运算放大器

模拟电子技术基础安徽理工大学电气工程系主讲：黄友锐第十讲08运算放大器运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。8.1运算放大器的结构8.2运算放大器的主要参数8.3理想运算放大器8.4运算放大器分类8.1运算放大器的结构•8.1.1方框图•8.1.2运算放大器的引线•8.1.3运算放大器的符号和型号8.1.1方框图集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图08.01所示。图08.01运放内部结构1.输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。4.偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.互补输出级由PNP和NPN两种极性三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。8.1.2运算放大器的引线运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。输入级中间级输出级运放内部电路举例反相输入端同相输入端输出端+UCCui-UEEuoT3T4T5T1T2IS123++HA17741内部电路简图8.1.3运算放大器的符号和型号(1)集成放大器的符号按照国家标准符号如图08.02所示。(a)(b)图08.02模拟集成放大器的符号(a)国家标准符号(b)原符号(2)集成运算放大器的型号命名数字序号(与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。)其它例如:集成功率放大器的型号命名CD－－－－集成稳压器的型号命名CW－－－－8.2运算放大器的主要参数运算放大器的技术指标很多，其中一部分与差分放大器和功率放大器相同，另一部分则是根据运算放大器本身的特点而设立的。各种主要参数均比较适中的是通用型运算放大器，对某些项技术指标有特殊要求的是各种特种运算放大器。8.2.1运算放大器的静态技术指标8.2.2运算放大器的动态技术指标8.2.1运算放大器的静态技术指标1.输入失调电压Vio：(inputoffsetvoltage)输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。3.输入失调电流Iio：(inputoffsetcurrent)在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。2.输入偏置电流IB：(inputbiascurrent)运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。4.输入失调电压温漂dVio/dT5.输入失调电流温漂dIio/dT在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。6.最大差模输入电压Vidmax7.最大共模输入电压Vicmax(maximumdifferentialmodeinputvoltage)运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。(maximumcommonmodeinputvoltage)在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。8.2.2运算放大器的动态技术指标1.开环差模电压放大倍数Avd：(openloopvoltagegain)运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。2.差模输入电阻rid：(inputresistance)输入差模信号时，运放的输入电阻。3.共模抑制比KCMR：(commonmoderejectionratio)与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比，常用分贝数来表示。KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)5.单位增益带宽fc(BWG)——(unitgainbandwidth)Avd下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽fc。4.－3dB带宽fH：(-3dBbandwidth)运算放大器的差模电压放大倍数在高频段下降3dB所定义的带宽fH。6.转换速率SR(压摆率)—(slewrate)反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为:maxoRddtVS(动画8-1)7.等效输入噪声电压Vn——(noisevoltage)输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。运算放大器外形图运算放大器外形图8.3理想运算放大器•8.3.1理想运算放大器的条件•8.3.2理想运算放大器的特性满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。8.3.1理想运算放大器的条件2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小1～2个量级即可。4.带宽足够宽。5.共模抑制比足够大。实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。8.3.2理想运算放大器的特性(1)虚短由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。(2)虚断由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。下面举几个例子以说明虚短和虚断的运用。（动画8-2）例8.1：有一理想运算放大器组成的电路如图08.03所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断I‘i0，故V+0。且IiIf根据虚短，V+V-0Ii=(Vi－V-)/R1Vi/R1Vo－IfRf=－ViRf/R1电压增益Avf=Vo/Vi=－Rf/R1根据上述关系式，该电路可用于反相比例运算。图08.03反相比例运算电路例8.2：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？RF++∞..uiuoR2u+u_。。R1解：1、Auf=–RFR1=–5010=–5R2=R1RF=105010+50=8.3k2、∵Auf=–RFR1=–RF10=–10∴RF=AufR1=1010=100R2=1010010+100=9.1k例8.3：有一理想运算放大器组成的电路如图08.04所示，试求输出电压的表达式和电压放大倍数。根据虚断，Vi=V+根据虚短，Vi=V+V-V+=Vi=VoR1/(R1+Rf)VoVi[1+(Rf/R1)]电压增益Avf=Vo/Vi=1+(Rf/R1)根据上述关系式，该电路可用于同相比例运算。图08.04同相比例运算电路为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用型、高速型、宽带型、高精度型、高输入电阻和低功耗等几种。8.4运算放大器分类8.4.1通用型通用型运算放大器技术指标比较适中，价格低廉。通用型运放也已经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741为例，输入失调电压1～2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/s。8.4.2高速型和宽带型用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525AD9620AD9618OP37CF357sμV/201=RSMHz20=BWGSRμV/2200=SZHMH600fSRμV/0018=SZMH8000BWGSRμV/17=SZMH63BWGSRμV/05=SZMH20BWG8.4.3高精度(低漂移型）用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：OP177:CF714:CpA/5.1ddCV/μ03.0ddnA3.0Vμ4IOIOIOIOTITVIVCpA/12~8ddCV/μ5.0~3.0ddnA8.0~4.0Vμ60~30IOIOIOIOTITVIV8.4.4高输入阻抗型用于测量设备及采样保持电路中。例如：AD549CF155/255/35513idBI10Ap040.0RI12idBI10Ap30RI8.4.5低功耗型用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：OP22正常工作静态功耗可低至36W。OP290在0.8V电压下工作，功耗为24W。CF7612在5V电压下工作，功耗为50W。8.4.6功率型这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12TP1465A10oIA75.0oI