电子技术(模拟部分)刘颖主编-6-集成运放及其典型应用

1/541.绪论2.二极管及其典型应用3.晶体三极管及其放大电路4.场效应管及其放大电路5.级联放大电路6.集成运放及其典型应用7.负反馈放大电路8.典型功能电路设计及仿真调试课程主要内容问题：1.什么是集成运放电路？2.集成运放由哪几部分组成？3.理想集成运放有哪些特性？4.集成运放中电流源的作用有哪些？5.利用集成运放如何设计运算电路？6.利用集成运放可以实现哪些功能电路？3/546.1模拟集成运算放大器概述6.2理想运算放大器6.3集成运放在运算电路中的应用第6章集成运放及其典型应用4/546.1模拟集成运算放大器概述一、模拟集成电路概述二、模拟集成电路的基本结构三、集成运放芯片简介四、集成运放主要参数5/546.1模拟集成运算放大器概述1.概念：模拟集成电路（IntegratedCircuit,IC)是由基本单元电路组成的具有某个专门功能的电子器件。2.模拟集成电路的分类（1）按照功能分：运放、乘法器、对数放大器、滤波器、压控振荡器集成稳压源……。（2）按应用领域分：通用集成电路和专用集成电路；专用集成电路分有通信系统专用集成电路、控制系统专用集成电路……。一、模拟集成电路概述6/541）通用集成电路2）模拟信号处理电路3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路等.4）通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。5）测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。6）仪器专用电路等。按照应用领域进行分类：7/54按照电路的功能进行分类1）运算放大器2）模拟乘法器（除法器）3）对数放大器4）函数发生器5）滤波器6）压控振荡器7）集成功率放大器8）集成稳压电源……集成电路通用型专用型按照集成电路分类8/541．集成电路的基本结构集成电路的基本组成结构示意图输入模块功能模块输出模块电源模块控制/补偿模块保护模块二、模拟集成电路的基本结构9/542．模拟集成放大电路（运算放大电路）组成输入级中间级输出级偏置电路(1)偏置电路：为各级放大电路提供直流电流，确定合适的静态工作点。在集成电路中，用恒流源提供直流偏置。(2)中间级：提供足够高的电压增益。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。10/54（3）输入级:一般采用高性能的差动放大电路,所以也称为差放输入级。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U＋表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U－表示。（4）输出级：一般由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流，具有小的输出电阻，所以也称为低阻输出级。具体电路通常为功率放大器。差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U-U+运放组成11/54模拟集成运放芯片12/54MC14573封装MC14573内部结构及管脚排列13/54LM324LM324内部结构及管脚排列14/54共集-共射差分放大电路共集-共射放大电路射级输出电路输入级输出级中间放大级LM324放大单元的内部电路图15/54单极型集成运放+UDD-USST1T6RUIT2UOT3T4T5CT8T7C14573的电路原理图第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。16/54送到另外一组放大电路源级耦合差放输入级共源放大输出级MC14573放大单元的内部电路图17/54常用集成运放芯片部分型号CA3080跨导运算放大器CA3100宽频带运算放大器CA3193BiMOS精密运算放大器CA3401单电源运算放大器F007通用型放大器F010低功耗运算放大器F118高速运算放大器F1550射频放大器F1490宽频带放大器三、集成运放芯片简介18/54LFC2高增益运算放大器LFC3中增益运算放大器LFC4低功耗运算放大器LFOP37超低噪声精密放大器LM318高速运算放大器LM324四运算放大器LM358单电源双运算放大器LM380音频功率放大器NE592视频功率放大器TL081通用JFET输入型运算放大器TL082四高阻运算放大器19/54四、集成运放主要参数集成运放的性能指标-主要参数如下：1.电源电压2.开环差模电压增益AUd3.共模抑制比KCMR4.差模输入电阻rid5.输入失调电压Uos6.输入失调电压的温漂dUos/dT7.输入失调电流Ios8输入失调电流的温漂dIos/dT9输入偏置电流IB10最大共摸输入电压Uic,max11最大差模输入电压Uid,max12-3dB带宽13单位增益带宽BWG----fT14转换速率SR(摆率)|duo/dt|max20/546.2理想运算放大电路一、理想运放的电路模型二、理想运放的主要性能指标三、理想运放的线性与非线性运用21/546.1理想运算放大电路1.运放符号一、理想运放的电路模型∞运放旧符号（常用符号）运放国标符号u+u-u+u-uouo2.理想运放概念问题：什么是理想运放？将集成运放的增益、输入电阻、输出电阻等特性理想化的模型。22/541）同相端与反相端呈开路状态,输入电阻ri=∞;。2）输出回路为一受控电压源AUd(u+-u-)，输出电阻ro=0,所以uo=AUd(u+-u-)。3.理想运放模型u+u-AU(u+-u-)+-uo+-roriAU(u+-u-)+-uo+-+-+-u+u-运放符号理想模型23/544.理想运放的性能1)开环电压增益AUd=∞;2)输入电阻rid=∞;3)输出电阻ro=0;4)频带宽度F=∞;5)共模抑制比CMRR=∞;6)失调、失调温漂和内部噪声为零。主要条件24/54三、理想运放的线性与非线性应用1.理想运放的两种工作区域（状态）：线性和非线性说明：（1）理想运放开环增益∞，无负反馈时，输出只有两种情况，正向饱和最大和负向饱和最大，工作在非线性状态。u+u-AU(u+-u-)+-uo+-uou+-u-/VVomaxVominO理想运放模型理想运放传输特性正饱和负饱和25/54说明：（2）有负反馈时，闭环增益有限，工作在线性状态。理想运放负反馈应用电路框图有负反馈时理想运放传输特性uo+-uo/VuP-uN/VVomaxVomin正饱和负饱和反馈通路uPuNiNiPuiminuimax∞26/54（1）线性应用：运放输入输出成线性关系的应用。有负反馈的闭环应用，如“运算电路”、“有源滤波电路”等。（2）非线性应用：运放输入输出成非线性关系的应用。开环或有正反馈，如电压比较器、振荡器等。输入输出输入输出电压放大器电压比较器小结：27/542.线性运用状态时主要特征1)虚断：同相和反相输入端电流近似为零,称虚断。iP=iN≈02)虚短：同相和反相输入端电位近似相等,称虚短。uP=uNri≈∞uP-uN=uo/AU≈0roriAU(uP-uN)+-uo+-uPuNiNiP3）虚地：如果将运放的同相端接地uP=0，则uN=0,即反相端是一个不接地的“地”，称为“虚地”。“虚地”点对地的电阻为“0”uo+-反馈通路uPuNiNiP∞28/543.非线性工作状态时主要特征（饱和工作状态）1)虚断：同相和反相输入端电流近似为零。2)饱和：当uPuN时，uo为正饱和值；当uPuN时，uo为负饱和值。iP=iN≈0输入输出电压比较器29/546.3基本运算电路6.3.1比例运算电路6.3.2加减运算电路6.3.3积分运算和微分运算电路6.3.4对数运算和指数运算6.3.5乘法运算和除法运算电路30/546.3.1比例运算电路1.反相放大电路R1UiUoRfRP-+I1If平衡电阻Rp≈R1//Rf电压并联负反馈由I+=I-≈0（虚断）I1=IfU+=0∵U+=U-（虚短）∴U-=0i11UUIRi1UR，-offUUIR又ofURfoi1RUURofUfi1URAUR虚地点对地的电阻为“0”31/54R1UiUoRfRP-+IiIf平衡电阻Rp≈R1//Rf小结：电路的输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相反，比例因子为Rf/R1，因此，该电路常用于反相比例运算。ofUfi1URAURAUf只与Rf、R1有关，而与运放的参数无关。输入电阻Rif=Ui/Ii=R1输出电阻Rof=Rf//0=0电压增益32/542.同相放大电路R2UiUo-+电压串联负反馈∵I-=I+≈0∵U+=U-foi1(1)RUUR1fioUf1RRUUARif≈Rid≈∞Rof=0RfR11o1fRUURR1io1fRUURR小结：同相放大电路输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相同，比例因子为1+Rf/R1，因此，该电路常用于同相比例运算。33/542.同相放大电路（续）1UfA，ioUU电压跟随器R2UiUo-+rif≈rid≈∞,rof=0当Rf=0时，1fioUfRR1UUAR2UiUo-+RfR134/546.3.2加减运算电路RfIfUoRP-+R1U1I1R2U2I2RnUnIn1.反相加法器∵I+=I-≈0→I1+I2+…+In=IfU+=0∵U+=U-∴U-=0111UUIR11UR-offUUIRofUR222UIR，……,nnnUIR，o2n2nf11UUUURRRR12nof12n()UUUURRRR平衡电阻Rp≈R1//R2//…//Rn//Rf当R1=R2=…=Rn=Rf时，Uo=-(U1+U2+…+Un)35/542.同相加法器R2U2I2RnUnInIfUoRs-+R1U1I1Rf∵I+=I-≈0→I1+I2+…+In=0∵U+=U-111UUIR，sosfRUURRsosfRUURR222UUIR，……,nnnUUIR12n12n0UUUUUURRR12n12n12n111()UUUURRRRRR36/54R2U2I2RnUnInIfUoRs-+R1U1I1Rf12n12n12n111()URRRUUURRR)()1(nn2211sfoRURURURRKU输出电压为各输入电压按比例相加，比例系数取决于各回路的电阻，改变一个输入回路的电阻值将影响K值和其他回路的放大系数。12n1111RRRK令sosfRUURR37/543.减法器R3R1U1UoRf-+R2U2运放工作在线性放大时，可用叠加原理来推导输出表达式。当U2=0时，在输入信号U1的作用下，产生的输出为U'o当U1=0时，在输入信号U2的作用下，产生的输出为U''o根据叠加原理：Uo=U'o+U''o当U1单独作用时：U'ofo11RUUR当U2单独作用时：U''o3223RUURR其中：f1(1)oRUUR，38/54R3R1U1UoRf-+R2U2当U1和U2共同作用时：ooo31ff211231()UUURRRRUURRRR若R1=R2R3=Rffo211()RUUUR小结：1)当R1=R2，R3=Rf时，减法器的输出电压为两个输入信号之差乘以放大系数Rf/R1,故又称它为差分放大器。2)为减小失调误差，需R1//Rf=R2//R3。39/54tui(t)E6.3.3积分与微分计算Rui(t)uo(t)-+i(t)if(t)∵I+=I-≈0→i1(t)=if(t)U+=0i()()utitRf()itcf1()()dutittCi1()duttRCoc()()utut可得oi1()()dututtRCCtuo(t)-Uo(sat)积分器的输出电压与输入电压呈积分关系，积分时间常数为RC。当ui(t)=E时,tRCEtu)(ouo(t)~t按负斜率下降，最终达到负饱和值。∵U+=U-，∴U-=01.积分运算电路40/54数学运算波形变换。如将一方