集成运算放大器

第九章集成运算放大器第一节集成运算放大器第二节放大电路中的负反馈第三节基本运算电路第四节集成运放用于信号处理第五节直流稳压电源本章要求：1.理解集成运算放大器的结构和特点；2.理解放大电路中的负反馈以及负反馈对放大电路性能的影响；3.了解基本运算电路的结构和特点；4.了解集成运算放大器在信号处理中的运用；5.理解稳压电源的结构，了解三端稳压电路的应用。在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路是工业的“食粮”和“原油”。集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。常见集成电路的封装形式圆壳式双列直插式扁平式单列直插式直插式单列扁平式第一节集成运算放大器差分输入级中间放大级输出级ui+_u0集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：运放的输入级。利用差分电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。一、集成运算放大器简介简单的集成运放电路结构+UCC–UEEu–u+同相输入端反相输入端uo输出端输入级中间级输出级运放的输入级。利用差分电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。图示为常用μA741集成运放芯片产品实物图μA741集成运放的8个管脚排列图如下：μA74112438765调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚标识为“-”和“+”符号的是反相输入端和同相输入端，它们对地电压分别用u-和u+表示，输出是uo。运算放大器的开环电压放大倍数用Auo表示，箭头代表信号从输入向输出流动。+UCCuo++►Auou+u––UEE–运放的图形符号线性区就是曲线中的斜线部分，斜率是集成运算放大电路的开环差模电压放大倍数Aod，即；饱和区是曲线中的水平直线部分，当集成运算放大电路工作在非线性区时，输出电压只能是正饱和值+Uo(sat)和负饱和值-Uo(sat)，其值接近正负电源电压。uou+–u–+Uo(sat)–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O集成运算放大电路的电压传输特性曲线二、理想集成运算放大器uo++►∞u+u–+UCC–UEE–理想运算放大器符号理想运算放大器是将集成运放进行理想化，理想化的基本条件是:(1)开环差模电压放大倍数Aod=∞;(2)差模输入电阻rid=∞;(3)输出电阻ro=0;(4)共模抑制比Kcm为∞。理想集成运算放大电路的电压传输特性曲线odAu+–u–uo+Uo(sat)–Uo(sat)O线性区饱和区反相输入端μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA741集成运放外部接线图同相输入端－12V＋12V输出端子调零电位器管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连调零电位器的可调端与管脚4相连∞＋－6513724＋集成运放工作在线性区的特点由)(Au00UUU可知，理想运放工作在线性区时，输出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。因Au0=∞，所以可导出0Au00UUU运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明，UU即理想运放的两个输入端电位相等。两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。又由于理想运放的差模输入电阻ri=∞，所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。“虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象理想运放工作在饱和区的特点:(1)开环电压放大倍数Au0其数值很高，一般约为104~107。该值反映了输出电压U0与输入电压U＋和U－之间的关系。(2)差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(3)闭环输出电阻r0由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。(4)最大共模输入电压Uicmax2.集成运放的主要技术指标集成运放由哪几部分组成？各部分的主要作用是什么？工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？试说明其概念？你能说明理想运放的特点是什么吗？第二节放大电路中的负反馈一、负反馈电路的一般概念将放大电路输出信号的一部分或全部通过某种电路引回到输入端，这个反向传送过程称之为反馈。反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能使净输入信号增强的反馈称为正反馈；使净输入信号削弱的反馈称为负反馈。放大电路中普遍采用的形式是负反馈。基本放大电路A取样Xid比较X0Xi反馈电路FXF含反馈的基本放大电路的输入信号(净输入信号)放大电路输出信号反馈信号放大电路输入信号负反馈放大电路的方框图根据反馈网络与基本放大电路在输出、输入端连接方式的不同，负反馈放大电路的反馈形式可分为四种类型：1、电压串联负反馈；2、电压并联负反馈；3、电流串联负反馈；4、电流并联负反馈。负反馈的基本类型及其判别判断反馈类型的方法：凡反馈信号取自输出电压信号的称电压反馈；凡反馈信号取自输出电流信号的称电流反馈。凡反馈信号在输入端与输入信号相串联的称为串联反馈，凡反馈信号在输入端与输入信号相并联的称为并联反馈。ui电压反馈电压串联负反馈u0RLFA串联反馈ui电压反馈电压并联负反馈u0RLFA并联反馈ui电流反馈电流串联负反馈i0串联反馈RLFAui电流反馈电流并联负反馈并联反馈RLFAi0二、负反馈放大电路增益的一般表达式doXXAo开环放大倍数反馈系数ofXXF负反馈放大电路的三个环节基本放大电路开环电压放大倍数反馈电路反馈系数比较环节净输入＜反馈信号起了削弱输入信号的作用，所以称之为负反馈。doXXAoofXXFfidXXXdXiX净输入信号fidXXX闭环放大倍数FAAXXAoo1iof三、负反馈的对放大电路性能的影响1．提高放大倍数的稳定性2．减小了放大电路的非线性失真闭环放大倍数的变化相对闭环放大倍数的影响就会减少到开环时倍，从而提高了放大电路增益的稳定性ff/AdA|1|1FAo使输出波形正负半周中原来较大的被削弱，较小的被增大，从而使输出信号波形不对称程度得到改善，从而减小了非线性失真。引入负反馈后，电压放大倍数降低，称为反馈深度。FAo13．展宽通频带4．负反馈对输入电阻和输出电阻的影响引入负反馈后的频带宽度为BWFABW)(fo1负反馈对输入电阻的影响取决于反馈电路与放大电路在输入端的连接方式，串联反馈使输入电阻增加，并联反馈使输入电阻减小。负反馈对输出电阻的影响取决于反馈信号取样的是电压信号还是电流信号：若对输出电压取样，则使输出电阻减小，使输出电压更加稳定；若对输出电流取样，则使输出电阻增大，使输出电流更加稳定。放大电路输入信号本身就是一个已产生了失真的信号，引入负反馈后能否使失真消除？上述问题希望课后认真归纳总结什么叫反馈？正反馈和负反馈对电路的影响有何不同？？放大电路引入负反馈后，对电路的工作性能带来什么改善？第三节基本运算电路一、反相放大器111RRRiRiuuAfffiou-++R1iuouRfNuPu1iif因为u+=u-，i+=i-≈0所以：一个运算放大器连接上外部元件，就得到一个运算放大电路。就可对各种模拟信号进行比例、加法、减法、积分、对数等运算。输出与输入的比例值负号说明输入输出反相二、同相放大器111111)(RRRiRRiuuAffiouiuoufRNuPu1ifi-++R3R1因为u+=u-，i+=i-≈0所以11RiuuuNpi而)(11foRRiu输出与输入的比例值三、电压跟随器有uo=ui，Au=1uoui++––++–从同相放大器的电压增益公式111111)(RRRiRRiuuAffiou可知，当或1R0fR四、加法电路1.反相加法运算电路)(2211iifiifouRRuRRui2i1ifui2uoRfui1Ri2Ri1++–R2+–fiii21foiiiiRuRuRu2211若fiiRRR21)(21iiouuu实现了反向求和运算2．同相加法运算电路))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1ouRRRuRRRRRufuoRi2ui2Rfui1Ri1++–R1+–利用叠加定理单独作用时1212iiiiuRRRu121211)1()1(iiiiffouRRRRRuRRu1iuui2单独作用时，同理有22111)1(iiiifouRRRRRu最后得五、减法电路)(121iifouuRRu-++R1R2RfR31iu2iuIu1iPNou从电路图上看出，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。foNNiRuuRuu11322RuRuuPPi由于，代入上述方程有NPuu1123231))(1(ififouRRuRRRRRu如果满足则得231RRRRf实现了减法运算。六、积分电路dtuCRuio11-++R1Couiu1iNuPuic由虚断概念有11RuiiiC若电容上的初始电压为零，则输出电压为dtRuCdtiCuuiCco111整理得反相比例运放中的偏置电阻用电容代替即为积分电路七、微分电路dtduCRRiuiRo-++RCouIvciRiNuPu将积分电路中的电阻和电容对换一下，即可得到微分电路。根据虚短和虚断的概念有tdudCiiiRc于是得到输出电压为微分电路在数字电路中用来做波形变换。运算放大器还可组成其它一些运算电路，使用很广泛。3、何谓“虚地”？何谓“虚短”？何谓“虚断”？“虚地”端是否可以真的接地？1、你能画出电压比较器的电路图和它的电压传输特性吗？4、工作在线性区的集成运放，为什么要引入负反馈？而且反馈电路为什么要接到反相输入端？2、举例说明理想集成运放两条重要结论在运放电路分析中的作用？第四节集成运放用于信号处理一、滤波器滤波器是一种能让有用频率信号通过同时抑制无用频率信号的电子装置，即对频率进行选择的电路。电压跟随器无源RC滤波网络-++RCuiuO无源滤波器由电阻、电容、电感组成的滤波器。缺点：体积大有源滤波器由运算放大器、电阻、电容组成的滤波器。优点：不需电感，体积小，频率特性好。一阶有源滤波电路（无电压放大功能）具有放大能力的一阶有源滤波电路-++RCR1RfIuOufRfpfUPUAALog20dB3十倍频dB/20200理想的实际的一阶有源滤波电路（有电压放大功能）电路的电压放大倍数RCjRR