了输出波形在跃变时的陡度。2.2.回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，回差提高了电路的抗干扰能力，U U越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰越大，抗干扰 能力越强。能力越强。能力越强。能力越强。结论：结论：结论：结论：1.1.调节调节调节调节R RF F 或或或或R R2 2 可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。可以改变回差电压的大小。2.2.改变改变改变改变U UR R可以改变上、下门限电压，可以改变上、下门限电压，可以改变上、下

25、门限电压，可以改变上、下门限电压，但不影响回差但不影响回差但不影响回差但不影响回差 电压电压电压电压 U U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。警和波形发生等电路中得到广泛应用。第62页/共75页第63页/共75页集成运放应用中的几个问题集成运放应用中的几个问题 在实际应用中，除了根据用途和要求正确选择运放的型号外，还必须注意以下几个方面的问题。1.对集成运放的

26、粗测对集成运放的粗测 根据集成运放内部的电路结构，可以用万用表粗略测量出各引脚之间有无短路或开路现象，判断其内部有无损坏。测试时必须注意，不可用大电流挡（如R1()挡）测量，以免电流过大而烧坏PN结；也不可用高电压档（如R10 k档）测量，以免电压过高损坏组件。第64页/共75页32746+Vcc-VeeVo+-A741 黑表笔黑表笔(+)红表笔红表笔(-)电阻值电阻值 7 脚脚 3 脚脚 无穷大无穷大 3 脚脚 7 脚脚 44 K 7 脚脚 2 脚脚 无穷大无穷大 2 脚脚 7 脚脚 46 K 7 脚脚 6 脚脚 无穷大无穷大 6 脚脚 7 脚脚 10 K 6 脚脚 4 脚脚 1000 K

27、4 脚脚 6 脚脚 10 K 如果测得阻值与表中值相差太多，说明运放的差动输入级或者推挽输出管有损坏。第65页/共75页 2.调零问题调零问题 由于失调电压、失调电流的影响，使运放在输入为零时，输出不等于零。为此，必须采取调零措施予以补偿。运放设有调零端子。这时可选用精密的线绕电位器进行调零。两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。集成运放未设调零端子，特别是双运放、四运放一般没有专门调零端。对这样的运放，可采用辅助调零的办法加以解决。第66页/共75页第67页/共75页一个运放如不能调零，大致有如下原因：组件正常，接线有错误。组件正常，但负反馈不够强。组件正常，但由于它所允许的共模输

28、入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。组件正常，调零电位器有问题。组件内部损坏，应更换好的集成块。第68页/共75页 3.消除自激问题消除自激问题 运放在工作时容易产生自激振荡。表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为此，目前大多数集成运放内电路已设置了消振的补偿网络，有些运放引出有消振端子，用以外接RC消振网络。此外，在实际使用时，在电源端、反馈支路及输入端联接电容或阻容支路，来消除自激。第69页/共75页第70页/共75页 4.保护措施保护措施 这

29、里所说的保护措施是针对在使用集成运放时，由于电源极性接反、输入输出电压过大、输出短路等原因造成集成运放损坏的问题而采取的。（1 1）输入端保护）输入端保护）输入端保护）输入端保护集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高（超出该集成运放的极限参数范围）,集成运放也会损坏。第71页/共75页（2 2）输出端保护）输出端保护）输出端保护）输出端保护当集成运放过载或输出端短路时,若没有保护电路,该运放就会损坏。但有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护,使用这些器件就不需再加输出保护。对于内部没有限流或短路保护的集成运放,可以采用下图所示的输出保护电路。限流电阻R和稳压管构成限幅电路。第72页/共75页（3 3）电源保护）电源保护）电源保护）电源保护电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变。对于性能较差的电源,在电源接通和断开瞬间,往往出现电压过冲。图(b)中采用FET电流源和稳压管钳位保护,稳压管的稳压值大于集成运放的正常工作电压而小于集成运放的最大允许工作电压。FET管的电流应大于集成运放的正常工作电流。电源反接保护电路电源电压突变保护电路第73页/共75页作业：2、8、10、11、第74页/共75页感谢您的观看！第75页/共75页