模拟电子技术 16集成运算放大器16

下一页总目录章目录返回上一页第16章集成运算放大器16.1集成运算放大器的简单介绍16.2运算放大器在信号运算方面的应用16.4运算放大器在波形产生方面的应用16.8使用运算放大器应注意的几个问题16.6集成功率放大器16.5运算放大器在信号测量方面的应用16.3运算放大器在信号处理方面的应用16.7运算放大电路中的负反馈下一页总目录章目录返回上一页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，了解有源滤波器的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第16章集成运算放大器下一页总目录章目录返回上一页16.1集成运算放大器的简单介绍16.1.1集成运算放大器的特点集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路分类模拟集成电路数字集成电路集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成A/DD/A等。在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采（1）级间采用直接耦合方式下一页总目录章目录返回上一页16.1.1集成运算放大器的特点用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。（2）电路结构和参数具有对称性集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为100~30K，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好（3）用有源器件代替无源器件下一页总目录章目录返回上一页16.1.2电路的简单说明中间级输入级输出级偏置电路一、电路的基本组成及作用输入级：要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。都采用差分放大电路。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。下一页总目录章目录返回上一页偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。+UCCRUBE1VT1VT2UBE2+-+-IC2IC2IREF2IBIB2IB1一、镜像电流源RUVIBE1CCREFC2C1B2B1II,II由电路对称βI2I2IIIIC2REFBREFC1C2β21IIIC2REFC2当满足2时，REFC2IIIC2作为提供给某个放大器的偏置电流。下一页总目录章目录返回上一页二、比例电流源2E2BE21E1BE1RIURIUREF21C2IRRI缺点：IC受电源电压波动的影响。不适用提供微安级的电流。+UCCRVT1VT2IC2IC1IREF2IBIB2IB1R1R2+UCCRVT1VT2IC2IC1IREFR2三、微电流源2E2BE2BE1RIUU2BEBE2BE1E2RΔUUUI2R下一页总目录章目录返回上一页中间级：提供足够的电压放大倍数，本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。+UCCRVT1VT2IC2IREFuiu0+UCCVT2uiu0-UEE下一页总目录章目录返回上一页输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。+UCC–UEEuou–u+输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端下一页总目录章目录返回上一页16.1.3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。2.开环差模电压增益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。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。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB下一页总目录章目录返回上一页16.1.4理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo，rid，ro0，KCMR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–饱和区OAuo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:几十~几百KCMR高:70dB~130dB下一页总目录章目录返回上一页集成运算放大器的等效电路模型（1）线性工作区Auou-u+uou-u+uoAuo(u+-u-)线性工作受控源,集成运算放大器的等效电路模型(2)饱和工作区（非线性）u-u+uoUOM正饱和u-u+uo-UOM负饱和饱和工作恒压源下一页总目录章目录返回上一页3.理想运放工作在线性区的特点因为uo=Auo(u+–u–)所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短”(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断”电压传输特性Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O下一页总目录章目录返回上一页4.理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区下一页总目录章目录返回上一页1.线性应用电路结构上存在从输出端到反向输入端的负反馈支路输入信号幅度足够小，以保证集成运算放大器的输出处于最大输出电压的范围内。集成运算放大器的应用2.非线性应用电路结构上，集成运算放大器处于开环（无反馈）或存在从输出端到同相输入端的正反馈支路，输出总是处于饱和状态，即输出在正、负最大值之间变化。集成运算放大器电路分析的方法首先判断应用类型，然后利用理想运算放大器的特征对电路进行分析。下一页总目录章目录返回上一页16.2运算放大器在信号运算方面的运用集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。下一页总目录章目录返回上一页16.2.1比例运算1.反相比例运算1i1RuuiFofRuui（1）电路组成以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。（2）电压放大倍数因虚短,所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0，ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF动画下一页总目录章目录返回上一页16.2.1比例运算1.反相比例运算电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–－－反馈电路直接从输出端引出—电压反馈输入信号和反馈信号加在同一输入端—并联反馈反馈信号使净输入信号减小—负反馈电压并联负反馈输入电阻低，共模电压0下一页总目录章目录返回上一页2.同相比例运算输入电阻高共模电压=ui电压放大倍数电压串联负反馈输入信号和反馈信号分别加两个输入端—串联反馈反馈电路直接从输出端引出—电压反馈因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地”1Fiof1RRuuAui1Fo)1(uRRu反馈信号使净输入信号减小—负反馈uoRFuiR2R1++––++–动画下一页总目录章目录返回上一页⑤电压并联负反馈，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。结论：①Auf为负值，即uo与ui极性相反。因为ui加在反相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。下一页总目录章目录返回上一页例：电路如下图所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不变，要求Auf为–10，则RF、R2应为多少？解：1.Auf=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因Auf=–RF/R1=–RF10=–10故得RF=–AufR1=–(–10)10=100kR2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–下一页总目录章目录返回上一页2.同相比例运算oF11uRRRu因虚断，所以u+=uii1Fo)1(uRRu（1）电路组成（2）电压放大倍数1Fiof1RRuuAuuoRFuiR2R1++––++–因虚短，所以u–=ui，反相输入端不“虚地”因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFu+u–下一页总目录章目录返回上一页⑤电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：①Auf为正值，即uo与ui极性相同。因为ui加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。下一页总目录章目录返回上一页当R1=且RF=0时，uo=ui，Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：下一页总目录章目录返回上一页负载电流的大小与负载无关。11LRuii例2：负载浮地的电压-电流的转换电路1.能测量较小的电压；2.输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流1xGRUIIGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi11iRu下一页总目录章目录返回上一页16.2.2加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0Fo2i2i1i1iRuRuRu故得)(2i2iF1i1iFouRRuRRu平衡电阻：R2=Ri1//Ri2//RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0所以ii1+ii2=if动画下一页总目录章目录返回上一页2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时，1i2i1i2iuRRRu同理，ui2单独作用时1Fo)1(uRRu?u2i2i1i1i1Fo)1(uRRRRRu1i2i1i2i1F)1(uRRRRR))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–动画下一页总目录章目录返回上一页方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRuuRRu)1(1Fo平衡电阻：Ri1//Ri2=R1//RFu+))(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRuu+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–下一页总目录章目录返回上一页1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无