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项目六-直耦放大器和集成运算放大器知识目标1．了解差分放大器的电路特点、工作原理。2．了解差模信号与共模信号、失调与调零的概念。3．了解集成电路的分类、特点和集成运放主要参数。4．掌握集成运算放大器的理想化特性。5．掌握集成运算放大器的基本运算电路和工作原理。6．了解集成运算放大器的应用知识。能力目标1．掌握差分放大器抑制共模信号的过程。2．掌握利用理想化特性分析运算放大器。项目六-直耦放大器和集成运算放大器直接耦合放大器：放大器与信号源、负载以及放大器之间采用导线或电阻直接连接。特点：低频响应好。可以放大频率等于零的直流信号或变化缓慢的交流信号图6-1简单的直接耦合电路一、直耦放大器的两个特殊问题1、前后级的电位配合问题两级直耦放大电路如图6-1所示。由于，而很小，使的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。2、零点漂移问题零点漂移：在输入端短路时，输出电压偏离起始值，简称零漂。如图6-2所示活动一直耦放大器项目六-直耦放大器和集成运算放大器图6-2零点漂移现象产生零漂的原因：电源电压波动、管子参数随环境温度变化。其中，温度变化是主要因素。零漂的危害：在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。二、差动放大电路1、电路特点电路如图6-3所示。特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等；信号为双端输入、双端输出方式。输入电压vI经、分压为相等的vI1和vI2分别加到两管的基极(双端输入)，输出电压等于两管输出电压之差，即vOvO1vO2(双端输出)。活动一直耦放大器项目六-直耦放大器和集成运算放大器图6-3差动放大电路图2、抑制零漂原理设输入电压=0，因电路完全对称，。当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，，输出电压可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。三、放大倍数1、差模放大倍数差模信号：大小相等而极性相反的两个信号。差模输入方式：两管输入信号为差模信号。活动一直耦放大器则，vO1=vO2，vO=vO1-vO2=0vivO1=vO2vO=vO1-vO2=0。在图6-3中，当0Iv时，I2I1I21vvv放大器为差模输入。2O1Ovv放大器双端输出电压vO=vO1-vO2=vO1-(-vO1)=2vO1。设单管放大器的放大倍数为1VA、2VA，且21VVAA于是差模放大倍数为1I1O1I1O1IOD22VVAvvvvvvA即21DVVVAAA可见，双端输入、双端输出差放电路的差模放大倍数等于单管放大器的放大倍数。AVD项目六-直耦放大器和集成运算放大器2、共模放大倍数共模信号：大小相等、极性相同的两信号。共模输入方式：两管输入信号为共模信号。可见，共模输入、双端输出差放电路的共模放大倍数等于零。即对共模信号进行了抑制。图6-4差分放大器的共模输入方式四、共模抑制比活动一直耦放大器在图6-4中，两管的输入信号vI1=vI2=vI，放大器为共模输入，因电路对称，vO1=vO2。其双端输出电压vO=vO1-vO2=0。即共模放大倍数00IIOCvvvAVAVCKCMR共模抑制比KCMR：衡量差分放大器放大差模信号及抑制共模信号的能力。CDCMRVVAAK共模抑制比KCMR越大，差分放大器的性能越好。项目六-直耦放大器和集成运算放大器五、在电路中的作用活动一直耦放大器PReREGPR——调零电位器。作用是克服电路非对称性。当0Iv时，调节PR，使0OvRe——公共射极电阻。作用是引入共模负反馈。对共模信号有负反馈作用，对差模信号相当于短路。GE——辅助电源。作用是克服Re对VCEQ的影响，防止输出动态范围减小。项目六-直耦放大器和集成运算放大器集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。一、集成运算放大器的外形和符号1、集成电路的外形：见图6-5国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。图6-5集成电路外形活动二集成运算放大器项目六-直耦放大器和集成运算放大器2、集成运放的型号国家标准(GB3430-82)规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。3、集成运放的管脚顺序及功能国产第二代集成运放CF741接线如图6-6所示。图6-6CF741外接线图双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(9-18)V，脚4接负电源(9-18)V，脚6为输出端，脚1、4、5外接调零电位器，脚3为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)，脚2为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)。脚8为空脚。国产第一代集成运放F004接线如图6-7所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(15)V，脚4接负电源(15)V，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300k电阻及RP、CP的作用是消除自激，可通过调试决定数值。不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。活动二集成运算放大器项目六-直耦放大器和集成运算放大器图6-7F004外接线图4、集成运放的图形符号如图6-8所示，图(a)是国家新标准(GB4728•13—1996)规定的符号；图(b)是曾用过的符号。画电路时，通常只画出输入和输出端，输入端标“”号表示同相输入端，标“”号表示反相输入端。图6-8运算放大器的图形符号二、集成运算放大器的主要参数1、两种放大倍数(1)开环放大倍数开环放大倍数：无反馈时集成运放的放大倍数。如图6-9所示。活动二集成运算放大器项目六-直耦放大器和集成运算放大器(2)闭环放大倍数闭环放大倍数：有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。图6-9集成运放的开环放大倍数2、主要参数(1)输入失调电压输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，越小，运放性能越好。(2)输入失调电流输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。其值为两个输入端静态基极电流之差。(3)输入偏置电流输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。一般为微安数量级，越小越好。(4)开环电压放大倍数活动二集成运算放大器IoABoOvvvvvAVAVFAVFVIOVIOIIOIIBIIBAVO项目六-直耦放大器和集成运算放大器电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的可达倍。(5)开环输入阻抗指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。越大，运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。(6)开环输出阻抗电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。越小，运放性能越好。一般在几百欧左右。(7)共模抑制比电路开环情况下，差模放大倍数与共模放大倍数之比。越大，运放性能越好。一般在80dB以上。(8)输出电压峰峰值放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。(9)静态功耗电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。(10)开环带宽BW开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3dB所对应的带宽。以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。3、集成运放产品分类简介(1)通用型通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。如性能较好的CF741等。活动二集成运算放大器AVOAVO105riroriKCMRroAVDAVCKCMRVOPPPD项目六-直耦放大器和集成运算放大器(2)特殊型特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如：(a)高输入阻抗型差模输入电阻不小于(b)高精度型(c)宽带型增益带宽大。(d)低功耗型当电源电压15V时，最大功耗不大于6mW。(e)高速型转换速率大于30V/s。(f)高压型输出电压较高。三、集成运算放大器的理想特性集成运放的理想特性为：(a)输入信号为零时，输出端应恒定为零；(b)输入阻抗(c)输出阻抗(4)频带宽度BW应从0(5)开环电压放大倍数在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。四、集成运算放大器的应用举例1、数学运算方面的应用举例(1)简单的比例运算功能(a)反相输入比例运算电路活动二集成运算放大器。VIO/T小于2V/C。109项目六-直耦放大器和集成运算放大器图6-10所示的电路，是电压并联负反馈放大电路。图6-10反相输入比例运算电路活动二集成运算放大器irOVA根据运放“理想特性”，，，而vO又是有限值，则00OOAIVAvvi，f1ii所以故反相输入比例运放的闭环放大倍数为1f11ffIOFRRiRiRvvAV输出电压为i1fOvRRv结论，反相输入比例运算电路的闭环放大倍数FVAfR1R只取决于与之比，与开环放大倍数OVA无关；输出电压与输入电压成反相比例关系。由于vA0，即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把A端称为“虚地”。(b)同相输入比例运算电路图6-11所示的电路，是电压串联负反馈放大电路。项目六-直耦放大器和集成运算放大器图6-11同相输入比例运算器活动二集成运算放大器irDVA根据运放“理想特性”，，而vO又为有限值。得0DOABVAvvv0Ii，因此，输入电压为vIvBvA其中Of11AvRRRv故同相输入比例运放的闭环放大倍数为1f1f1AOIOD1RRRRRvvvvAV输出电压I1fO1vRRv从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与OVA无关，只取决于fR与1R的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。(2)减法比例运算电路。项目六-直耦放大器和集成运算放大器图6-12减法比例运算电路活动二集成运算放大器图6-12所示的电路中，21RRf3RR由图可知fOAF1A1I1RvviRvvi，因为0Ii，则F1ii，于是有fOA1AI1RvvRvv整理得f11OfI1ARRRvRvv而I2323BvRRRv因BAvv，故2I323f11OfI1vRRRRRRvRv由于21RRf3RR得)(I1I21fOvvRRv项目六-直耦放大器和集成运算放大器活动二集成运算放大器结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。结论，输出电压正比于两个输入电压之差。如果Rf=R1，则vO=vI2vI1故电路又称为减法器。3．加法比例运算电路图6-13所示的电路中，f3214//////RRRRR0Ii321fiiii由运放理想特性知，因而。由于A点为“虚地”，因此3I32I211IfORvRvRvRv整理可得33I22I1I1fORvRvRvRv，上式简化为若取RRRR321)(I3I2I1fOvvvRRv如果Rf=R，则vO=(vI1+vI2