第一章-集成运放放大器基础

1.1集成运算放大器概述最初应用于模拟计算机对模拟信号进行加、减、微分、积分等数学运算而得名，随着工艺水平和设计能力的提高，集成运放在性能和品种方面都得到迅速发展，已成为一种通用性很强的功能部件，广泛应用于信息处理、自动控制、测量仪器及其他电子设备等领域。第一章集成运算放大器基础各类集成运放的性能特点一、高精度型性能特点：漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。二、低功耗型性能特点：静态功耗一般比通用型低1~2个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。三、高阻型性能特点：通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达1012。高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。四、高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达1000V/s，单位增益带宽可达10MHz，甚至几百兆欧。性能特点：常用在A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。五、高压型性能特点：输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。六、大功率型性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。1.2集成运放的主要技术指标集成运算放大器的符号+A反相输入端同相输入端输出端一、开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为UUUAΔΔΔlg20-Ood单位：分贝理想情况Aod为无穷大；实际情况Aod为100~140dB。运算放大器的符号二、输入失调电压UIO三、输入失调电压温漂UIO定义：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。一般运放：UIO为1~10mV；高质量运放：UIO为1mV以下。定义：TUUddIOIO一般运放为每度10~20V；高质量运放低于每度0.5V以下；四、输入失调电流IIO五、输入失调电流温漂IIO当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即定义：B2B1IOIII一般运放为几十~一百纳安；高质量的低于1nA。定义：TIIddIOIO一般运放为每度几纳安；高质量的每度几十皮安。六、输入偏置电流IIB七、差模输入电阻rid八、共模抑制比KCMR定义：输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。)(21B2B1IBIII定义：IdIdidΔΔIUr一般集成运放为几兆欧。定义：ocodCMRlg20AAK多数集成运放在80dB以上，高质量的可达160dB。九、最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。十、最大差模输入电压UIdm反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。十一、3dB带宽fH表示Aod下降3dB时的频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。十二、单位增益带宽BWGAod降至0dB时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于1。十三、转换速率SR额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V/s。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值。其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。理想运算放大器理想运放的技术指标开环差模电压增益Aod=∞；输出电阻ro=0；共模抑制比KCMR=∞；差模输入电阻rid=∞；UIO=0、IIO=0、UIO=IIO=0；输入偏置电流IIB=0；3dB带宽fH=∞，等等。1.3集成运放的工作特点输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即)(odOuuAuuuOuii+Aod理想运放工作在线性区特点：1.理想运放的差模输入电压等于零0)(odOAuuu即uu——“虚短”集成运放的电压和电流一是一个有源器件；二具有两种工作状态2.理想运放的输入电流等于零由于rid=∞，两个输入端均没有电流，即0ii——“虚断”理想运放工作在非线性区时的特点传输特性+UOPPuOu+uOUOPP理想特性集成运放的传输特性理想运放工作在非线性区特点：当u+u时，uO=+UOPP当u+u时,uO=UOPP1.uO的值只有两种可能在非线性区内，(u+u)可能很大，即u+≠u。“虚地”不存在2.理想运放的输入电流等于零0ii——“虚断”实际运放Aod≠∞，当u+与u差值比较小时，仍有Aod(u+u)=UOPP，运放工作在线性区。例如：F007的Uopp=±14V，Aod2×105，线性区内输入电压范围μV70102V145odOPPAUuuuOu+uO实际特性非线性区非线性区线性区但线性区范围很小。集成运放的传输特性集成运放使用中的几个具体问题集成运放参数的测试使用中可能出现的异常现象1.不能调零调零电位器故障；电路接线有误或有虚焊；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部损坏；重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象原因2.漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因3.产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大集成运放的保护1.输入保护(a)反相输入保护(b)同相输入保护+V+AR1VD1VD2RFRVuOuI保护元件保护元件uO+AR1RFVD1VD2uI保护元件输入保护2.电源极性错接保护保护元件：VD1、VD23.输出端错接保护保护元件：稳压管VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuIR利用稳压管保护运放电源接错保护R2=R1//RF由于“虚断”，i+=0，i-=0；由于“虚短”，u=u+=0——“虚地”由iI=iF，得Fo1IRuuRuuIFIofRRuuAu反相比例运算电路由于反相输入端“虚地”，电路的输入电阻为Rif=R1当R1＝RF时，Auf=-1——单位增益倒相器电路为电压并联负反馈1.4集成运放的基本应用同相比例运算电路R2=R1//RF根据“虚短”和“虚断”的特点，可知i+=i-=0；又u=u+=uＩOF11uRRRu所以　　IOF11uuRRR　　所以IFIOf1RRuuAu得：由于该电路为电压串联负反馈，所以输入电阻很高；输出电阻很低。当RF=0或R1=时，Auf=1——电压跟随器差动比例运算电路差动比例运算电路11RRFFRR在理想条件下，由于“虚断”，i+=i=0IF1FuRRRuOF11IF1FuRRRuRRRu由于“虚短”，u+=u，所以：IF1FOF11IF1FuRRRuRRRuRRR1FIIOfRRuuuAu电压放大倍数差模输入电阻Rif=2R1三种比例运算电路之比较反相输入同相输入差分输入电路组成要求R2=R1//RF要求R2=R1//RF要求R1=R1′RF=RF′电压放大倍数uO与uI反相，可大于、小于或等于1uO与uI同相，放大倍数可大于或等于1RifRif=R1不高Rif高Rif=2R1不高Ro低低低性能特点实现反相比例运算；电压并联负反馈；“虚地”实现同相比例运算；电压串联负反馈；“虚短”但不“虚地”实现差分比例运算(减法)“虚短”但不“虚地”IFIOfRRuuAuIFIOf1RRuuAu1FIIOfRRuuuAu)时当(,FF11RRRRfuA比例电路应用实例两个放大级。结构对称的A1、A2组成第一级，互相抵消漂移和失调。A3组成差分放大级，将差分输入转换为单端输出。当加入差模信号uI时，若R2=R3，则R1的中点为交流地电位，A1、A2的工作情况将如下页图中所示。三运放数据放大器原理图由同相比例运放的电压放大倍数公式，得1212I1O1212/1RRRRuuI112O1)21(uRRu则同理I212I213O2)21()21(uRRuRRu所以I12I2I112O2O1)21())(21(uRRuuRRuu则第一级电压放大倍数为：12Io2o121RRuuu改变R1，即可调节放大倍数。R1开路时，得到单位增益。A3为差分比例放大电路。当R4=R5，R6=R7时，得第二级的电压放大倍数为46O2O1ORRuuu所以总的电压放大倍数为)21(1246Io2o1o2o1oIoRRRRuuuuuuuuAu求和电路求和电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果。反相输入求和电路F321//////RRRRR由于“虚断”，i=0所以：i1+i2+i3=iF又因“虚地”，u=0所以：FO3I32I21I1RuRuRuRu)(I33FI22FI11FOuRRuRRuRRu当R1=R2=R3=R时，)(I3I2I11FOuuuRRu同相输入求和电路由于“虚断”，i=0，所以：RuRuuRuuRuu3I32I21I1解得：I33I22I11uRRuRRuRRu其中：RRRRR//////321))(1()1(I33I22I111F1FOuRRuRRuRRRRuRRu积分和微分电路积分电路RR由于“虚地”，u=0，故uO=uC由于“虚断”，iI=iC，故uI=iIR=iCR得：)0(d1)0(d1IOCCCCutuRCutiCuuτ=RC——积分时间常数积分电路的输入、输出波形(一)输入电压为矩形波t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu当t≤t0时，uI=0，uO=0；当t0t≤t1时，uI=UI=常数，当tt1时，uI=0，uo保持t=t1时的输出电压值不变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。(二)输入电压为正弦波tUusinmItRCUttURCucosdsin1mmOtuOORCUm可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先90。因此，此时积分电路的作用是移相。tuIOUm23微分电路基本微分电路由于“虚断”，i=0，故iC=iR又由于“虚地”，u+=u-=0，故tuRCRiRiuCRddCO可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。微分电路的作用：实现波形变换。对数和指数运算电路一、对数运算电路由二极管方程知)1e(DSDTUuIi当uDUT时，TUuIiDeSD或：SDDlnIiUuT利用“虚地”原理，可得：RIuUIiUIiUuuTRTTSISSDDOlnlnln用三极管代替二极管可获得较大的工作范围。1.采用二极管和三极管的对数运算电路二、指数运算电路当uI0时，根据集成运放反相输入端“虚地”及“虚断”的特点，可得：TTUuUuIIiIBEeeSSI所以：TUuRRIRiRiuIeSIO可见，输出电压正比于输入电压的指数。1.基本电路利用对数和指数电路实现的乘除电路乘法电路的输出电压正比于其两个输入电压的乘积，即uo=uI1uI2求对数，得：I2I1I2I1Olnln)ln(lnuuuuu再求指数，得：I2I1lnlnOI2I1euuuuu所以利用对数电路、求和电路和指数电路，可得乘法电路的方块图：对数电路对数电路uI1uI2lnuI1lnuI2求和电路lnuI1+lnuI2指数电路uO=uI1uI2同理：除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相除所得的商，即：I2I1Ouuu求对数，得：I2I1I2I1Olnlnlnlnuuuuu再求指数，得：I2I1lnlnOeuuu所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即可得到除法电路的方块图：对数电路对数电路uI1uI2lnuI1lnuI2减法电路lnuI1-lnuI2指数电路I2I1Ouuu模拟乘法器及其在运算电路