集成运算放大器及其基本应用电路.ppt

第第4章章 集成运算放大器及其基本应用电路集成运算放大器及其基本应用电路4.1 4.1 基本概念基本概念1 1什么是集成运放什么是集成运放 Operation Amplifier(OPA)Operation Amplifier(OPA)多级、直接耦合、高增益集成电路。多级、直接耦合、高增益集成电路。vo=AVD(VP-VN)-AVD(VN-VP)A AVD VD:开环差模增益开环差模增益 A AVD VD 0 0：同相输入端：同相输入端：反相输入端：反相输入端2.2.理想运算放大器理想运算放大器(1)高增益高增益 A AV V=(2)失调小失调小 R Ri i=(3)恒压输出恒压输出 R RO O=0=0(4)频带宽频带宽 BW=BW=(5)零输入零输出零输入零输出 V VP P=V=VN N时时 V VO O=0=0(6)没有温度漂移没有温度漂移 K KCMR CMR=3.3.输入级的选择输入级的选择(1)直接耦合直接耦合(2)零点漂移问题零点漂移问题(3)差动输入级的优点差动输入级的优点:抑制零点漂移抑制零点漂移;输入失调小输入失调小;输入阻抗高。输入阻抗高。4 4OPAOPA的组成的组成中间中间放大级放大级输出级输出级直流偏置直流偏置 v vo o v vN N v vP P 差分差分输入级输入级 集成运放的典型组成框图集成运放的典型组成框图(1)(1)差动输入级差动输入级 （组合电路）（组合电路）(2)(2)中间级中间级 （提供高增益，（提供高增益，CECE）(3)(3)输出级输出级 （互补输出）（互补输出）(4)(4)附加电路附加电路(直流偏置、相位补偿、调零电路等）直流偏置、相位补偿、调零电路等）5.5.传输特性（差放特性）传输特性（差放特性）VOL/AVDVIDVOH/AVD线性应用线性应用(3)(3)限幅区限幅区vo=VOH 正向饱和正向饱和 VOL负向饱和负向饱和非线性应用非线性应用(1)(1)静态静态 v vIDID=0=0；v vO O=0=0 零入零出零入零出(2)(2)放大区放大区 （线性区）窄！（线性区）窄！由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的的理想运放理想运放。理想运放的条件理想运放的条件虚短路虚短路放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。虚开路虚开路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点附附:在分析信号运算电路时对运放的处理在分析信号运算电路时对运放的处理i1=i2uo_+R2R1RPuii1i21.放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路虚开路虚开路2.电路的输入电阻电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP=R1 /R2uo_+R2R1RPuii1i2为保证一定的输入为保证一定的输入电阻，当放大倍数电阻，当放大倍数大时，需增大大时，需增大R2，4.共模电压共模电压电位为电位为0 0，虚地，虚地输入电阻小、共模电压输入电阻小、共模电压为为 0 0 以及以及“虚地虚地”是反是反相输入的特点。相输入的特点。_+R2R1RPuii1i23.反馈方式反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！反相比例电路的特点：反相比例电路的特点：1.共模输入电压为共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比，因此对运放的共模抑制比要求低。要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。输入电流有一定的要求。二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。虚开路虚开路同相比例电路的特点：同相比例电路的特点：3.共模输入电压为共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比，因此对运放的共模抑制比要求高。要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。由于串联负反馈的作用，输入电阻大。此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器三、电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。_+uiuo一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。二、同相求和运算二、同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：，则输出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+与与 ui1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左图也是同相求和运算左图也是同相求和运算电路，电路，如何求同相输入如何求同相输入端的电位？端的电位？提示：提示：1.虚开路：流入同相端的虚开路：流入同相端的电流为电流为0。2.节点电位法求节点电位法求u+。三、单运放的加减运算电路三、单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器单运放的加减运算电路的特例：差动放大器_+R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，但是它的差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入这是由于反相输入造成的。造成的。三运放电路三运放电路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚短路：虚开路：虚开路：三运放电路是差三运放电路是差动放大器，放大动放大器，放大倍数可变。倍数可变。由于输入均在同由于输入均在同相端，此电路的相端，此电路的输入电阻高。输入电阻高。uo2uo1R1R1+AR2R2uo+例：例：由三运放放大器组成的温度测量电路。由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻：热敏电阻集成化集成化:仪表放大器仪表放大器Rt=f(TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiu=u+=0uit0t0uou i+uoRR2i1iFC若输入：若输入：则：则：一、微分运算一、微分运算i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。ui-+RR2Cuo二、积分运算二、积分运算应用举例应用举例1 1：4.2 4.2 集成运放集成运放(OPA)(OPA)的主要参数的主要参数五类：五类：输入失调参数输入失调参数 开环差模参数开环差模参数 开环共模参数开环共模参数 大信号特性参数大信号特性参数 电源特性参数电源特性参数1输入失调参数输入失调参数是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。(1)输入失调电压输入失调电压VIO与温漂与温漂dVIO/dT VIO-dVIO/dT-(2)输入失调电流输入失调电流IIO与温漂与温漂dIIO/dTIIO=IBPIBN dIIO/dT-(3)输入偏置电流输入偏置电流IIB IIB （IBNIBP/22.差模特性参数差模特性参数 AvD(开环开环)、Rid、fH、VIDM、BWG(单位增益带宽单位增益带宽)3.共模特性参数共模特性参数 KCMR、Ric、VICM4.大信号特性参数大信号特性参数(1)转换速率转换速率SR（摆率）（摆率）定义定义:是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。(2)全功率带宽全功率带宽BWP定义定义:是在额定负载和全功率输出（是在额定负载和全功率输出（Vom）时最大不失真频率）时最大不失真频率。4.1.1 集成运放的主要直流和低频参数集成运放的主要直流和低频参数 (自学自学)4.1.1.1 输入失调电压输入失调电压VIO 集成运放输出直流电压为零时，两输入端之间所加的补偿集成运放输出直流电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压称为输入失调电压电压称为输入失调电压VIO4.1.1.2 输入失调电压的温度系数输入失调电压的温度系数 aVIO 一定温度范围内，失调电压的变化和温度变化的比值定义一定温度范围内，失调电压的变化和温度变化的比值定义为为aVIO，习惯称为温度漂移，习惯称为温度漂移4.1.1.3 输入偏置电流输入偏置电流IIB运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的平均运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流。值定义为输入偏置电流。4.1.1.4 输入失调电流输入失调电流IIO及其温度系数及其温度系数aIIO4.1.1.5 差模开环电压增益差模开环电压增益Avd运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的差运放直流输出电压为零时，其两输入端偏置电流的差值定义为输入失调电流值定义为输入失调电流 在标称电源电压及规定负载下，运放工作在线性区时，在标称电源电压及规定负载下，运放工作在线性区时，其输出电压变化与输入电压变化量之比定义为其输出电压变化与输入电压变化量之比定义为Avd运放的运放的Avd在在60180dB之间之间4.1.1.6 共模抑制比共模抑制比KCMR 用dB表示：运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率运放工作于线性区时，输入失调电压随电源电压的变化率定义为电源电压抑制比定义为电源电压抑制比4.1.1.7 电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR4.1.1.8 最大差模输入电压最大差模输入电压VIdm是运放两输入端允许加的最大电压差，超过是运放两输入端允许加的最大电压差，超过Vidm，运放的输入级对管减被反向击穿，甚至损坏。运放的输入级对管减被反向击穿，甚至损坏。4.1.1.9 最大共模输入电压最大共模输入电压VIcm是运放共模抑制特性明显恶化时的共模输入电压值是运放共模抑制特性明显恶化时的共模输入电压值可定义为，在标称电源电压下，将运放接成电压跟可定义为，在标称电源电压下，将运放接成电压跟随器时输出产生随器时输出产生1的跟随误差的输入电压值；或的跟随误差的输入电压值；或定义为定义为KCMR下降下降6dB时所加的共模输入电压值时所加的共模输入电压值4.1.1.10 输出峰峰电压输出峰峰电压Vopp在标称电源电压及指定负载下，运放输出的低频交流在标称电源电压及指定负载下，运放输出的低频交流电压负峰正峰的值，有时称为输出摆幅。电压负峰正峰的值，有时称为输出摆幅。4.1.2 集成运放的主要交流参数集成运放的主要交流参数 (自学自学)4.1.2.1 开环带宽开环带宽BW在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从直流增益下降直流增益下降3dB所对应的信号频率定义为所对应的信号频率定义为BW4.1.2.2 单位增益带宽单位增益带宽BWG运放的低频闭环增益为运放的低频闭环增益为1及正弦小信号激励下，闭环增益及正弦小信号激励下，闭环增益随频率从随频率从1下降到下降到0.707所对应的频率定义为所对应的频率定义为BWG4.1.2.3 转换速率转换速率SR（有时称为压摆率）（有时称为压摆率）4.1.2.4 全功率带宽全功率带宽BWP在运放闭环电压增益为在运放闭环电压增益为1，输入正弦大信号，指定负载和，输入正弦大信号，指定负载和指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时的信号频率，定义为的信号频率，定义为BWP，BWP简称功率带宽。简称功率带宽。BWP受受SR的限制，它们之间的关系可近似表示为：的限制，它们之间的关系可近似表示为：式中：式中：Vom是运放输出电压幅度最大值是运放输出电压幅度最大值4.1.2.5 建立时间建立时间tset在运放闭环电压增益为在运放闭环电压增益为1，规定负载并阶跃大信号条件下，规定负载并阶跃大信号条件下，运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为tset4.1.2.6 等效输入噪声电压等效输入噪声电压en和电流和电流in屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换算到输入端时简称为等效输入噪声电压算到输入端时简称为等效输入噪声电压en或等效输入噪或等效输入噪声电流声电流in4.2.1.2 典型集成运放电路典型集成运放电路741 p179双极型运放双极型运放 通用通用F007（A741）1组成组成(1)输入级输入级1组成组成(2)中间级中间级1组成组成(3)输出级输出级2直流偏置直流偏置(1)主偏置电路主偏置电路2直流偏置直流偏置(2)输入级输入级2直流偏置直流偏置(3)中间级中间级2直流偏置直流偏置(4)输出级输出级(1)AV高；高；特特点点(2)Rid大；大；(3)fH低；低；(4)VIDM,VICM大大(5)过流保护；（正半周；负半周）过流保护；（正半周；负半周）(6)动态范围大动态范围大(7)内部有内部有CC（相位补偿）；（相位补偿）；(8)调零端调零端 、4.6 4.6 集成运放的等效模型及运算特性集成运放的等效模型及运算特性4.6.1 理想集成运放及其等效模型理想集成运放及其等效模型理想集成运放具有以下主要特征理想集成运放具有以下主要特征（1）输入失调电压）输入失调电压VIO，及其温漂，时漂，及其温漂，时漂，随电源电压漂移均为零随电源电压漂移均为零（2）输入偏置电流）输入偏置电流IIB，失调电流，失调电流IIO及其温漂，时漂，及其温漂，时漂，随电源电压漂移均为零随电源电压漂移均为零（3）等效输入噪声电压及其噪声电流为零）等效输入噪声电压及其噪声电流为零（4）输出电阻）输出电阻Ro0（5）开环差模电压增益为无限大）开环差模电压增益为无限大（6）开环差模输入电阻为无限大）开环差模输入电阻为无限大（7）共模输入电阻及共模抑制比为无限大）共模输入电阻及共模抑制比为无限大（8）（）（3dB)带宽为无限大带宽为无限大（9）转换速率）转换速率SR为无限大为无限大理想集成运放的等效模型理想集成运放的等效模型理想集成运放构成的反相电路理想集成运放构成的反相电路理想集成运放构成的同相电路理想集成运放构成的同相电路4.6.2 实际集成运放的等效模型及运算特性实际集成运放的等效模型及运算特性本章要求本章要求 1掌握掌握OPA的主要指标（含义、数值（量级）；的主要指标（含义、数值（量级）；2掌掌握握OPA线线性性、非非线线性性两两种种应应用用的的条条件件、特特点点，会用两点结论分析应用电路。会用两点结论分析应用电路。3掌握理想运放的条件掌握理想运放的条件4.掌掌握握模模拟拟运运算算电电路路（电电路路形形式式、分分析析方方法法、函函数数关关系、特点）；系、特点）；