第11章 运算放大器

第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT第11章运算放大器分立电路是由各种单个元件连接起来的电子电路。集成电路优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟【引入】前几章都学习的是分立电路，是由各种单个元件连接起来的电子电路。电路简单，实现的功能有限。实际应用最多的还是集成电路。集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间的连接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。(有的直接称作芯片)。1960年，世界上第一块硅集成电路制造成功。第一个集成电路只有4级晶体管，随着电子技术的发展，集成电路功能越来越强。现在一个芯片上可以到达上亿个晶体管，然后这些芯片再组成电路。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT各类型号集成芯片集成电路优点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。缺点：与分立元件相比缺乏灵活性，一旦固定不能随意改变组件。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。德州仪器（TI）是世界上最大的半导体公司之一。外形分类：双列直插式，扁平式、圆壳式第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT主要内容：基本要求：1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。5.理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路工作性能的影响。11.1运算放大器的简单介绍11.2放大电路中的负反馈11.3运算放大器在信号运算方面的应用11.4运算放大器在信号处理方面的应用11.5使用运算放大器应注意的几个问题第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT第1讲运算放大电路的介绍主要内容：1、集成运放的组成2、主要参数3、理想运算放大器第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1运算放大器的简单介绍11.1.1集成运放的组成输入级中间级输出级输入端输出端偏置电路输入级—差分放大器（抑制零点漂移和干扰，ri大）输出级—射极输出器或互补对称功率放大器（要求ro小，最大不失真输出电压尽可能大）偏置电路—由镜像恒流源等电路组成(保持静态工作点)中间级—常为共射放大电路，要求有足够的放大能力。1）输入级要使用高性能的差分放大电路（抑制零点漂移），它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入、双端输出的形式。u+,u-两个输入2）中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。3）射极输出器或互补对称功率放大器，给出足够的输出电流io，输出阻抗ro小。提高带负载能力。（要求ro小，最大不失真输出电压尽可能大）4）偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT运算放大器的符号反相输入端uO+–+u–u+同相输入端输出端+–+Auo理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数＋－u－u+uo习惯符号信号传输方向国家符号1）集成运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器如果必须有正、负电源端有的类型还有补偿端和调零端。2）集成运算放大器的符号：按照国家标准符号如下图所示。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT集成运算放大器的管脚8765F0071234U-U+-UCC+UCC输出1,5---外接调零电位器的两个端子。2---反相输入端。3---同相输入端。4---负电源端。6---输出端。7---正电源端。8---空脚。有公共端F007通用集成运放电路简介。内部电路结构对于应用不重要，需要知道主要参数和用途。8个管脚，缺口下方开始12345678。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT通用型集成运放F007第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1.2主要参数1.最大输出电压UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。F007为±12V~±13V，略低于±UCC。2.开环电压放大倍数Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。一般约为80-140dB，即104-107倍。)(lg20)dB(i2i1ouoUUUA运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。只介绍主要参数，意义和数量级。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度越高。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUITUIO是为了使输出电压为0，在输入端加的补偿电压。一般UIO的值为1μV~20mV，越小越好。0OOIIUUU时，输入信号为零时，两个输入端静态基极电流IB1、IB2之差。表征差分级输入电流对称的程度。4.输入失调电流IIO一般IIO的值为1nA~0.1μA，越小越好。B2B1OIIII3.输入失调电压UIO表征内部电路对称性的指标输入失调电压UIO(inputoffsetvoltage)VIO是表征运放内部电路对称性的指标。输入失调电流IIO(inputoffsetcurrent)：第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1.2主要参数6.共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。5.输入偏置电流IIB输入信号为零时，两个输入端静态基极电流IB1、IB2的平均值；其值越小越好。输入偏置电流IB(inputbiascurrent)输入偏置电流IB用于衡量差分放大对管输入电流的大小。共模输入电压范围UICM(maximumcommonmodeinputvoltage)第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT7、共模抑制比(KCMRR)例:Ad=-200，Ac=0.1KCMR=20lg(-200)/0.1=66dBCMRR—CommonModeRejectionRatioKCMRR=cdAAKCMR(dB)=(分贝)cdAAlog20其值越大，表明差放对差模信号的分辨能力越强，对共模信号的抑制作用越好。分贝表示一种单位，最早是一种测量声音相对响度的单位。后来广泛用于通讯和信号处理领域。在我们日常生活和工作中离不开自然计数法，但在一些自然科学和工程计算中，对物理量的描述往往采用对数计数法。从本质上讲，在这些场合用对数形式描述物理量是因为它们符合人的心理感受特性。这是因为，在一定的刺激范围内，当物理刺激量呈指数变化时，人们的心理感受是呈线性变化的，这就是心理学上的韦伯定律和费希钠定律。它揭示了人的感官对宽广范围刺激的适应性和对微弱刺激的精细分辨，好像人的感受器官是一个对数转换装置一样。1、采用对数描述物理量，用较小的数描述了较大的动态范围，特别有利于作图的情况。它也把某些非线性变化的量转换成线性量。2、把某些乘除运算变成了加减运算，如计算多级电路的增益，只需求各级增益的代数和，而不必将各级的放大/衰减倍数相乘。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1.3理想运算放大器及其分析依据在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：1．开环电压放大倍数Auo2．开环输入电阻rid3．开环输出电阻ro04．共模抑制比KCMR由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。1.理想运算放大器第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1.3理想运算放大器及其分析依据实际运放电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的曲线称为传输特性。uOuuOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区若Auo=106Uo(sat)=15V则UIM=0.015mV运放要工作在线性区必须有负反馈。uO=Auo(u+u)2.电压传输特性uo=f(ui)uOu++–+u–Auo1)UOI、IOI及其温漂均为零，且无任何内部噪声。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT理想运放电压传输特性11.1.3理想运算放大器及其分析依据uOuuOUo(sat)–Uo(sat)Uim–Uim线性区正饱和区负饱和区因为理想运放Auo开环电压放大倍数所以，当u+u时，uO=+Uo(sat)u+uuO=Uo(sat)uou++–+u–uO=Auo(u+u)u+=uuO发生跃变根据输入输出电压的关系——传输特性曲线：uo＝f（u+－u—）（如果输入时t，输出是uo,就是波形图）Auo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。一般线性区很窄，做实验几乎测不到线性区。要想扩大线性区，想办法降低放大倍数—负反馈。引入负反馈，可减少净输入电压u+-u-,使uo±Uopp,运放才可以工作在线性区。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1.3理想运算放大器及其分析依据运放工作在线性区的依据相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短路”或“虚短”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”或“虚断”。2．id01．u+u–运放开环输入电阻ridid由于运放Auo而uO是有限值，故从式uO=Auo(u+u)，可知uOu++–+u–ridOO()0uuuuA1)线性工作区特点虚短（即u+u–）、0/uoOAuuu，相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短路”（只能线性应用时，引入负反馈时）。虚断（即id0，运放开环输入电阻rid相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断路”）（适用于任何状态）。第11章运算放大器CollegeofAutomaticControlEngineering,CUIT11.1.3理想运算放大器及其分析依据uO+–+u–u+运放工作在非线性区的依据2．id01．u+u–由于运放工作在非线性区uOAuo(u+u)rididuOuuOUo(sat)–Uo(sat)不再成立非线性区非线性区所以当u+u–时，uO=+