吕国泰《电子技术》第3章 集成运算放大器

1第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数第一节差分放大电路第三节运算放大器的线性应用第四节运算放大器的非线性应用第五节运算放大器的选用及使用注意问题一、直接耦合方式二、差分放大电路5一、直接耦合方式耦合——级与级之间的连接方式。阻容耦合直接耦合变压器耦合耦合方式光电耦合输出端输入端A1AnA2多级放大电路——选择多个基本放大电路，合理连接。第一节差分放大电路6优点：各级直流状态独立，设计调试方便。缺点：①不利于集成化：C容量大,制做困难。②低频特性差：C对变化缓慢的低频信号容抗大，低频信号大部分衰减在C上，不向后级传递。1.阻容耦合方式CE1C1RB1RB2RERCT1+UccuO–+uI–+uO1uI2CE2C3R'B1R'B2RE2RC2T2C2第一节差分放大电路72.直接耦合方式T2的基极电阻为T1的RC1,省去RB2。T1和T2的直流相互流通。RB1RC1RS+UCCRC2RLT1T2UsuO–+uI–+前级输出端直接接到后级输入端。RB2第一节差分放大电路8优点：①低频特性好：可放大变化缓慢的信号。②利于集成化：没有大容量C，易于集成。缺点：①各级直流状态相互影响，设计调试不便。②存在温度漂移（零点漂移）现象。第一节差分放大电路9uOtO3.零点漂移现象（1）零点漂移现象：输入信号为零时，输出电压不为零,且缓慢变化(偏离初始值)的现象。ui=0–+直接耦合放大电路mVuO–+对于阻容耦合:电容对漂移信号容抗大，漂移被隔在本级，不被放大。对于直接耦合:使漂移信号逐级被放大。第一节差分放大电路10（3）危害：当漂移电压和信号电压频率相近时（变化缓慢），难以分辨，有用信号被淹没。（4）抑制方法：直流反馈：Q点稳定电路差分放大电路（2）产生原因：温度影响、管子老化，电源电压波动。主要是温度变化引起半导体器件参数的变化，导致Q点的变化。第一节差分放大电路11T1T2电路对称双端输入—双端输出接法公用发射极电阻RE（一）电路组成二、差分放大电路RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2＋uo－uI2-+uI2-+uI＋－双电源——UCC一定时，RE过大，使ICQ过小，Q点偏低，接入电源UEE补偿直流压降。第一节差分放大电路121.抑制零漂原理无信号、无温度影响时：无信号、受温度影响后：（1）电路对称性，使每管零漂电压在输出相互抵消。Ta∆iC1、∆iC2∆uC1=∆uC2∆uC1、∆uC2uO=∆uC1-∆uC2uO=UCQ1-UCQ2＝0ICQ1ICQ2(二)工作原理uI2uI1＋uO－-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2有无输出电压？漂移电压在输出端如何抵消？=(UCQ1-∆uC1)-(UCQ2-∆uC2)＝0第一节差分放大电路13（2）公用RE对零漂电压有很强的负反馈。uE＝2∆iC1RE如果电路不对称怎么办？RE对漂移电压为何有负反馈？ICQ1ICQ2uI2uI1＋uO－-UEEReT2T1RC1RC2+UCCRB1RB2共模信号——大小相等，方向相同的信号。零漂电压折合到输入端，相当两管输入端加共模信号。RE也称共模反馈电阻。第一节差分放大电路14实验六、差分放大电路(无输入)实验目的：差分放大电路抑制零漂的原理。建立电路：1.双端输入—双端输出接法。2.无输入信号状态。EDA实验链接EDA6实验步骤：1.用电压表分别测量T1、T2的C极输出电压uC1与uC2。2.测量无温度影响时差分放大电路的输出电压uo=UCQ1-UCQ2=0。3.测量受温度影响后差分放大电路的输出电压uo=∆uC1-∆uC2=0。第一节差分放大电路15EDA实验差分放大电路（无输入信号）第一节差分放大电路16EDA实验结论:实验数据：uC1uC2uo温度270C7.108V7.108V0V温度800C7.045V7.045V0V1.无温度影响时，差放的输出电压为零。2.受温度影响后，每管的输出电压减小了，但差放的输出电压仍为零。第一节差分放大电路17iC1uC12.对有用信号的放大作用差模信号——大小相等，方向相反的信号。iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2∴∆uO＝∆uC1－(－∆uC2)＝2∆uC1差模信号有输出吗？（1）采用差模输入方式另一管iC2uC2＋uo－uI2-+ui2-+uI＋－输入端有差别输出才有变动第一节差分放大电路18（2）公用RE无负反馈作用经RE的iC的增量和减量抵消，RE上无差模信号电压。RE对有用信号有负反馈吗？iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2＋uo－uI2-+uI2-+uI＋－双入—双出差动电路的放大能力只相当单管的放大能力。beCIOdrRuuA差模放大倍数第一节差分放大电路19＋uI－RaRbU＋－baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uo－怎么办？RL+UCCRB2RCRB1如果双端输出差分电路后面要接输入有一端接地的放大电路，而双端输出没有接地端。20（三）输入、输出方式零漂小，广泛应用。信号源和负载不能接“地”端。双入单出单入双出单入单出双入双出1.双端输入—双端输出T2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uO－＋uI－第一节差分放大电路21静态时输出端直流电位不为零。无法利用电路的对称性抑制零漂。仅靠RE负反馈作用。2.双端输入—单端输出用于将差模信号转换为单端输出信号，以便与负载和后级放大器有公共端接“地”。uO1＋－uI＋－uO2＋－-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2第一节差分放大电路223.单端输入—双端输出uI＋－-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2+uO-信号源有一端接“地”,用于将单端输入信号转换为单端输出信号，作为下一级差放的差模输入信号。4.单端输入—单端输出输入、输出信号都有一端接“地”。第一节差分放大电路23RaRbU＋－ba差分放大电路（四）应用举例横风传感器横风风速模拟电信号消除干扰、噪声、漂移物理变化量电路信号处理横风传感器电路框图第一节差分放大电路24第一节差分放大电路RaRbU＋－baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uo－横风传感器信号处理电路横风传感器电路25归纳3.抑制零点漂移的最好方法：差分放大电路。1.直接耦合放大电路的零点漂移现象：输入信号为零时，输出电压不为零,且缓慢变化。2.零点漂移主要原因：晶体管的温漂导致Q点的变化。4.差分放大电路工作原理。5.差分放大电路的四种接法：根据输入端和输出端接地情况不同。第一节差分放大电路二、集成运算放大器的符号二、主要参数三、电压传输特性四、理想运算放大器27集成电路简介1.什么是集成电路集成电路——集元器件、电路、系统为一体的新型电子器件。优点：体积小、功耗低、可靠性高、成本低。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数282.分类集成运算放大器就是模拟集成电路的基础电路模拟集成：集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等数字集成：集成门电路、集成触发器集成运算放大器的概念1.什么是集成运算放大器高增益多级直接耦合放大器初期，用于信号的数字运算。目前，应用于信号的产生、放大、交换、处理、测量等。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数29偏置电路输入级中间级输出级输入端输出端2.电路的框图及组成第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数30结论：集成运放具有电压放大倍数大，输入电阻高（几百千欧），输出电阻低（几百欧），零漂小等优点。中间级——进行电压放大，要求电压放大倍数大，采用共射电路。输出级——要求Ro小，带负载能力强。供给负载较大功率，采用互补对称的射极输出器。偏置电路——建立Q点，采用恒流源电路。输入级——要求减少零点漂移，提高Ri，采用差分放大电路。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数31第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数管脚功能－15V负电源10kΩ调零电位器41567231kΩ输出端＋15V正电源同相输入端反相输入端一、集成运算放大器的符号32反相输入端同相输入端输出端反相输入端与输出端反相同相输入端与输出端同相从外部看,是一个双端输入、单端输出的差动放大电路∞+_+u+u-uOA_+u+u-uO符号第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数331.开环电压放大倍数Auo2.共模抑制比KCMRR二、主要参数运放F007的AO约为100db(105倍)。无外加反馈时，差模放大倍数越大越好为了综合考察对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，引入新参数。KCMR=差模Ad共模AC运放F007的KCMRR约为80dbu+u-uO∞+_+第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数344.开环输出电阻rO3.开环输入电阻rid(差模输入电阻)rid越大，从信号源流入的电流越小。精度越高，运放F007的rid约为1~2MΩ。rO越小，运放带负载能力越强。精度越高，运放F007的rO约为500Ω。5.输入失调电压Uio由于差分放大电路的不对称，输入电压为零时，输出电压不为零。静态时保证输出电压为0的补偿电压加一理想电压源，几毫伏级uIOuO=0∞+_+第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数35三、电压传输特性1.线性区uo与ui成线性关系uo＝Auo(u+－u-)2.非线性区（饱和区）uo与ui不是线性关系uo有两种可能uo＝＋UOm高电平uo＝－UOm低电平＋UCC－UEE电压传输特性uOui=u+-u-O线性区因Auo=∞ui很小，要加负反馈不加反馈，或加正反馈第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数非线性区366.最大输出电压UOPP失真不超过允许值时的最大输出电压，一般用峰－峰值表示，也称为动态输出范围。运放F007的UOPP约为±12~±13V。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数37集成运放的理想化条件:③开环输出电阻rO→0。①开环电压放大倍数AuO→∞。②差模输入电阻rid→∞。④共模抑制比KCMRR→∞。四、理想运算放大器u+u-uO∞+_+集成运放可视为一个理想电压放大器uO＝AuO(u+－u-)第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数382.“虚断”的概念i＋＝i－＝0即:iI＝0因rid=∞,iI近似为零。1.“虚短”的概念u+＝u-即u+－u-＝0线性区分析依据iI因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，ui很小即可产生uO。u+u-uO∞+_+rid运用两个重要依据，可大大简化运放电路的分析第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数一、反相输入运算电路二、同相输入比例运算电路三、加法运算电路四、减法运算电路五、积分运算电路六、微分运算电路七、PI调节器八、交流电压表电路九、电压源和电流源十、有源低通滤波器十一、电流、电压转换电路十二、精密放大电路41集成运放应用电路的分类有无外加反馈，组成不同功能的应用电路引入负反馈不加反馈单限电压比较器加正反馈滞回电压比较器非正弦波发生器有源滤波低通高通带通带阻运算电路比例运算反相同相加减运算积分运算微分运算对数和指数运算乘除运算反馈网络负反馈应用开环应用正反馈应用uOu+u-∞+_+第三节运算放大器的线性应用42加减运算ui多路输入反相端——反相求和ui多路输入同相端——同相求和ui多路输入两输入端——加减法二、三极管比例运算ui反相端入——反相比例ui同相端入——同相比例电容C电阻R负反馈元件微分运算——R换C积分运算——RF换成C对数运算指数运算→组合运算乘法器幂运算除法运算取决于反馈元件的性质第三节运算放大器的线性应用43第三节运算放大器的线性应用运放的线性应用主要实现各种模拟信号的比例、加减、微分、积分、对数、指数等运算，以及有源滤波、信号检测、采样保持等。用途十分广泛。线性区uo与ui成线性关系uo＝Auo(u+－u-)＋UCC－UEE电压传输特性uOui=u+-u-O线性区因Auo=∞ui很小，要加负反馈44一、反相输入运算电路从反相输入端输入信号12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+F12//RRR加平衡电阻R2（补偿电阻）。为使输入