集成运放电路基础.pptx

采采用用半半导导体体制制造造工工艺艺将将管管子子、电电阻阻、电电容容等等器器件件及及连连线线制制作作在在一一块块硅硅片片上上，形形成成一一个个不不可可分分割割的的固固体体组组件件，称称为为集集成成电电路路。集集成成电电路路按按其其功功能能可可分分为为模模拟拟集集成成电电路路和和数数字字集集成成电电路路两两大大类类。模模拟拟集集成成电电路路中中应应用用最最广广泛泛的的集集成成运运算算放放大大器器，目目前前已已广广泛泛应应用用于于信信号号处处理理、信信号号变变换换及及信信号号发发生生等等各各个个方方面面，在控制、测量、仪表等领域中占有重要地位。在控制、测量、仪表等领域中占有重要地位。第三章第三章 集成运算放大电路基础集成运算放大电路基础3.1.1 3.1.1 基本差分放大器基本差分放大器 静态时，由于电路结构完全对称，集电极电位相等，故输出为零。静态时，由于电路结构完全对称，集电极电位相等，故输出为零。当温度变化，或电源电压波动，将引起两管集电极电流当温度变化，或电源电压波动，将引起两管集电极电流I IC1C1、I IC2C2同时增同时增大或减小，这就是零飘现象，相当于在两管的输入端同时加人一对大小大或减小，这就是零飘现象，相当于在两管的输入端同时加人一对大小相等、极性相同的信号相等、极性相同的信号u ui1i1、u ui2i2，称为共模输入信号。对于共模输入信，称为共模输入信号。对于共模输入信号，两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式，输出电压为号，两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式，输出电压为零，或者说，差动放大电路的共模电压放大倍数零，或者说，差动放大电路的共模电压放大倍数A AC=0C=0，即差动放大电路，即差动放大电路可以有效地抑制零飘，换句话说，差动放大电路，对共模信号没有放大可以有效地抑制零飘，换句话说，差动放大电路，对共模信号没有放大作用。作用。3.1.2 3.1.2 典型的差分放大器典型的差分放大器 由于由于R RE E的电流负反馈作用，使每个管子的漂移又得到了的电流负反馈作用，使每个管子的漂移又得到了一定程度的抑制，这样，输出端的漂移就进一步减小了。显一定程度的抑制，这样，输出端的漂移就进一步减小了。显然，然，R RE E愈大，电流负反馈作用愈强，因而抑制每个管子的漂愈大，电流负反馈作用愈强，因而抑制每个管子的漂移作用就愈显著。这样就进一步增强了差动电路抑制漂移和移作用就愈显著。这样就进一步增强了差动电路抑制漂移和共模信号的能力。因此共模信号的能力。因此R RE E也称为共模负反馈电阻。也称为共模负反馈电阻。3.1.3 3.1.3 带恒流源的差动放大器带恒流源的差动放大器 如图如图3-33-3（a a）所示，就是一个具有恒流源的差放电路，）所示，就是一个具有恒流源的差放电路，图中：图中：T3T3和和R R1 1、R R2 2、R RE3E3、T4T4、T5T5组成恒流源，电阻组成恒流源，电阻R R1 1、R R2 2、R RE3E3用来调整和确定用来调整和确定T3T3的静态工作电流的静态工作电流I IC3C3，二极管，二极管D4D4、D5D5用用作温度补偿。将电流源简化，其电路如图作温度补偿。将电流源简化，其电路如图3-33-3（b b）所示。）所示。(a)(b)图3-3 带恒流源的差分放大电路3.1.43.1.4差动放大器的输入、输出方式差动放大器的输入、输出方式单端输入、单端输出的差分放大电路单端输入、单端输出的差分放大电路 单端输入、双端输出的差分放大电路单端输入、双端输出的差分放大电路 双端输入、单端输出差分放大电路双端输入、单端输出差分放大电路 3.23.2集成运算放大器简介集成运算放大器简介 3.2.13.2.1集成运算放大器的基本结构及其特点集成运算放大器的基本结构及其特点1 1、集成运算放大器的基本结构、集成运算放大器的基本结构2 2、集成运算放大器的图形符号和管脚功能、集成运算放大器的图形符号和管脚功能 集成运放的图形符号如图集成运放的图形符号如图3-103-10所示。所示。图中可见，集图中可见，集成运放有两个输入端和一个输出端，输入端输入方式有三成运放有两个输入端和一个输出端，输入端输入方式有三种从种从“-”端输入端输入(u(u-)-)称反相输入，输出电压与输入电压称反相输入，输出电压与输入电压相位相反；从相位相反；从“+”端输入端输入(u u+)+)称同相输入，输出电压与称同相输入，输出电压与输入电压相位相同；从输入电压相位相同；从“-”、“+”两个端输入称差分输两个端输入称差分输出（出（u uId=Id=u u-u u+），输出电压与差分输入电压相位相），输出电压与差分输入电压相位相反。反。3-10集成运放符号（a）国际标准符号；（b）习惯通用符号。3.2.23.2.2集成运算放大器主要参数的意义集成运算放大器主要参数的意义 (1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；开环差模电压放大倍数趋于无穷；(2)输入电阻趋于无穷；输入电阻趋于无穷；(3)输出电阻趋于零；输出电阻趋于零；(4)共模抑制比趋于无穷；共模抑制比趋于无穷；(5)有无限宽的频带；有无限宽的频带；(6)当输入端当输入端u-=u+时，时，uo=0。目目前前，集集成成运运放放的的开开环环差差模模电电压压放放大大倍倍数数均均在在104以以上上，输输入入电电阻阻达达到到兆兆欧欧数数量量级级，输输出出电电阻阻在在几几百百欧欧以以下下。因因此此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。3.2.33.2.3理想集成运算放大器的分析方法理想集成运算放大器的分析方法集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图可用图8.19所示的电压传输特性来描述。所示的电压传输特性来描述。图图8.19运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性 3.33.3基本运算电路基本运算电路1.1.反相比例运算电路反相比例运算电路2.2.同相比例运算电路同相比例运算电路(a)同相比例运算电路(b)电压跟随器 3.3.加法运算电路加法运算电路4.4.减法运算电路减法运算电路3.3.3.3.3.3.积分与微分电路积分与微分电路 积分运算指集成运放的输出电压与输入电压积分运算指集成运放的输出电压与输入电压的积分成比例的运算。积分运算电路如图的积分成比例的运算。积分运算电路如图3-213-21所所示。图中，用示。图中，用CFCF代替代替R RF F构成反馈电路。构成反馈电路。1.1.积分电路积分电路 图3-21 积分运算电路2.2.微分运算电路微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，电阻电阻R R1 1与电容与电容C CF F的位置对调一下，即得微分电的位置对调一下，即得微分电路，电路如图路，电路如图3-223-22所示。所示。图3-22 微分运算电路 (1)电压比较器电压比较器 电压比较电路如图电压比较电路如图3-24所示所示。图图3-24电压比较器电压比较器 3.4 信号处理电路信号处理电路 信号幅度比较电路大致可分为三种：电压比较电路、滞回比较电路和窗口比较电路。图3-25过零比较器（a）电路图；（b）电压传输特性。图3-26 有限幅的过零比较器（a）电路图；（b）电压传输特性。例例3.6 设计一个简单的电压比较器，要求如下：设计一个简单的电压比较器，要求如下：UREF=2V；输输出出低低电电平平约约为为-6V，输输出出高高电电平平约约为为0.7V；当当输输入入电电压大于压大于2V时，输出为低电平。时，输出为低电平。解解：因因输输入入电电压压大大于于2V时时，输输出出为为低低电电平平。故故输输入入信信号号应应加加在在反反相输入端，同相输入端加相输入端，同相输入端加2V的参考电压。的参考电压。又因输出低电平约为又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为，输出高电平约为0.7V，故可采用具，故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。当输出。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输，故输出电压为出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出，故输出电压为电压为-6V。综上所述，满足设计要求的电路如图。综上所述，满足设计要求的电路如图8.38所示。所示。图图3-27 例例3.6的电路图的电路图 2.滞回比较器滞回比较器 滞回特性的比较器滞回特性的比较器(又称施密特触发器又称施密特触发器)，如图，如图3-29所示所示。3-29 滞回比较器滞回比较器 例例3.7 电电路路如如图图3-30（a）所所示示，试试求求上上、下下限限阈阈值值电电压，并画出电压传输特性。压，并画出电压传输特性。（a）电路图）电路图 （b）电压传输特性）电压传输特性 图图3-30 例例3.7的图的图 3.3.窗口比较器窗口比较器 图3-31 窗口比较器(a)电路图；(b)电压传输特性。设设ULUL U UH H，当，当UIULUIUiU UH H时，时，D1D1导通、导通、D2D2截止，输出电压截止，输出电压u uo o仍为高电平仍为高电平U Uomom。只有当。只有当U ULUILUIU UH H时，时，D1D1、D2D2均截止，输出电压均截止，输出电压u uo o为低电平为低电平0 0。3.4.2 3.4.2 有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通过，滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通过，而将此频率范围以外的信号衰减的电路。滤波器可以而将此频率范围以外的信号衰减的电路。滤波器可以由无源的由无源的R R、L L、C C等元件组成，也可以由有源的运放等元件组成，也可以由有源的运放加加R R、C C等元件组成，前者称为无源滤波器，后者称为等元件组成，前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。有源滤波器。1.1.基本概念基本概念 通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受衰减的信号频率范围称为阻带。按照通带和阻带相受衰减的信号频率范围称为阻带。按照通带和阻带相互不同的位置，滤波器可分为低通滤波器（互不同的位置，滤波器可分为低通滤波器（LPFLPF）、高）、高通滤波器通滤波器(HPF)(HPF)、带通滤波器、带通滤波器(BPF)(BPF)、带阻滤波器、带阻滤波器(BEF)(BEF)几种类型，它们的理想幅频特性如图几种类型，它们的理想幅频特性如图3-323-32所示。所示。图3-32 各种滤波器的理想幅频特性 (a)低通；(b)高通；(c)带通；(d)带阻。v2.一阶低通滤波器v一阶低通有源滤波器有如图3.33所示的两种基本电路形式。v 图3.33 一阶低通滤波器低通截止频率。图3.34 一阶有源低通滤波器幅频特性曲线图3.35 二阶有源低通滤波器图3.35 二阶有源低通滤波器v3.一阶高通滤波器(HPF)图3.36 高通滤波器v高通截止频率 当 时特性曲线按+20dB十倍频上升，可以对小于 的信号进行抑制。同理，如果采用如图3.36(b)所示的二阶高通滤波器，其阻带衰减程度会更剧烈，滤波效果会更好。图3.37 一阶高通滤波电路的幅频特性曲线v4.带通滤波电路和带阻滤波电路(1)带通滤波电路。图3.38 带通滤波电路的构成方法图3.39 压控电压源二阶带通滤波电路v在同一条特性曲线-3dB处的通频带范围为通频带宽度，理论可以证明 v 可见，值越大，频带越窄，选频特性越好。v(2)带阻滤波电路。图3.40 带阻滤波电路的构成方法 带阻滤波电路又名陷波器。它由低通滤波电路和高通滤波电路并联而成，两者对某一频段均不覆盖，形成带阻频段。图3.41 压控电压源二阶带阻滤波电路v根据理论推导，该电路的电压放大倍数为阻带的中心频率为 (3.38)(3.40)式中：(3.39)阻带的中心频率为 阻带的宽度v不同的值的幅频特性如图3.41(b)所示。由图可见，值越大，阻带越窄，选频特性越好。带阻滤波电路在检测仪表和电子系统中应用较多，常用于抑制50Hz交流电源引起的干扰信号。这时带阻中心频率选为50Hz，使对应于该中心频率的电压放大倍数为零。3.4.3 3.4.3 信号转换电路信号转换电路1.1.电压电流转换电路电压电流转换电路（1 1）接地负载电压）接地负载电压电流变换器电流变换器（2 2）悬浮负载电压）悬浮负载电压电流变换器电流变换器 图3-43悬浮负载的电压电流变换器（a）反相电压电流变换器；（b）同相电压电流变换器 2.2.精密二极管半波整流器精密二极管半波整流器3-45典型的高精度半波整流电路(a)电路图；(b)电压传输特性；(c)波形图。3.4.43.4.4精密仪用放大电路精密仪用放大电路1.1.精密差分测量放大器精密差分测量放大器电压放大倍数为 2.2.集成精密测量放大器集成精密测量放大器（1 1）INA101MINA101M型测量放大器型测量放大器图3-47 INA101M测量放大器(a)内部电路；(b)基本应用电路。（2 2）应用举例）应用举例心电信号放大电路心电信号放大电路 图所示图所示3-483-48为实用的心电信号放大电路。心电信号为实用的心电信号放大电路。心电信号由安置在手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。由安置在手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。在电极和人体间涂上导电液，以减小接触电阻。其中在电极和人体间涂上导电液，以减小接触电阻。其中R1R1、C1C1和和R2R2、C2C2用以预防电极悬空而引入干扰信号。用以预防电极悬空而引入干扰信号。第二级为同相比例放大，与第二级为同相比例放大，与C6C6一起组成低通滤波电路，一起组成低通滤波电路，这二级总的电压放大倍数可达一万倍，最后一级采用这二级总的电压放大倍数可达一万倍，最后一级采用带阻滤波器，构成带阻滤波器，构成50Hz50Hz陷波器陷波器,减小工频干扰。减小工频干扰。图3-48心电信号放大电路3.5 3.5 集成运放使用中的问题集成运放使用中的问题1.1.选用集成运放型号选用集成运放型号2.2.在使用集成运放时应熟悉管脚的功能在使用集成运放时应熟悉管脚的功能3.3.集成运放的消振与调零集成运放的消振与调零4.4.集成运放的保护措施集成运放的保护措施5.5.集成运放电路外接电阻值的选取集成运放电路外接电阻值的选取6.6.调试过程中应注意的问题调试过程中应注意的问题 1反反馈馈是是将将输输出出信信号号的的一一部部分分或或全全部部以以通通过过反反馈馈网网络络送送到到输输入入端端。负负反反馈馈放放大大电电路路有有四四种种不不同同类类型型。由由瞬瞬时时极极性性判判断断反反馈馈的的性性质质，由由输输出出端端判判别别电电压压或或电电流流反反馈馈，由由输入端判别串联或并联反馈。输入端判别串联或并联反馈。2差差分分放放大大电电路路是是抑抑制制零零点点漂漂移移最最有有效效的的电电路路形形式式，其特点是电路对称。其特点是电路对称。3集集成成运运放放是是一一种种高高增增益益直直接接耦耦合合放放大大器器，掌掌握握集集成成运运放放理理想想化化条条件件是是分分析析集集成成运运放放在在线线性性和和非非线线性性应应用用时时的的基基本本概概念念和和重重要要原原则则。理理想想运运放放线线性性应应用用时时，若若反反相相输输入入则则有有u-=u+=0、i-=i+；若若同同相相输输入入或或差差分分输输入入则则有有u-=u+、i-=i+。理理想想运运放放组组成成正正弦弦波波振振荡荡器器时时，关关键键是是要满足振幅条件和相位条件。要满足振幅条件和相位条件。本章小结本章小结