第五章集成运算放大器课件.ppt

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1、第五章 集成运算放大器,5.1 集成运算放大器简介 5.2 理想集成运放及其分析特点 5.3 集成运算放大器的线性应用5.4 有源滤波电路 5.5 电压比较器,第五章 集成运算放大器 5.1 集成运算放大器简介,集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。为了抑制零点漂移,所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。为了提高放大倍数,中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路，为提高此电路的带负载能力,多采用互补对称输出级电路。,5.1 集成运算放大器简介,集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输,图5-1 集成运放框图,集成运放的内部电路

2、一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。,5.1.1 集成运算放大器的电路构成及特点,图5-1 集成运放框图 集成运放的内部电路一般,图 5 2 F007的电路原理图,图 5 2 F007的电路原理图,1 偏置电路,图 5-3F007的偏置电路,1 偏置电路 图 5-3F007的偏置电路,2 输入级,图 5 4 的输入级,F007,2 输入级 图 5 4,V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1、IC2,从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下:,(因为IC10是恒定电流),V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组,3 中间级

3、,图 5 5F0 0 7的中间级,3 中间级 图 5 5F0 0 7的中间级,4 输出级和过载保护,图 5-6F0 0 7的输出级,4 输出级和过载保护 图 5-6F0 0 7的输出级,5.1.2 集成运放的性能指标,1.开环差模电压放大倍数Aod,Aod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数,即,对于集成运放而言,希望Aod大,且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(107倍),理想集成运放认为Aod为无穷大。,5.1.2 集成运放的性能指标 1.开环差模电压放大倍数,2.最大输出电压U op-p,图 5 7 集成运放的传输特性,2.最大输出电压U op-p 图

4、5 7 集成运放的传,3.差模输入电阻rid rid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧,故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。F007的rid=2 M。认为理想集成运放的rid为无穷大。,3.差模输入电阻rid,4.输出电阻ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。有时只用最大输出电流Io max表示它的极限负载能力。认为理想集成运放的ro为零。5.共模抑制比CMRR 共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力,其定义同差动放大电路。CMRR愈大愈好,理想集成运放的CMRR为无穷大。,4.

5、输出电阻ro,6.最大差模输入电压Uid max 从集成运放输入端看进去,一般都有两个或两个以上的发射结相串联,若输入端的差模电压过高,会使发射结击穿。NPN管e结击穿电压仅有几伏,PNP横向管的e结击穿电压则可达数十伏,如F007的U id max为30V。,6.最大差模输入电压Uid max,7.最大共模输入电压U ic max 输入端共模信号超过一定数值后,集成运放工作不正常,失去差模放大能力。F007的Uic max值为13V。8.输入失调电压UIO 该电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压(去掉外接调零电位器),它的大小反映了电路的不对称程度和调零的难易。对集成运放我们要求

6、输入信号为零时,输出也为零,但实际中往往输出不为零,将此电压折合到集成运放的输入端的电压,常称为输入失调电压UIO。其值在110mV范围,要求愈小愈好。,7.最大共模输入电压U ic max,9.输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO 输入偏置电流是指输入差放管的基极(栅极)偏置电流,用 表示;而将IB1、IB2之差的绝对值称为输入失调电流IIO,即 IIB和IIO愈小,它们的影响也愈小。IIB的数值通常为十分之几微安,则IIO更小。F007的IIB=200nA,IIO为50100nA。,9.输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO,10.输入失调电压温漂 和输入失调电流温漂 它们可以用来衡量集

7、成运放的温漂特性。通过调零的办法可以补偿UIO、IIB、IIO的影响,使直流输出电压调至零伏,但却很难补偿其温度漂移。低温漂型集成运放 可做到0.9V/以下,可做到0.009A/以下。F007的,10.输入失调电压温漂,11.-3dB带宽fh 随着输入信号频率上升,放大电路的电压放大倍数将下降,当Aod下降到中频时的0.707倍时为截止频率,用分贝表示正好下降了3dB,故对应此时的频率fh称为上限截止频率,又常称为-3dB带宽。当输入信号频率继续增大时,Aod继续下降；当Aod=1时,与此对应的频率fc称为单位增益带宽。F007的fc=1MHz。,11.-3dB带宽fh,12.转换速率SR 频

8、带宽度是在小信号的条件下测量的。在实际应用中,有时需要集成运放工作在大信号情况(输出电压峰值接近集成运放的最大输出电压U op-p),此时用转换速率表示其特性,12.转换速率SR直流指标:小信号指标,5.2 理想集成运放及其分析特点,5.2.1 集成运放的理想化,理想集成运放是将实际运放理想化，原因是由于实际运放的一些主要技术参数接近理想化的缘故。,运放理想化的目的：使分析过程简化，而这种近似分析引入的误差又在工程允许的范围内。,5.2 理想集成运放及其分析特点5.2.1 集成运放的理想化,运放理想化条件：,(1)开环电压放大倍数Aod=;(2)输入电阻rid=;ric=；(3)输入偏置电流I

9、B1=IB2=0;(4)失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂 均为零。(5)共模抑制比CMRR=;(6)输出电阻rod=0;(7)-3dB带宽fh=;(8)无干扰、噪声。,运放理想化条件：(1)开环电压放大倍数Aod=;,1 集成运放的线性工作区,放大器的线性工作区是指输出电压Uo与输入电压Ui成正比时的输入电压Ui的取值范围。记作Ui minUi max。,Uo与Ui成正比,可表示为,5.2.2 集成运放的传输特性,1 集成运放的线性工作区 放大器的线性工作区是,代表运放同相输入端的电位；U代表运放反相输入端的电位；其中,与都是运放的差模输入电压,只是两者的规定正方向相反。当集成运放

10、工作在线性区时,作为一个线性放大器件,它的输出信号和输入信号之间满足如下关系:,代表运放同相输入端的电位；,例如F007开环时Aod=105,UOL=-10V,UOH=+10V,则其线性区为-0.1mV+0.1mV。如果外加负反馈,使闭环增益Auf=100,则,例如F007开环时Aod=105,UOL=,对于理想运放,由于Aod=,Uo是有限值,所以当其工作在线性状态时,由公式(7-1)可得,故,对于理想运放,由于Aod=,Uo是有限,2 集成运放的非线性工作区,运放的非线性工作区是指其Uo与 不成比例时,的取值范围。在非线性工作区,2 集成运放的非线性工作区 运放的非线性工作区,图 5 8

11、理想运放开环传输特性,图 5 8 理想运放开环传输特性,由于理想运放的rid=ric=,而输入电压总是有理值,所以不论输入电压是差模信号还是共模信号,流过两输入端的电流及均为无穷小量,即,由于理想运放的rid=ric=,而输入电压,5.3 集成运算放大器的线性应用,5.3.1 比例运算电路,1.反相比例运算电路,图 5 9 反相比例运算电路,5.3 集成运算放大器的线性应用5.3.1 比例运算电路,因为,所以,又因为,所以,因为,，所以,因为,所以又因为,该式表明,Uo与Ui是比例关系,其比例系数是Rf/R1,负号表示Uo与Ui相位相反。作为一个放大器,其闭环增益、输入电阻、输出电阻分别为,所

12、以,该式表明,Uo与Ui是比例关系,其比例系数是Rf/R1,2.同相比例运算电路,图 5 10 同相比例运算电路,2.同相比例运算电路 图 5 10 同相比例运算电路,因为，所以,因为，所以,电压增益,输入电阻,输出电阻,因为，所以因为,若图 5-10 中的R1=或Rf=0,则Uo=Ui,此时,该电路构成电压跟随器,分别如图 5-11(a)、(b)所示。图 5-11(a)中,Rf具有限流保护作用,R=Rf,以满足平衡条件,图 5 11 电压跟随器,若图 5-10 中的R1=或Rf=0,3.差动比例运算电路,图 5 12 差动比例运算电路,3.差动比例运算电路 图 5 12 差动比例运算电路,因

13、为,所以,所以,因为 所以 所以,若满足平衡条件 R1Rf=R2Rp，则,若满足对称条件 R1=R2,Rf=Rp，则,或,若满足平衡条件 R1Rf=R2Rp，则 若满足对称条件,当满足对称条件时,其差模电压增益Aud为,差模输入电阻为,输出电阻,当满足对称条件时,其差模电压增益Aud为 差模输入电阻为,5.3.2 加法运算电路1.反相加法运算电路,图 5 13 反相求和电路,5.3.2 加法运算电路图 5 13 反相求和电路,因为Rf引入负反馈,所以运放工作在线性区,故,因为Rf引入负反馈,所以运放工作在线性区,反相求和电路可以模拟如下方程:,例如,要求用集成运算放大器实现,如果Rf=100k

14、,电路如图5-13所示,则只要选取,反相求和电路可以模拟如下方程:例如,要求用集成运算放大器,则,图 5-13 所示电路对 呈现的输入电阻分别为,输出电阻为,则图 5-13 所示电路对,2.同相求和电路,图 5 14 同相求和电路,2.同相求和电路 图 5 14 同相求和电路,因为，所以,因为 所以,即,因为,因为,式中 R=RaRbRc，所以,若满足平衡条件R=RaRbRc=R=R1Rf，则,因为 式中 R=RaRbRc，所以若满足平衡条件R=,该电路对 所呈现的输入电阻分别为,输出电阻为,该电路对,3.代数求和电路,图 5 15 代数求和电路,3.代数求和电路 图 5 15 代数求和电路,

15、令,在 作用下,则,令,在 作用下,则,式中,R=R3R4,R=R1R2Rf,令,故,若满足平衡条件 R=R，则,故 若满足平衡条件 R=R，则,图 5 16 代数求和电路的常用形式,图 5 16 代数求和电路的常用形式,由于理想运放的输出电阻为零,所以其输出电压Uo不受负载的影响。当多级理想运放相连时,后级对前级的输出电压Uo不产生影响。,由于理想运放的输出电阻为零,所以其输出电压U,5.3.3 积分电路和微分电路,1.积分电路,图 5 17 反相积分电路基本形式,5.3.3 积分电路和微分电路 1.积分电路 图 5,由电路得,因为“-”端是虚地,即,并且,式中uC(0)是积分前时刻电容C上

16、的电压,称为电容端电压的初始值。所以,由电路得 因为“-”端是虚地,即,把 代入上式得,当uC(0)=0 时,若输入电压是图 5-18(a)所示的阶跃电压,并假定uC(0)=0,则t0时,由于uI=E,所以,把 代入上式得当,图5 18 基本积分电路的积分波形,图5 18 基本积分电路的积分波形,当时间在t1 t2期间时,uI=+E,电容充电,其初始值,当时间在0t1期间时,uI=-E,电容放电,当t=t1时，uO=+Uom。,所以,当时间在t1 t2期间时,uI=+E,电容充电,当t=t2时,uO=-Uom。如此周而复始,即可得到三角波输出。,图5 19 实际积分运算电路,当t=t2时,uO

17、=-Uom。如此周而复始,即可得到,2.微分电路,图5 20 微分电路,因为,并且“-”端是虚地,所以,2.微分电路 图5 20 微分电路 因为,5.3.4 对数和指数运算电路,1.对数运算电路,当 时，所以,将反相比例电路中的Rf用二极管或三极管代替,即可组成对数运算电路,如图5-21所示。,5.3.4 对数和指数运算电路 1.对数运算电路 当,图5 21 基本对数运算电路,图5 21 基本对数运算电路,当二极管正向导通时,由于“-”端是虚地，所以,当二极管正向导通时 由于“-”端是虚地，所以,图5 22 用三极管的对数运算电路,图5 22 用三极管的对数运算电路,2.指数运算电路,图 5

18、23 基本指数运算电路,2.指数运算电路 图 5 23 基本指数运算电路,由于“-”端是虚地,所以二极管的端电压uD为,当uIUT时,又因为，所以iF=iD，故,由于“-”端是虚地,所以二极管的端电压uD为当uIU,5.3.5 乘法运算电路,图 5 24 简单乘法器框图,5.3.5 乘法运算电路 图 5 24 简单乘法器,图 5 25 集成乘法器电路符号,图 5 25 集成乘法器电路符号,图 5 26 除法电路,图 5 26 除法电路,因为运放的“-”端是虚地,并且,所以,因为，由以上两式得,正确地选取R1与R2的值,使R2/R1=k,则,因为运放的“-”端是虚地,并且,图 5 27 开平方电

19、路(uI0),图 5 27 开平方电路(uI0),因为运放的“-”端是虚地,并且,所以,而 故,正确地选取R1与R2的值,使R2/R1=k,则,因为运放的“-”端是虚地,并且,【例1】图 5-28 是一个由理想运放构成的高输入阻抗放大器,求其输入电阻ri。,图 5 28 高输入阻抗放大器,【例1】图 5-28 是一个由理想运放构,解 两个运放都外加有负反馈,所以都工作在线性区。,当 时,。一般为防止自激,以保证ri为正值,R要略大于R1。,解 两个运放都外加有负反馈,所以都工作在线性区。当,5.4 有源滤波电路,图5 29 无源滤波器及其幅频特性,5.4 有源滤波电路 图5 29 无源滤波器及

20、其幅频,图5-29(a)中：,图5-29(b)中：,它们的截止角频率均为,图5-29(a)中：图5-29(b)中：它们的截,无源滤波电路主要存在如下问题:(1)电路的增益小,最大仅为1。(2)带负载能力差。如在无源滤波电路的输出端接一负载电阻RL,如图5-29(a)、(b)虚线所示,则其截止频率和增益均随RL而变化。以低通滤波电路为例,接入RL后,传递函数将成为,无源滤波电路主要存在如下问题:,式中,可见增益,而截止频率。为了克服上述缺点,可将RC无源网络接至集成运放的输入端,组成有源滤波电路。,式中 可见增益,5.4.1 低通滤波电路,图5 30 低通滤波电路,5.4.1 低通滤波电路 图5

21、 30 低通滤波电路,输出电压为,而,所以传递函数为,输出电压为 而 所以传递函数为,低通滤波器的通带电压放大倍数是当工作频率趋近于零时,其输出电压Uo与其输入电压Ui的比值,记作Aup；截止角频率是随着工作频率的提高,电压放大倍数(传递函数的模)下降到 时,对应的角频率,记作o。对于图 5-30(a)：,低通滤波器的通带电压放大倍数是当工作频率趋近于,图5 31 低通滤波电路的幅频特性,图5 31 低通滤波电路的幅频特性,图5 32 二阶低通滤波电路,图5 32 二阶低通滤波电路,5.4.2 高通滤波电路,图5 33 高通滤波电路,5.4.2 高通滤波电路 图5 33 高通滤波电路,以图5-

22、33(a)为例进行讲解。,所以,以图5-33(a)为例进行讲解。所以,则,式中Aup为通带电压放大倍数,通带截止角频率,则 式中Aup为通带电压放大倍数 通带截止角频率,图5 34 高通滤波器的幅频特性,其幅频特性如图5-34所示。,图5 34 高通滤波器的幅频特性 其幅频特性如图5-,同样的方法可以得到图5-33(b)的特性,式中,同样的方法可以得到图5-33(b)的特性 式中,图5 35 二阶高通滤波电路,图5 35 二阶高通滤波电路,5.4.3 带通滤波电路和带阻滤波电路,将截止频率为h的低通滤波电路和截止频率为l的高通滤波电路进行不同的组合,就可获得带通滤波电路和带阻滤波电路。如图5-

23、36(a)所示,将一个低通滤波电路和一个高通滤波电路“串接”组成带通滤波电路,h的信号被低通滤波电路滤掉,l的信号被高通滤波电路滤掉,只有当lh时信号才能通过,显然,hl才能组成带通电路。图5-36(b)为一个低通滤波电路和一个高通滤波电路“并联”组成的带阻滤波电路,h信号从低通滤波电路中通过,l的信号从高通滤波电路通过,只有hl的信号无法通过,同样,hl才能组成带阻电路。,5.4.3 带通滤波电路和带阻滤波电路 将,图5 36 带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图,图5 36 带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图,图5 37 带通滤波和带阻滤波的典型电路,图5 37 带通滤波和带阻滤波的典型电路

24、,5.5 电 压 比 较 器,当 时,Uo=UOH(正向饱和)当 时,Uo=UOL(负向饱和)当 时,UOLUoUOH(状态不定),5.5 电 压 比 较 器 当,1.比较器的阈值 比较器的输出状态发生跳变的时刻,所对应的输入电压值叫作比较器的阈值电压,简称阈值；或叫门限电压,简称门限。记作UTH。2.比较器的传输特性 比较器的输出电压uO与输入电压uI之间的对应关系叫作比较器的传输特性,它可用曲线表示,也可用方程式表示。3.比较器的组态 若输入电压uI从运放的“-”端输入,则称为反相比较器；若输入电压uI从运放的“+”端输入,则称为同相比较器。,1.比较器的阈值,5.5.1 简单电压比较器,

25、图 5 38 简单电压比较器,5.5.1 简单电压比较器 图 5 38 简单电压,图 5 39 简单电压比较器的传输特性,图 5 39 简单电压比较器的传输特性,【例2】在图 5-38(a)所示的电路中,输入电压uI为正弦波,画出UR0,UR0,UR=0 时的输出电压波形。解 由图 5-38(a)求得：UTH=UR所以,当UR0时,UTH0；UR0时,UTH0；UR=0时,UTH=0。三种情况下的输出电压波形如图 5-40 所示。,【例2】在图 5-38(a)所示的电路中,图 5 40 例 2 输出波形,图 5 40 例 2 输出波形,图 5 41 具有输入保护和输出限幅的比较器,图 5 41

26、 具有输入保护和输出限幅的比较器,5.5.2 滞回比较器,图5 42 噪声干扰对简单比较器的影响,5.5.2 滞回比较器 图5 42 噪声干扰对简单比,图5 43 滞回比较器,从图5-43(a)可得,图5 43 滞回比较器从图5-43(a)可得,当 时所对应的uI值就是阈值,即,当uO=UOL时得上阈值:,当uO=UOH时得下阈值：,当 时所对应的uI值就是阈,图5 44 滞回比较器的传输特性,图5 44 滞回比较器的传输特性,同样的方法可求得反相滞回比较器的阈值电压和传输特性:,同样的方法可求得反相滞回比较器的阈值电压和传输特性:,【例3】指出图5-45中各电路属于何种类型的比较器,并画出相

27、应的传输特性。设集成运放UOH=12V,UOL=-12V,各稳压管的稳压值Uz=6V,VDz和VD 的正向导通压降UD=0.7V。,图5 45 例3图,【例3】指出图5-45中各电路属于何种类,解 图 5-45(a)是一个同相简单电压比较器。因为,所以可利用叠加原理求得,而，故,该比较器的输出高电平 及输出低电平 分别为,解 图 5-45(a)是一个同相简单电压比较器。而,图 5 46 例 3 的传输特性,图 5 46 例 3 的传输特性,根据阈值的定义,要求解UTH,应当在 的时刻进行。这里 是指二者真正相等,而不是指“+”端与“-”端之间虚短路。当 时,uO=0。而,所以,VDz的端电压的

28、绝对值uDz为,根据阈值的定义,要求解UTH,应当在,可见,在 时,稳压管VDz必定截止,可视之为开路因此,应当在VDz开路的情况下,求解图 5-39(b)的UTH。此时,故,所以该电路是过零比较器。,可见,在 时,稳压管VD,当uI0时,稳压器VDz不是反向击穿,就是正向导通。在这两种情况下,VDz的等效电阻都不大,因而可以对运放产生很强的负反馈。所以该比较器中的运放是工作在线性区,其“-”端是虚地。由此可以求得,该比较器输出的高电平 及低电平 分别为,按照求得的UTH、和 即可画出其传输特性,如图 5-46(b)所示。,当uI0时,稳压器VDz不是反向击穿,就是正向导通。在,本例说明,比较

29、器中的运放并非全都工作在非线性区,有些比较器中的运放是工作在线性区。图 5-45(c)是反相滞回比较器。当uI较低,以致使 时,输出电压uO=UOH=12V,而UR=9V,由电路可以看出,此时二极管VD必定截止,可视之为开路。在此情况下,运放相当于开环工作,由此求得上阈值为,本例说明,比较器中的运放并非全都工作在非线,当uI较高,以致使 时,输出电压uO=UOL=-12V,而UR=9V,此时二极管必定导通,可视之为短路,由此求得下阈值为,该比较器的输出电压等于其运放的输出电压。按照求得的 和UOL,再根据滞回比较器的工作原理,即可画出其传输特性,如图 5-46(c)所示。,当uI较高,以致使,

30、【例4】滞回比较器如图 5-43(a)所示,其上、下阈值及输入波形如图 5-47(a)所示,其中虚线三角波是未受干扰时的输入波形,实线是受干扰后的输入波形,请画出受干扰后的输出电压波形。,解 图 5-43(a)是同相滞回比较器,根据其传输特性可知,当其输出低电平时,只有在输入电压高于上阈值后,输出才能跳变成高电平；反之,当其输出高电平时,只有在输入电压低于下阈值后,输出才能跳变成低电平。,【例4】滞回比较器如图 5-43(a)所示,图 5 47 例4输入、输出波形,图 5 47 例4输入、输出波形,5.5.3 窗口比较器,图5 48 窗口比较器,5.5.3 窗口比较器 图5 48 窗口比较器,

31、当uIUA时,uO1为高电平,VD1导通;uO2为低电平,VD2截止,即uO=uO1=UOH。当uIUB时,uO1为低电平,VD1截止;uO2为高电平,VD2导通,即uO=uO2=UOH。当UBuIUA时,uO1=uO2=UOL,二极管VD1、VD2均截止,uO=0V,其传输特性如图5-48(b)所示。,窗口比较器电路如图5-48(a)所示。其工作原理如下:,当uIUA时,uO1为高电平,VD1导通,集成电压比较器内部电路的结构和工作原理与集成运算放大器十分相似,但由于用途不同,集成电压比较器有其固有的特点:(1)集成电压比较器,可直接驱动TTL等数字集成电路器件。(2)一般集成电压比较器的响应速度比同等价格集成运放构成的比较器的响应速度要快。(3)为提高速度,集成电压比较器内部电路的输入级工作电流较大。,集成电压比较器内部电路的结构和工作原理与集成运,