第9章 集成运放.

第九章集成运算放大器及其应用武科大信息学院电工电子课部在制造工艺上，集成运放很难制造电感、电容大电阻元件，所以需要时一般都采取外接的方法。而制造晶体管却最容易，一般采用晶体管恒流源代替电阻；把晶体管的三极适当组配作二极管用。同时也出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。集成电路中的各个晶体管是通过同一工艺过程制作在同一硅片上的，温度性能基本保持一致，因此易制成温度漂移很小的差动放大器。9.1.1集成运算放大器的特点9.1简介输入级中间级偏置电路输出级输入端输出端输入级：由差放构成。减小零漂和抑制干扰。中间级：共射放大电路。用于电压放大。输出级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载能力。偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态工作点。9.1.2电路的简单说明集成运放的基本结构示意图输入级中间级输出级-UEE+UCCu＋uou－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框图运放举例：F007F00712348765∞F007761432582—反相输入端6—输出端3—同相输入端4—正电源端7—负电源端8—闲置端（NC）1、5—接调零电位器9.1.2电路的简单说明－＋＋uo∞国际符号三种封装形式：圆外壳封装、扁平管封装、双列直插式封装外形u-u+u+u-uo已经不用正在使用集成运放芯片u+u-u0均为对地电压符号＋－u－u+uo为了合理的选用和正确的使用运算放大器，必须了解集成运算放大器的各主要参数的意义。1．开环电压放大倍数AUO在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。AUO越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高，一般约为104～107。2．共模抑制比KCMRR它表示运算放大器的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比的绝对值。若用分贝（dB）为单位，则称KCMRF007型晶体管的KCMR约为80dB，目前有的晶体管的KCMR已高达160dB，KCMR越大，说明集成运算放大器的共模抑制性能越好。9.1.3主要参数3．开环（差模）输入电阻rid运算放大器开环时，从两输入端看进去的等效动态电阻称为开环输入电阻。rid越大说明集成运算放大器由差模信号源输入的电流就越小，F007的rid约为1~2MΩ。4．开环输出电阻ro运算放大器输出级的输出电阻。ro越小，集成运算放大器带负载的能力越强。F007的ro约为500Ω。5．最大输出电压Uopp能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。F007的Uopp约为±12～±13V。9.1.3主要参数6．输入失调电压UIO理想的运算放大器，当输入电压为零时，即ui1=ui2=0，输出电压uo=0。但在实际的运算放大器中，由于制造中也很难做到参数完全对称，因此当输入电压为零时，uo≠0。反过来说，如果要，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。UIO一般为几毫伏，显然它越小越好。7．输入失调电流IIO输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差，即IIO=︱IB1-IB2︱，IIO一般在零点零几微安级，其值越小越好。9.1.3主要参数8．输入偏置电流IIB输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，即IIB=（IB1-IB2）/2。这个电流也是越小越好，一般在零点几微安级。集成运算放大器的其它参数的意义是可以理解的，就不一一说明了。总之，集成运算放大器具有开环电压放大倍数高、输入电阻高（约几兆欧）、输出电阻低（约几百欧）、零点漂移小、体积小、可靠性高等优点，因此它被广泛地应用于各个技术领域，已成为一种通用器件。9.1.3主要参数3）开环输出电阻ro→02）差模输入电阻rid→∞4）共模抑制比KCMRR→∞在分析运算放大器构成的各种电路时，通常将它看成是一个理想运算放大器。1）开环电压放大倍数Auo→∞∞++-u-u+uo理想运放图形符号1.理想运算放大器理想化的条件是：9.1.4理想运算放大器及其分析依据ou+-u-uo实际运放的参数指标很接近理想化条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。+Uo(sat)-Uo(sat)理想特性实际特性运算放大器的传输特性2．电压传输特性9.1.4理想运算放大器及其分析依据虚地虚断虚短o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区从运放的传输特性看，可分为线性区和饱和区，工作在不同区时的分析方法不同：线性区：uo=Auo(u+-u-)rid→∞，故两输入端的输入电流为零。Auo→∞，uo为有限值故u+-u-=uo/Auo≈0即u+≈u-分析依据当有信号输入时，如同相端接地，即u+=0则u-≈02．电压传输特性uo9.1.4理想运算放大器及其分析依据饱和区：uo≠Auo(u+-u-)当u+u-时,uo=+uo(sat)当u+u-时,uo=-uo(sat)但两输入端的输入电流仍为零o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区2．电压传输特性uo9.1.4理想运算放大器及其分析依据ri高:几十kM运放的特点：KCMRR很大ro小：几十~几百Ao很大:104以上~107理想运放：riKCMRRro0Ao运放符号：＋－u－u+uo总结：运放的特点和符号－＋＋u－u+uo运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等运算。Auo→∞，uo为有限值故u+-u-=uo/Auo≈0即u+≈u-rid→∞，故两输入端的输入电流为零。分析方法：9.2运算放大器在信号运算方面的应用1.反相输入比例运算由KCL、KVL和运放工作在线性区的分析依据：1iif0uu111RuRuuiiiFFfRuRuuiooi1uiuo∞++-ifR1R2RF及RF—反馈电阻；R2—平衡电阻，保持两个输入端外接电阻相等，保证运算放大器工作在对称平衡状态。R2=R1∥RF虚断虚地iFuRRu1oRF=R1，uo=-ui反相器9.2.1比例运算iFuRRu1o1RRuuAFiouf说明：1、式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器；2、如R1和RF的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性1.反相输入比例运算9.2.1比例运算i1uiuo∞++-ifR1R2Rf1iifiuuu及111RuRuii有FFfRuuRuuioioiFuRRu)1(1oioFioufuuRRuuA11得2.同相输入比例运算uiuo∞++-R2当R1=∞；RF=0→Auf=1这就是电压跟随器uo=ui9.2.1比例运算i13ui3uo∞++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路。131211iiiif)(321iFiFiFuRRuRRuRRu131211oFofRui1111Ruii11212Ruii21313Ruii3由此得当R11=R12=R13=R1时)(321iiiFuuuRRu1o再若R1=RF，则)(321iiiuuuuo9.2.2加法运算i13ui3uo∞++-if200kΩ13.3kΩ100kΩi1250kΩi1125kΩui2ui1加法电路131211ouuuu5.024若例：131211ouuuu5.02)(4ui1∞++-10kΩ5kΩ10kΩuo1=-ui1uo1131211ouuuu5.024)(321iFiFiFuRRuRRuRRu131211o反相器9.2.2加法运算ui1uo∞++-R3R2RFi1R1减法电路ifui2当两个输入端都有信号输入时，即为差动输入，可进行减法运算uRRRuuuRiuuFoiii1111111-12323)1(iFiFuRRuRRRRRu11o3322RRRuui时且当321RRRRF)(12iiFuuRRu1oi11uuuRRAioFu2则9.2.3减法运算FoifRRuuii111dtuCRdtiCuuiFfF111co0-uui1uo∞++-R2CFi1R1积分电路ifuc1if1Ruii当输入信号为阶跃电压时，tCRUuFi1oU-UuiotUo(sat)-Uo(sat)9.2.4积分运算otuo控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：)1(11dtuCRuRRuiFiFoui1uo∞++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF可视为反相比例运算和积分运算的叠加。与以前学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。11RUiiif9.2.4积分运算ui1uo∞++-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，dtduCdtduCiic111当输入信号为阶跃电压时，输出为尖脉冲电压。微分电路稳定性不高，用得较少。(波形如右图)dtduCRRiRiuiFFF11fouiUuooottui1uo∞++-R2C1icPD调节器iRRF在控制系统中使调节过程加速的比例—微分调节器（PD调节器）9.2.5微分运算在自动控制系统中常需要进行信号处理，如滤波、信号的测量及信号的比较等。9.3.1有源滤波器滤波器是一种选频电路—选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到改善：体积小、效率高、频率特性好等。9.3运放在信号处理方面的应用uiuo∞++-RC有源低通滤波器ucRFR1如图为有源低通滤波器CjCjRUUUic11RCjUi1URRUFo)1(10111111///jRRRCjRRUUAFFioufRCfRC21100或ufA0ufA20ufAo0幅频特性20111/RRAFuf9.3.1有源滤波器传递函数为时当011RRAFuf220ufFufARRA11时当0称为截止频率0ufA0ufA20ufAo0幅频特性9.3.1有源滤波器可见有源低通滤波器，输入信号的频率ω﹤ω0时，输出电压衰减不多，信号容易通过。当测量微弱信号时，需将信号先放大，再测量。常用的测量放大器电路输入级结构对称且输入电阻很高，抑制零点漂移能力很强。第二级采用减法电路，为了提高运算精度，必须使用共模抑制比很高的运算放大器。测量放大器原理图9.3.2测量放大器+uo-RR1∞++-A1∞++-A2∞++-A3R2R3R4R5R6+uI1--uI2++uI-测量放大器原理图+uo-RR1∞+-+A1∞++-A2∞++-A3R2R3R4R5R6+ui1--ui2++ui-11IRuuRi第一级根据理想运放的“虚短”、“虚断”的概念可得第二级减法电路uo1uo2)()(321132121RRRRuRRRIuuiooI16256)1(oouRRuRRRRRu44o若R4=R5，R6=RioouRRRRRRuuRRu13216216)(44o9.3.2测量放大器uRuo∞++-R2电压比较器R1ui运放工作于开环状态，uR是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非线性—饱和区。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiu