经典课件16-集成运算放大器

下一页返回上一页退出章目录1/73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16.5使用运算放大器应注意的几个问题16.3运算放大器在信号处理方面的应用下一页返回上一页退出章目录2/7316.1集成运算放大器的简单介绍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。集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。集成电路分类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下一页返回上一页退出章目录3/73各类型号集成运算放大器16.1.1集成运算放大器的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.电阻的阻值受到限制，大电阻常用晶体管恒流源代替，电位器需外接；3.电感、电容不易集成，常采用外接方式；4.二极管多用晶体管的发射结代替。下一页返回上一页退出章目录4/7316.1.2电路的简单说明运算放大器方框图输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。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。偏置电路:一般由各种恒流源等电路组成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。输入级中间级输出级偏置电路输入级中间级输出级偏置电路下一页返回上一页退出章目录5/73+UCC–UCCuO+–+u–u++–+Auo+UCC–UCC+UCC–UCCuO+–+u–u++–+Auo集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端信号传输方向输出端实际运算放大器开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚8765F0071234UU+UCC+UCC输出8765F0071234UU+UCC+UCC输出下一页返回上一页退出章目录6/7316.1.3主要参数1.最大输出电压UOM能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。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。6.最大共模输入电压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下一页返回上一页退出章目录7/73(1)开环电压放大倍数(2)差模输入电阻(3)开环输出电阻(4)共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。16.1.4理想运算放大器及其分析依据ouAidr0orCMRRK在分析运算放大器时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：下一页返回上一页退出章目录8/73u+–u–uO16.1.4理想运算放大器及其分析依据线性区：uO=Auo(u+–u–)非线性区：u+u–时，uO=+UO(sat)u+u–时，uO=–UO(sat)1.电压传输特性uO=f(uI)+UO(sat)–UO(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想运算放大器图形符号UO(sat)与运算放大器的电源电压有关,一般较电源电压低1~2V。uO++u+u––uO++u+u––下一页返回上一页退出章目录9/732.理想运算放大器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++∞uOu–u+i+i––++∞uOu–u+i+i––u+–u–uO线性区–UO(sat)+UO(sat)Ou+–u–uO线性区–UO(sat)+UO(sat)u+–u–uO线性区–UO(sat)+UO(sat)OAuo越大,运算放大器的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。下一页返回上一页退出章目录10/733.理想运算放大器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u+–u–uO–UO(sat)+UO(sat)O饱和区下一页返回上一页退出章目录11/7316.2运算放大器在信号运算方面的应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。下一页返回上一页退出章目录12/7316.2.1比例运算1.反相比例运算1I1RuuiFFORuui(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–=0iFi1i–i+所以i1iFuORFuIR2R1++––++–uORFuIR2R1++––++–因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF下一页返回上一页退出章目录13/73(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：(1)Auf为负值，即uO与uI极性相反。因为uI加在反相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关,与运算放大器本身参数无关。(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”。下一页返回上一页退出章目录14/73例1: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)10k=100kR2=10100(10+100)k=9.1kuORFuIR2R1++––++–uORFuIR2R1++––++–下一页返回上一页退出章目录15/732.同相比例运算OF11uRRRu因虚断，所以u+=uII1F)1(OuRRu(1)电路组成(2)电压放大倍数1Fif1ORRuuAu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//RFuORFuIR2R1++––++–u+u–uORFuIR2R1++––++–u+u–RFuIR2R1++––++–u+u–u+u–下一页返回上一页退出章目录16/732.同相比例运算I1F)1(OuRRu(1)电路组成(2)法二：1FIf1ORRuuAu因虚短，所以u–=uI因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF110RuiFFORuui因虚断i+=i–=0所以i1iFF1ORuuRuuORFuIR2R1++––++–u+u–uORFuIR2R1++––++–u+u–RFuIR2R1++––++–u+u–u+u–下一页返回上一页退出章目录17/73(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：(1)Auf为正值，即uO与uI极性相同。因为uI加在同相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运算放大器本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。下一页返回上一页退出章目录18/73当R1=且RF=0时,uO=uI,Auf=1,称电压跟随器。解:由图可求得uO=7.5V,且输出电压uO只与电源电压和分压有关，其精度和稳定度较高，可作为基准电压。例：电路如图，求uO。uORFuIR2R1++––++–uORFuIR2R1++––++–由运算放大器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。uO+–++–15kRL15k+15V7.5kuO+–++–15kRL15k+15V7.5k+–++–15kRL15k+15V7.5kuOuI++––++–uOuI++––++–下一页返回上一页退出章目录19/73负载电流的大小与负载无关。11LRuii例2: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1IRuIIGGUUxxRR22RR11++––++++––IIGGUUxxRR22RR11++––++++––iiLLii11RRLLuuIIRR22RR11++––++++––iiLLii11RRLLuuIIRR22RR11++––++++––下一页返回上一页退出章目录20/7316.2.2加法运算1.反相加法运算电路iI2iI1iF因虚短,u–=u+=0F212I111IORuRuRu故得F212I111IORuuRuuRuu因虚断，i–=0所以iI1+iI2=iF)(I212FI111FOuRRuRRuuOuI2RFuI1R12R11++–R2+–uOuI2RFuI1R12R11++–R2+–uI2RFuI1R12R11++–R2+–当R11=R12=R1，则上式为)(I2I11FOuuRRu当R1=RF时，则)(I2I1Ouuu平衡电阻：R2=R11//R12//RF下一页返回上一页退出章目录21/732.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，1I211112uRRRu同理，uI2单独作用时1F)1(OuRRu?u212111111F)1(OuRRRRRu1I2111211F)1(uRRRRR))(1(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRuuI2uORFuI1R12R11++–R1+–uI2uORFuI1R12R11++–R1+–下一页返回上一页退出章目录22/73方法2：2I2111111I211121uRRRuRRRuuRRu)1(1FO平衡电阻：R11//R12=R1//RF))(1(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRuu+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。u+uI2uORFuI1R12R11++–R1+–uI2uORFuI1R12R11++–++–R1+–下一页返回上一页退出章目录23/73(1)输入电阻低；(2)共模电压低；(3)当改变某一路输入电阻时，对其他路无影响。同相加法运算电路的特点：(1)输入电阻高；(2)共模电压高；(3)当改变某一路输入电阻时，对其他路有影响。))(1(2I2111111I2111211FOuRRRuRRRRRu反相加法运算电路的特点：)(2I12F1I11FOuRRuRRuuI2uORFuI1R12R11++–R2+–uI2uORFuI1R12R11++–++–R2+–uI2uORFuI1R12R11++–R1+–uI2uORFuI1R12R11++–++–R1+–下一页返回上一页退出