2012 第十一章 运算放大器..

(4-1)集成电路:将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；§11.1集成运放的内部结构及特点(4-2)集成电路内部结构的特点：1.电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2.电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.几十pF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4.二极管一般用三极管的发射结构成。(4-3)UEE+UCCu+uou–反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS原理框图：输入级中间级输出级与uo反相与uo同相(4-4)对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,输入阻抗ri尽可能大。对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io。即输出阻抗ro小。集成运放的结构（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。（2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。(4-5)R2T3R1R3-UEE+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4IC=IC1+IC2=1IB+2(1+1)IB=[1+2(1+1)]IB为减小IB，提高输入电阻，T1、T2采用复合三极管=IC/IB=1+2(1+1)12ICIBIE12IC1IC2IB2(4-6)-UEE+UCCERCT1RCT2T5T6RC3RE2RC4RE3T7T9T8RE4RE5T11T10RL第4级：互补对称射极跟随器差动放大器第2级第1级：差动放大器第3级：单管放大器–+集成运放内部结构（举例）极性判断(4-7)ri大:几十k几百k运放的特点：KCMRR很大ro小：几十几百Ao很大:104107理想运放：riKCMMRRro0Ao运放符号：＋－u－u+uo－＋＋u－u+uoAo国际符号国内符号(4-8)一、开环差模电压放大倍数Aod无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在105107之间。理想运放的Aod为。二、共模抑制比KCMMR常用分贝作单位，一般100dB以上。三、差模输入电阻ridri1M,有的可达100M以上。四、输出电阻roro=几-几十。§11.2集成运放的主要性能指标(4-9)五、最大共模输入电压UIcmax六、最大差模输入电压UIdmax七、-3dB带宽fH运放是直流放大器，也可放大低频信号，不适用于高频信号。还有其他一些反映运放对称性、零漂等的参数。不再一一介绍。关于集成运放的应用下面将分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理。(4-10)uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_++AoCoOMEuUmax例：若UOM=12V，Ao=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。线性放大区§11.3运放工作在线性区时的特点(4-11)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，称其所谓的理想运放。理想运放的条件oAir0or)uu(Auoo虚短路uu0iI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可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点一、在分析信号运算电路时对运放的处理(4-12)二、分析运放组成的线性电路的出发点•虚短路•虚开路•放大倍数与负载无关，可以分开分析。0iIuuu+uo_++u–Ii信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用(4-13)11.4.1比例运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。§11.4信号的运算电路(4-14)0uui1=i221RuRuoi121RRuuAouuo_++R2R1RPuii1i21.放大倍数虚短路虚开路一、反相比例运算电路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。虚开路(4-15)自学P286-P292内容•回答下列问题:•(1)什么是反馈?什么是正反馈?•什么是负反馈?•(2)负反馈有哪几种?•(3)判别书中所列例题的负反馈类型?•(4)负反馈对电路有哪些影响?•(5)注意P292表11.2.1中输入电阻和输出电阻变化情况(填空或选择)(4-16)2.电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1//R2uo_++R2R1RPuii1i2为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。(4-17)4.共模电压02uu电位为0，虚地输入电阻小、共模电压为0以及“虚地”是反相输入的特点。_++R2R1RPuii1i23.反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！(4-18)反相比例电路的特点：1.共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。4.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。(4-19)uo_++R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：求Au=?0uui1=i2虚短路虚开路4324111RRRRuvoM1122RuiRviiM虚开路(4-20))1()111()111(342412414322414322RRRRRRRRRRRRRRRRRRuuAiou4324111RRRRuvoM1122RuiRviiM该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。(4-21)二、同相比例运算电路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui12RuRuuiioiouRRu)1(12反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。1211RRuuAou虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。虚开路(4-22)同相比例电路的特点：3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。(4-23)_++uiuoiouuuu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器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。(4-24)11.4.2加减运算电路作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。(4-25)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，以适应不同的需要。FPR//R//RR1211(4-26)0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1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。(4-27)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，以适应不同的需要。22211R//RR//RF-R1RF++ui1uoR21R22ui2(4-28)此电路如果以u+为输入，则输出为：uRRuFo)1(1-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与ui1和ui2的关系如何？))(1(212111111211121iiFouRRRuRRRRRu注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）22221211222122iiuRRRuRRRu(4-29)-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.节点电位法求u+。(4-30)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，以适应不同的需要。R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R//R//RR//R//R(4-31)R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6))((4433643RuRuR//R//Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii虚短路虚开路虚开路)(])111([44332211511122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio643521R//R//RR//R//R(4-32)_++R2R1R1ui2uoR2ui1uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器(4-33)_++R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。(4-34)例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3(4-35)(2)求各电阻值。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3FRRRRR//////3421)(332211RuRuRuRuiiiFok240FRuo=10ui1+8ui2-20ui3k241Rk302Rk123Rk804R(4-36)优点：元件少，成本低。)(443322115RuRuRuRuRuiiiio缺点：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放的加减运算电路改进：采用双运放电路。(4-37)四、双运放的加减运算电路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R625461213FFR//R//RR,R//R//RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo(4-38)例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo=0.5ui+2.5V(4-39)uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k)5(5.0)5(20101iiouuu)5(5.020201ioouuu(4-40)五、三运放电路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+(4-41)1iauu2ibuuWbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：(4-42))(21212iiWWouuRRRRRu