集成运放及其基本应用.

李林[e-mail]模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronic第二章集成运放及其基本应用李林[e-mail]知识回顾：电子技术的发展-模拟电路-电子信息系统-课程特点-学习方法-考查方法李林[e-mail]第二章集成运放及其基本应用§2.1放大的概念与放大电路的性能指标§2.2集成运算放大电路§2.3理想运放组成的基本运算电路§2.4理想运放组成的电压比较器李林[e-mail]§2.1放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标李林[e-mail]一、放大的概念放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现VCC至少一路直流电源供电，是能源判断电路能否放大的基本出发点放大的特征：功率放大常用正弦波做测试信号放大的对象：变化量放大的基本要求：不失真——放大的前提输入信号为零时为静态。能够控制能量的元件李林[e-mail]二、性能指标：研究的是动态性能。ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAiu1.放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。李林[e-mail]2.输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。Lo'oLoo'oo)1(RUURUUUR空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值iiiIUR输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻李林[e-mail]3、通频带4、最大不失真输出电压Uom：交流有效值。由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率LHbwfff5、最大输出功率和效率：功率放大电路的主要指标参数。扩音机的fL和fH为多少？李林[e-mail]4.最大不失真输出电压Uom：不失真的前提下能够输出的最大电压。5.最大输出功率Pom和效率η：Pom：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率效率η：放大电路中供电的直流电源能量的利用率效率等于最大输出功率Pom与电源消耗功率PV之比即：VomPP李林[e-mail]§2.2集成运算放大电路一、差分放大电路的概念二、集成运放的符号及电压传输特性三、理想运放及其动态等效电路李林[e-mail]2.2集成运算放大电路集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的放大电路。因首先用于信号的运算而得名。由于它具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。两个输入端一个输出端组成的框图如下：李林[e-mail]一、差分放大电路的概念1.需求热电阻测温电桥环境温度变化阻值变化某一标准温度下uI1＝uI２＝VCC/2uI＝uI1－uI２＝0。RRRRt+VCCuIuI1uI2需要一种放大电路，对uI1和uI２共同的部分不放大，仅对它们的差值放大。温度变化（即偏离标准温度）时，产生ΔuI，这是放大的对象。——差分放大电路李林[e-mail]集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成高性能的差分放大电路。差分放大电路ui1ui2uo放大电路uiuo差分放大电路有二个输入端和输出端。在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即ui1=-ui2，这种输入方式称为差模输入。两信号的差值称为差模信号，用uid表示，uid为两输入端输入信号之差，即:uid=ui1–ui2一、差分（动）放大电路的概念一般放大电路：差分放大电路：李林[e-mail]若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2，这种输入方式称为共模输入，两信号的算术平均值称为共模信号，用uic表示。uic为。uic=ui1=ui2若ui1≠ui2，这种输入方式称为比较输入，ui1、ui2可分解为一对共模信号及一对差模信号。即：2idic1iuuu2idic2iuuu差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共模信号起抑制作用，故称为差分放大电路。李林[e-mail]2.共模信号和差模信号共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相同，则称之为共模信号。差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相反，则称之为差模信号。对差分放大电路的要求：放大差模信号、抑制共模信号3.典型差分放大电路方框图差分放大电路uI1uI2uO1uO2典型的差分放大电路有两个输入端、两个输出端，它们均不直接接地，这种电路形式称为双端输入、双端输出接法。李林[e-mail]（1）加差模信号时差分放大电路uI1uI2uO1uO2uI差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为0，即为“地”。RL（2）加共模信号时差分放大电路uORLuIc差分放大电路具有理想对称性，温度变化所引起晶体管参数的变化可等效为共模信号输入。uI/2李林[e-mail]4.差分放大电路的放大倍数差模放大倍数IdOdduuAIcOccuuA共模放大倍数cdCMRAAK共模抑制比越大越好绝对值越小越好绝对值越大越好为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数—共模抑制比。李林[e-mail]5.差分放大电路的四种接法差分放大电路uIduORL由于在实际应用场合为避免干扰输入信号源有接地端，为负载安全负载常需有接地端，故差分放大电路有四种接法，即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。双端输入、单端输出电路：集成运放可等效为高性能的双端输入单端输出差分放大电路。李林[e-mail]差动放大电路的几种输入和输出方式：双端输入、单端输出：单端输入、双端输出：单端输入、单端输出：双端输入、双端输出：李林[e-mail]二、集成运放的符号及电压传输特性集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小……不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是±VCC（常为±15V）供电。1.符号极性相同极性相同李林[e-mail]∞_++(a)国标符号运放符号(b)习惯画法集成运放的符号二、集成运放的符号及电压传输特性李林[e-mail]2、电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系)(NPodOuuAu)()(NPIOuufufu线性区开环差模增益高达几十万倍非线性区输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM若±UOM=±14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性区输入信号的范围为多少？±UOM的值决定于什么？李林[e-mail]3、理想运放及其动态等效电路•理想运放的参数特点：差模输入电阻rid为∞、输出电阻ro为0、开环差模增益Aod为∞、共模抑制比KCMR为∞、频带无限宽、温度对参数无影响。目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。李林[e-mail]问题：若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有可能工作在线性区吗？负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压变化吗？为什么？李林[e-mail]理想运放的条件odAiR0oR)(npodouuAu虚短路npuu0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4、集成运放工作在线性区的特点：李林[e-mail]4、集成运放工作在非线性区的特点：)(npodouuAu1)净输入电流为ii=02)uPuN时，uO＝＋UOM3)uPuN时，uO＝－UOM李林[e-mail]§2.3理想运放组成的基本运算电路一、概述二、比例运算电路三、加减运算电路四、积分运算电路和微分运算电路李林[e-mail]一、概述)(NPodOuuAu1.理想运放的线性工作区域有限值无穷大无穷小为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。无源网络反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。uO↑→uN↑→uO↓（1）电路结构李林[e-mail]（2）工作在线性区的特点由于uO为有限值，Aod＝∞，因而净输入电压uP－uN＝0，即因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即uP＝uN——虚短路iP＝iN＝0——虚断路“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。李林[e-mail]2.研究的问题（此时运放工作在线性区）（1）运算关系：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式uO＝f(uI)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。（1）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。3、学习运算电路的基本要求李林[e-mail]R’＝？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虚地在节点N：RuiiRIFIffFOuRRRiu1.反相输入比例运算R’=R∥Rf保证输入级的对称性当R=Rf时，输出电压为：此时称为变号器该电路的输入电阻为：RRi二、比例运算电路李林[e-mail]《例》已知比例电路如图所