第四章集成运算放大器.

第四章集成运算放大电路本章主要内容：3．集成运放在信号运算、信号处理及信号产生方面的应用。1．集成运放的组成及主要参数；2．理想集成运放两种工作方式的主要特点和分析方法；1.理想运放“虚短”、“虚断”的含义；2.集成运放两种工作状态的特点和分析方法；3.各种信号发生电路、比较电路的原理。本章重点：一、集成运算放大器电路简介集成运算放大器（简称集成运放）是一种多级放大电路，性能理想的运放实际上是一种具有高开环放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、工作点漂移小并具有深度负反馈的多级直接耦合放大器。第四章集成运算放大电路第一节概述电路设计特点：级间采用直接耦合方式利用对称结构改善电路性能集成运算放大器内部组成框图。第四章集成运算放大电路第一节概述采用差分放大电路构成，第一级放大采用共射极放大电路，提供足够大的电压放大倍数采用共集电极放大电路或功放中的互补对称电路。提供足够大的输出功率满足负载需要，提供稳定合适的偏置电流。1．输入级采用差分放大电路构成。具有对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等优点，因此可以有效放大有用信号。2．中间级为整个电路提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。3．输出级输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。4．偏置电路为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。第四章集成运算放大电路第一节概述◆输入方式:①反相输入②同相输入（共模输入）③差分输入（混合输入）反相输入端同相输入端输出端uou－u+－ud+Ao－++集成运放的国标图形符号100dB23871546u－u+uo+UCC－UEEF007的外部接线和管脚图国际流行符号国标符号具有电源引脚的集成运放国际流行符号运算放大器外形图二、集成运算放大器的主要参数三个概念1.反馈—将电路的输出量(电压或电流)的一部分或全部，以一定的方式通过某种电路（反馈）回送到输入端或输入回路，去影响输入量（电流或电压），以改善放大电路的某些性能。输入输出放大电路反馈网络若反馈信号增强净输入信号－输出信号得到提高－正反馈；若反馈信号削弱净输入信号－输出信号得到削弱－负反馈；闭环－放大电路的输入回路与输出回路之间有联系，即有反馈时；开环－放大电路的输入回路与输出回路之间无联系，即无反馈时。1.开环电压放大倍数（开环电压增益）Auo——在输出端开路，无外接反馈电路时，两个输入端加电压输入信号，此时测出的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数，简称开环电压放大倍数，一般用分贝表示。Auo越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。理想情况下，Auo＝∞iououuAlg20u－u+Ao－++2.开环差模输入电阻rid——集成运放加入差模信号时的开环等效输入电阻。表征了输入级从信号源取用电流的大小，其值越大越好。3.开环输出电阻ro——没有外接反馈电路时，输出级的输出电阻。表征了集成运放带负载的能力，其阻值越小越好。4.输入失调电压uio——实际的集成运放中，当输入电压为零时，输出电压不等于零，为使输出电压为零，须在输入端加补偿电压，该补偿电压就称为输入失调电压。它表征了输入级差分对管（或）不对称的程度，一般在毫伏级。5.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。6.共模抑制比KCMRR——它表示集成运放的差模放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即：KCMRR越大，说明运算放大器抑制共模信号的性能越好。cdCMRRAAK◆理想运放的主要条件：(1)开环放大倍数：Ao→∞(2)开环输入电阻：ri→∞(3)开环输出电阻：ro→0(4)共模抑制比：KCMRR→∞uou－u+－ud+∞－++△理想运放的图形符号三、理想集成运放的技术指标及符号第四章集成运算放大电路第一节概述四、集成运算放大器的电压传输特性两个工作区——线性工作区和非线性工作区1．线性工作区+UO(sat)－UO(sat)理想特性实际特性Ouou+u-iuouoouAuuAu)(iuouoouAuuAu)(第四章集成运算放大电路第一节概述或集成运放处于线性区的特点uo∞－++△ui1Rfu－u+i1if（1）“虚短”——集成运放两个输入端的电压近似相等，即u+≈u-。0)(uoAuuuuoiuoAuu特殊情况：反相端有信号输入时，同相输入端接“地”——反相输入端是一个不接“地”的“地”电位，通常称为“虚地”ui2（2）“虚断”——流进集成运放两个输入端的电流近似等于零，即i+＝i-≈0。原因：由于集成运放开环差模输入电阻很高（理想时∞）理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断”现象总是存在的。第四章集成运算放大电路第一节概述uo∞－++△ui1Rfu－u+i1ifui2（1）（2）集成运放两个输入端电压u+与u－不一定相等，即“虚短”的结论不一定成立。（3）集成运放输入电流仍等于零。即“虚断”现象仍然存在。2.非线性工作区（饱和状态）——处于开环或正反馈时当u+＞u－时：uo=+UO(sat)当u+＜u－时：uo=－UO(sat)第四章集成运算放大电路第一节概述uo∞－++△ui1u－u+ui2如何判断理想集成运放的工作状态？集成运放电路连接方式：1.开环：2.正反馈：3.负反馈判断方法：集成运放电路开环——非线性工作区用无源网络连接输出端和同相输入端——正反馈，非线性工作区用无源网络连接输出端和反相输入端——负反馈，线性工作区uo∞－++△R1uiRfRpu－u+请判断有无反馈如何分析集成运放电路？（1）分析判断集成运放的工作状态（有无反馈？反馈的极性？）；（2）根据集成运放在线性区和非线性区的特点分析具体电路和输入输出关系。(一)比例运算电路(1)反相比例运算电路u－=u+=0uo∞－++△R1uiRfRpu－u+虚地i1ifi1=ifuiR1=－uoRfuo=－ＲfＲ1ui闭环电压放大倍数Af第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路平衡电阻当Rf=R1时：uo=－ui反相器uo∞－++△R1uiRfRpu－u+平衡电阻:Rp=R1//Rf平衡电阻的作用：保证集成运放的同相输入端和反相输入端的外接电阻相等，以消除静态基极电流对输出电压的影响。第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路(2)同相比例运算电路uo∞－++△R1RpuiRfu－u+i1ifu－=u+=uiif=i1u－－uoRf=-u－R1uo=RfR1)ui(1+平衡电阻:RP=R1//Rfuo∞－++△ui闭环电压放大倍数Af1R当1/iofuuA电压跟随器0FPRR再令第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路(二)加法运算电路1.反相加法运算电路uo∞－++△R12RFRpR11ui1ui2R13ui30uu11111Ruii12212Ruii13313Ruiifiiii131211)(313212111iFiFiFouRRuRRuRRu当FRRRR131211)(321iiiouuuuFfRui0第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路2.同相加法运算电路元件参数：132////RRRRF——保证电路能够补偿输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。应用叠加原理可知，u可由1iu和2iu两个电压源单独作用的叠加求出：1iu单独作用时，令02iu1323)(iuRRRu2iu单独作用时，令01iu2322)(iuRRRu根据“虚短”现象，uu，而oFuRRRu11所以输出电压为：))(1(232213231iiFouRRRuRRRRRu若选取FRRRR321)(21iiouuu第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路两个电压源共同作用时，23221323)()(iiuRRRuRRRuuu第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路(三)减法运算电路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui21．应用集成运放中“虚短”和“虚断”的特点。111Riuui1111RRRuuuFoii3322RRRuuiuu1123231)1(iFiFouRRuRRRRRu当21RR和3RRF)(121iiFouuRRu12iiouuu1RRF当第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路2．应用叠加原理求解R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2▲当ui1单独作用时:+①②R3uo´∞－++△R1RfR2ui1R3uo´´∞－++△R1RfR2ui2uo′=－ＲfＲ1ui1▲当ui2单独作用时:uo´´=(1+RfR1)u+u－u+u+=R3R2+R3ui2=(1+RfR1)R3R2+R3ui2则：uo=uo´+uo´´RfR1)=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1当=ＲfＲ1Ｒ3Ｒ2时：uo=ＲfＲ1(ui2－ui1)▲平衡电阻:R2//R3=R1//RfR3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路例4-3图4-10示电路是具有四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。解：若令021iiuu则该电路成为同相加法运算电路，))(1(44333434'iiFouRRRuRRRRRu式中，21//RRR第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路若令043iiuu则电路成为反相加法运算电路)(2211iFiFouRRuRRuooouuu))(1(44333434iiFouRRRuRRRRRu)(2211iFiFuRRuRR若令FRRRRR4321)()(2/32143iiiiouuuuu第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路练习题1.设计运算电路实现：uo=-3uiuo∞－++△R1uiRfRpfPRRR131RRf2.求解下图所示电路的运算关系-++N-++N1iu3iu2iuOu2R1R1fR2fR4R3R5R6R反相比例运算电路反相加法运算电路-++N-++N1iu3iu2iuOu2R1R1fR2fR4R3R5R6R15234223221111OfififOifOuRRuRRuRRuuRRu将uo1代入uo2的表达式，可得342232152122ifififfOuRRuRRuRRRRu3.设计运算电路实现：uo=2ui1-ui2-++N-++N1iu2iuOu2/RRRRRRR第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路(四)积分运算u－=u+=0uC=u－－uo=－uoif=i1i1=uiR1if=CduCdt=－Cduodtuo=－∫uidt1R1C▲平衡电阻:R2=R10uot－Uit1R1C－UO（sat）(b)波形uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－(a)电路0uitUi(五)微分运算电路u－=u+=0uC=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo=－RfCduidt▲平衡电阻:R2=Rf0uot(b)波形ifi1+uC－uo∞－++△CuiRfu－u+R2(a)电路0uitUi第四章集成运算放大电路第二节模拟信号的运算电路基本微分电路存在的缺点：①输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象；②由于电路中的反馈网络构成的RFC滞后环节，它与集成运算放大器的滞后环节合在一起，使电路的稳定储备减小，电路容