第16章集成运算放大器

第16章集成运算放大器本章要求: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，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。重点：1．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。2．理解电压比较器的工作原理和应用。难点：1．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。2．理解电压比较器的工作原理和应用。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，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4.二极管多用三极管的发射结代替。16.1.2电路的简单说明输入级：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。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ouAidr0orCMRRK构成。偏置电路:由镜像恒流源等电路组成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。3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB6.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。16.1.4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2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比16.1.4理想运算放大器及其分析依据1.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)2.理想运放工作在线性区的特点(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”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)当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象16.2运算放大器在信号运算方面的运用16.2.1比例运算1.反相比例运算结论：(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”。(5)电压并联负反馈，输入、输出电阻低，ri=R1。共模输入电压低。2.同相比例运算1RRuuAFiouf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，与运放本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。(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。16.2.2加法运算电路)(2i2iF1i1iFouRRuRRu16.2.3减法运算电路11RRuuAFiouf))1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu如R1=R2=R3=RF1i2iouuu则：16.2.4积分运算电路将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。16.2.5微分运算电路16.3运放在信号处理方面的应用16.3.3电压比较器iFouCRu11dtduCRuiFo1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)当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象1.基本电压比较器当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)即uiUR时，uo=+Uo(sat)uiUR时，uo=–Uo(sat)2.输出带限幅的电压比较器过零电压比较器16.6使用运算放大器应注意的几个问题1.选用元件2.消振3.调零为了提高集成运放的精度,消除因失调电压和失调电流引起的误差,需要对集成运放进行调零。4.保护(1)输入端保护当输入端所加的电压过高时会损坏集成运放，可在输入端加入两个反向并联的二极管，如图所示，将输入电压限制在二极管的正向压降以内。(2)输出端保护为了防止输出电压过大,可利用稳压管来保护，如图所示，将两个稳压管反向串联，就可将输出电压限制在稳压管的稳压值UZ的范围内。(3)电源保护为了防止正负电源接反，可用二极管保护，若电源接错，二极管反向截止，集成运放上无电压，如图所示。5.相位补偿集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自激。要消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，如图所示。其中，图(a)是输入分布电容和反馈电阻过大(1MΩ)引起自激的补偿方法，图(b)中所接的RC为输入端补偿法，常用于高速集成运放。6.扩大输出电流在输出端加接一级互补电路扩大输出电流。