集成运算放大器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 集成运算放大器,81 集成运算放大器,集成运算放大器简称集成运放，是一种具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合放大电路。它早期主要用作模拟计算机的各种数学运算，故称为运算放大器。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只要外加几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能，被广泛的应用在不同的领域中。,811 集成运算放大器的组成,集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不相同，但其内部电路的基本结构却大致相同。通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，如图8-1所示。,图8-1 集成运算放大器的组成方框图,输入级：多级直接耦合放大电路的第一级，是提高整个电路质量标准的关键环节，应具有较高的输入电阻和良好的稳定性。直接耦合放大电路存在的零点漂移问题对整个电路的工作稳定性影响最大，所以要求输入级的零点漂移尽可能小。目前，多采用差动放大电路作为集成运算放大器的输入级，以解决零点漂移问题。,中间级：由若干级共射极放大电路组成，主要是为整个电路提供足够的增益。放大管多采用复合管，目的是提高输入阻抗，以减小对前级放大倍数的影响。,输出级：向负载提供足够大的功率，要求其输出电阻小，提高带动负载的能力。输出级常采用互补对称功率放大电路，减小交越失真，降低静态功耗，提高输出效率。偏置电路：为各级电路提供静态偏置电流。为了使各晶体管的静态工作电流稳定，多采用恒流源电路。,812 差动放大电路的组成和抑制零点漂移的原理,因外界因素，如温度的变化、电压的波动、晶体管参数的变化等等，将引起放大电路的静态工作点发生变化。又由于是直接耦合，静态工作点微小的变化都将直接传送到下一级电路并被放大。特别是第一级的静态电位的变化，经逐步放大，到达输出级时将形成较大的零漂电压。当零漂严重时，将淹没有用信号，导致放大电路无法正常工作，差动放大电路能有效地抑制零点漂移。,1基本差动放大电路的组成,图8-2 基本差动放大电路,2共模信号与差模信号,差动放大电路的输入信号分为两种，即共模信号和差模信号。在放大电路的两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号即,u,I1=,u,I2，则这两个输入信号称为共模信号，并记作,u,IC，下标,C,表示共模，即,u,IC=,u,I1=,u,I2。此输入方式称为共模输入。在共模输入时，输出电压与输入电压之比称为共模电压放大倍数，用,A,C表示。在放大电路的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信号即,u,I1=-,u,I2，则这两个输入信号称为差模信号，并记作,u,Id，下标d表示差模，即,u,I1=1/2,u,Id，,u,I2=-1/2,u,Id，此输入方式称为差模输入。在差模输入时，输出电压与输入电压之比称为差模电压放大倍数，用,A,d表示。,3抑制零点漂移,（1）电路结构的对称性当外界因素变化时，两管的静态值同时发生漂移，例如温度升高时，表现为,I,C1、,I,C2同时增大，结果使,U,C1和,U,C2同时下降，即两管集电极电压变化量相等，即,U,C1=,U,C2所以,U,O=,U,C1-,U,C2=0，这就表明零点漂移因两管对称而抵消了。电路结构的对称性使晶体管在温度变化时产生的零漂电压总是方向相同，大小相等的，只要采用双端输出方式就可在输出端将其抵消。显然，电路的对称性将直接影响这种抵消结果。电路对称性越好，这种抵消效果就越好，对零漂的抑制能力也越强。但实际的电路不可能做到完全对称。为此，常在电路中接入电位器,R,P（阻值较小）。在电路静态工作条件下，先调整,R,P，使,U,C1=,U,C2，保证了电路的零输入零输出的要求。这就是差动放大电路的调零，,R,P为调零电位器，电路如图8-3所示。,图8-3 有调零电位器的差动放大电路,（2）引入负反馈,带发射极公共电阻,R,E的差动放大电路常叫长尾式差动放大器，如图8-3所示的电路。发射极电阻,R,E具有负反馈作用，能有效地减小电路的零点漂移。当温度升高，产生零点漂移主要表现为晶体管的集电极电流升高，由于电路的对称性，两管的电流增量相等，,发射极电流增量,I,E1=,I,E2，流过,R,E的电流增量,I,RE=,I,E1+,I,E2=2,I,E。在,R,E上产生的电压增量,U,RE=2,I,E,R,E，,V,1和,V,2公共发射极的电位提高相同值。两管的发射结电压,U,BE1=,U,BE2=,U,B-,U,E，而两管的基极电位,U,B不变，,U,E却升高，导致,U,BE1和,U,BE2下降，使晶体管的放大能力下降，基极电流,I,B1和,I,B2下降，集电极电流,I,C1和,I,C2相应下降，从而抵制了因温度升高引起的,I,C1、,I,C2的升高，使之保持恒定，静态工作点基本不变，达到了抑制零点漂移的目的。上述过程可表示为：,813 差动放大电路的输入、输出方式1双端输入、双端输出2双端输入、单端输出3单端输入、双端输出4单端输入、单端输出,814 差动放大电路的主要技术指标,1差模电压放大倍数,A,ud,2共模电压放大倍数,A,uc,3共模抑制比,K,CMR,815 集成运放的性能指标,集成运放通常有多个引脚与外部电路相连接，它们分别接正、负直流电源、输入信号源、负载和调零电位器等。集成运放的图形符号如图8-4（a），符号中只给出了输入端和输出端，左侧引脚是信号输入端，右侧引脚是信号输出端。信号输入端中标注“,u,-”，表示信号从这一端输入，输出信号,u,O与输入信号,u,-相位相反，称为反相输入端；信号输入端中标注“,u,+”表示信号从这一端输入，输出信号,u,O与输入信号,u,+相位相同，称为同相输入端。输出电压,u,O与输入电压之差（,u,+-,u,-）成正比，即：,图8-4 集成运算放大器图形符号(a)电路图形符号 (b)实际引脚图,式中,u,+、,u,-、,u,O均指相对于“地”间的电压。如图8-4（b）所示的是实际常用的集成运放的引脚图：2：反相输入端；3：同相输入端；4：电源电压负端；6：输出端；7：电源电压正端；1、5：调零端；8：空脚。,1开环差模电压放大倍数,A,od开环差模电压放大倍数是指集成运放无外加反馈回路情况下，输出电压与差模输入电压之比。（开环是指不加反馈回路）它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝（dB）表示。,2开环差模输入电阻,r,id,开环差模输入电阻是指集成运放两个输入端加差模信号时的等效电阻，反映了输入级从信号源取用电流的大小。,r,id越大，取用的电流越小，一般,r,id的单位为级。,3开环输出电阻,r,od,开环输出电阻是指集成运放没有接反馈电路时输出端所呈现的电阻。,r,od越小，带动负载能力越强，一般为500以下，性能较好的集成运放的,r,od值在100以下。,4共模抑制比,K,CMR,共模抑制比是差模电压放大倍数,A,od与共模电压放大倍数,A,oc之比的绝对值，通常用分贝表示,性能良好的集成运放的,K,CMR在100dB以上。,5最大输出电压,U,OM,最大输出电压是指在额定电源电压下，集成运放所输出的最大不失真电压。一个集成运放在额定电源电压条件下工作，当输入信号超出给定的差模输入信号的峰峰值后，输出电压将不随着输入信号的变化而变化，而是恒定在最大输出电压上，此时集成运放进入非线性工作状态。最大输出电压有正负两个值，即+,U,OM和-,U,OM。,816 理想运算放大器 集成运算放大器外加反馈电路，可实现多种功能。在分析由集成运放组成的各种电路时，为了简便，通常忽略一些问题，将其理想化。实际集成运放的各项性能指标没有达到理想化，如今，半导体制造工艺的迅猛发展，集成运放的性能指标已逐步接近理想化。因此在分析电路时，用理想运放代替实际运放所产生的误差很小，不影响计算结果，并且使分析、计算过程大大简化。1理想运放的主要性能指标开环差模电压放大倍数,A,od差模输入电阻,r,id 输出电阻,r,od=0 共模抑制比,K,CMR,图8-5 理想运算放大器图形符号,2理想运放的工作特点,集成运放有两个工作区域：线性区和非线性区。集成运放的输出电压,u,O与输入电压,u,I之间的关系称为电压传输特性，即,82 集成运算放大器的应用信号的运算是集成运算放大器的一个重要而最基本的应用领域。在各种运算电路中，集成运放必须工作在线性区，这样电路的输出与输入信号之间才能实现一定的数学运算关系。集成运放要想工作在线性区，一定要加入负反馈网络。下面将介绍几种常见的实用运放电路。,821 比例运算,将输入信号按一定比例放大的电路，称为比例运算电路。按信号的输入端不同，又分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。,1反相比例运算,电路如图8-7所示。输入信号,u,I通过输入电阻,R,1加到运放的反相端。同相端经平衡电阻,R,2接地，平衡电阻,R,2是用来保持运放电路静态平衡，即使差动输入级的两侧对称，从而有效的抑制零漂。,R,F是反馈电阻，将输出电压,u,O的一部分或全部反馈至反相输入端，形成深度电压并联负反馈。利用运放工作在线性区的两个特点（虚短和虚断）来分析电路。,图8-7 反相输入比例运算放大器,2共模信号与差模信号差动放大电路的输入信号分为两种，即共模信号和差模信号。,开环差模输入电阻是指集成运放两个输入端加差模信号时的等效电阻，反映了输入级从信号源取用电流的大小。,实际集成运放的各项性能指标没有达到理想化，如今，半导体制造工艺的迅猛发展，集成运放的性能指标已逐步接近理想化。,(a)同相输入比例运算放大器 (b)电压跟随器,但实际的电路不可能做到完全对称。,1基本差动放大电路的组成,在差模输入时，输出电压与输入电压之比称为差模电压放大倍数，用Ad表示。,82 集成运算放大器的应用信号的运算是集成运算放大器的一个重要而最基本的应用领域。,发射极电阻RE具有负反馈作用，能有效地减小电路的零点漂移。,811 集成运算放大器的组成,3开环输出电阻rod开环输出电阻是指集成运放没有接反馈电路时输出端所呈现的电阻。,2同相比例运算,电路如图8-8（a）所示。输入信号,u,I通过,R,2加到运放的同相端，反相端经,R,1接地，,R,F是反馈电阻，输出电压,u,O经,R,1和,R,F组成的分压电路，取,R,1上的分压作为反馈信号加到运放的反相输入端形成深度电压串联负反馈。,R,2是平衡电阻，作用同上一样。利用运放工作在线性区的两个特点（虚短和虚断）来分析电路。,图8-8同相比例运算放大器,(a)同相输入比例运算放大器 (b)电压跟随器,822 加法运算,加法运算是指电路的输出电压等于各输入电压的代数和。在反相比例运算电路的反相端再增加几个输入支路便可以组成反相加法运算电路，简称反相加法器。,图8-9 反相输入加法运算电路,823 减法运算减法运算是指电路的输出电压与同相端输入电压和反相端输入电压之差成正比，减法运算又称为差动比例运算。在运放的同相端和反相端分别加入输入信号，反馈电阻,R,F从输出端接到反相输入端，引入电压负反馈，保证运放工作在线性区。图8-10是减法运算电路。,图8-10 减法运算电路,在差模输入时，输出电压与输入电压之比称为差模电压放大倍数，用Ad表示。,在放大电路的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信号即uI1=-uI2，则这两个输入信号称为差模信号，并记作uId，下标d表示差模，即uI1=1/2uId，uI2=-1/2uId，此输入方式称为差模输入。,集成运放的输出电压uO与输入电压uI之间的关系称为电压传输特性，即,814 差动放大电路的主要技术指标,当温度升高，产生零点漂移主要表现为晶体管的集电极电流升高，由于电路的对称性，两管的电流增量相等，,(a)同相输入比例运算放大器 (b)电压跟随器,3开环输出电阻rod开环输出电阻是指集成运放没有接反馈电路时输出端所呈现的电阻。,一个集成运放在额定电源电压条件下工作，当输入信号超出给定的差模输入信号的峰峰值后，输出电压将不随着输入信号的变化而变化，而是恒定在最大输出电压上，此时集成运放进入非线性工作状态。,最大输出电压是指在额定电源电压下，集成运放所输出的最大不失真电压。,2理想运放的工作特点集成运放有两个工作区域：线性区和非线性区。,带发射极公共电阻RE的差动放大电路常叫长尾式差动放大器，如图8-3所示的电路。,813 差动放大电路的输入、输出方式1双端输入、双端输出2双端输入、单端输出3单端输入、双端输出4单端输入、单端输出,图8-10 减法运算电路,图8-9 反相输入加法运算电路,随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。,第八章 集成运算放大器,为了使各晶体管的静态工作电流稳定，多采用恒流源电路。,3开环输出电阻rod开环输出电阻是指集成运放没有接反馈电路时输出端所呈现的电阻。,发射极电阻RE具有负反馈作用，能有效地减小电路的零点漂移。,824 积分运算电路积分运算电路是指电路的输出信号与输入信号之间存在积分关系，是一种应用极为广泛的运算电路。图8-12所示电路为积分运算电路。它是将反相比例运放电路中的反馈电阻,R,F换成电容,C,F作为反馈元件，利用电容两端的电压与流过的电流之间存在的积分关系的原理来实现积分运算的电路。,图8-12 反相输入积分运算电路,825 微分运算电路微分运算电路是指电路的输出信号与输入信号之间存在微分关系，它也是一种应用极为广泛的运算电路。如图8-14所示电路为微分运算电路。它是将积分运算电路中的电阻,R,1和电容,C,F互换位置。反馈电阻,R,F引入深度负反馈，保证电路工作在线性区。,图8-14 微分运算电路,