电工与电子技术基础第07章集成运算放大器

第7章集成运算放大器主讲教师：刘洪臣远程教育学院2§7.1集成运算放大器的简单介绍运算放大器简称运放是一种用集成电路工艺制成的多端元件。集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件固体器件优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合分类:模拟集成电路、数字集成电路、小、中、大、超大规模集成电路3集成电路中元器件的特点1.单个的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致2.元器件相互离得很近,温度特性较一致3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造4.电感难于制造,电容一般不超过200pF,大电容不易制造§7.1集成运算放大器的简单介绍41、运放构成输入级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。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。输入级中间级偏置电路输出级输入端输出端§7.1集成运算放大器的简单介绍5电路的简单说明输入级中间级输出级-UEE+UCCuou－反相端u＋同相端T3T4T5T1T2IS§7.1集成运算放大器的简单介绍6－15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的内部电路图§7.1集成运算放大器的简单介绍7Pin1,Pin5:调零端。Pin2:反相输入端。Pin3:同相输入端。Pin4:负电源接入端。Pin6:电压输出端。Pin7:正电源接入端。Pin8:未用。运放管脚功能介绍运算放大器F007的封装图和管角符号§7.1集成运算放大器的简单介绍82、实际运放的输入输出特性：Vcc−Vccduou注：运放的开环增益非常大，一个微小的输入电压就足以使运放工作到饱和区。因此，为使运放工作在线性区，必须引入负反馈。开环电压放大倍数高(104-107)；输入电阻高（约几百KΩ）；输出电阻低（约几百Ω）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低。u-uo_+Δ+∞u+§7.1集成运算放大器的简单介绍运算放大器的电路符号9(3)开环输出电阻ro→0(2)差模输入电阻rid→∞(4)共模抑制比KCMRR→∞3、理想运放及其分析依据理想化条件：(1)开环电压放大倍数Auo→∞o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+-u-线性区饱和区饱和区4、运算放大器线性应用时的分析依据(1)因为输入电阻为无穷大，所以输入电流电流为零，相当于开路，所以此性质称为虚断。diduiir−+==0=0,0ii−+==即§7.1集成运算放大器的简单介绍10(2)因为开环增益为无穷大，所以输入电压电压相等，相当于短路，所以此性质称为虚短。oduouuuuA+−=−=0=uu+−=即55、理想运放工作在饱和区的特点、理想运放工作在饱和区的特点(1)(1)输出只有两种可能输出只有两种可能,+,+UUo(sato(sat))或或––UUo(sato(sat))(2)(2)ii++=i=i––≈≈00,,仍存在仍存在““虚断虚断””现象现象当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在不存在““虚短虚短””现象现象§7.1集成运算放大器的简单介绍116、运算放大器的主要参数：(1)昀大输出电压UOPP—能使输出电压与输入电压保持不失真关系的昀大输出电压。(2)开环电压放大倍数Auo—没有外接反馈时所测出的差模电压放大倍数。(3)输入失调电压Uio—为使输出等于零而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来完成，如前所述）(4)输入失调电流Iio—当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零点零几微安级。§7.1集成运算放大器的简单介绍12(5)输入偏置电流IiB—当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流的平均值，其值愈小愈好。一般在零点几微安级。(6)昀大共模输入电压UiCM—运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就大为下降，甚至造成器件损坏。§7.1集成运算放大器的简单介绍13运放能完成信号的代数运算有：比例、加减、积分与微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用叠加原理。在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：如何保证运放工作在线性区?我们知道：Auo→∞，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以——解决之道是：在电路中引入深度负反馈。§7.2运放在信号运算方面的应用1411、、反相比例运算反相比例运算i110uiR−=ofF0uiR−=所以，i+=i–=0，(1)电路组成(2)电压放大倍数Foi1RuuR=−oFfi1uuRAuR==−i1≈if因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF∞iu+−1R2RFRiifiou+−根据输入端口电流为零的特性根据输入端口电压为零的特性§7.2运放在信号运算方面的应用15当1fRR=时，oiuu=−结论：(1)Auf为负值，即uo与ui极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。(3)|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。(4)反馈类型：深度并联电压负反馈(5)电路阻抗特征：输入电阻不高，输出电阻很电路被称为反向器低。§7.2运放在信号运算方面的应用16例7.2.1:电路如下图所示，已知R1=10kΩ，RF=40kΩ。求:1.Auf、R2；2.若R1不变,要求Auf为–8,则RF、R2应为多少？解：1.Auf=–RF⁄R1=–40⁄10=–4R2=R1⁄⁄RF=10×40⁄(10+40)=8kΩ2.因Auf=–RF/R1=–RF⁄10=–8故得RF=–Auf×R1=–(–8)×10=80kΩR2=10×80⁄(10+80)=8.9kΩ∞iu+−1R2RFRiifiou+−§7.2运放在信号运算方面的应用172、同相输入比例运算Foi1(1)RuuR=+(1)电路组成(2)电压放大倍数oFfi11uuRAuR==+因要求静态时u+、u−对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF∞1R2RFRiifiou+−iu+−输入电压加在运放的同相输入端，而在反相输入端引入负反馈根据虚短和KVLoffiuRiu=+1i1/iuR=根据虚断f1ii=§7.2运放在信号运算方面的应用18oiuu+=−iu0i+=若令Rf=0，R1=∞，此时电路变为电压跟随器。在电路中起隔离作用U1R2R2ULR如：图中由R1和R2构成的分压电路中，开路电压2oc112RUURR=+2ocUU接负载电阻RL后§7.2运放在信号运算方面的应用19U1R2R2ULRoU如果通过电压跟随器接入负载电阻RL，由于运算放大器输入电阻趋于∞，则22oc112RUUURR==+即负载电阻的作用被隔离了，因此，电压跟随器在实际电路中起隔离作用此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。§7.2运放在信号运算方面的应用20负载电流的大小与负负载电流的大小与负载无关。载无关。L11uiiR−==−例例7.2.2:7.2.2:负载浮地的电压负载浮地的电压--电流的转换电路电流的转换电路(1)(1)能测量较小的电压；能测量较小的电压；(2)(2)输入电阻高，对被测电输入电阻高，对被测电路影响小。路影响小。流过电流表的电流流过电流表的电流xG1uiR=i1uR=−∞1R2RLRiifiiu+−∞1R2RLRiiGiXu+−§7.2运放在信号运算方面的应用21例例7.2.3:7.2.3:图示电路，求图示电路，求uuoo∞1R2Ri1u∞i2u∞3R4Rouo1uo2u1R2R∞3R4Rouo1uo2u§7.2运放在信号运算方面的应用22o1o2n1123412111()uuURRRRRR++=++o1o212n11234111()uuRRURRRR+=+++4n1o34RUuRR=+1R2R3R4Ro1uo2uou+−§7.2运放在信号运算方面的应用233、反相加法器i13ui3uo∞++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路0uu+−≈=111213fiiii++=FFF012i3111213()iiRRRuuuuRRR=−++i11111uiR=i31313uiR=i21212uiR=offuiR=−当()foi1i2i31RuuuuR=−++1fRR=()foi1i2i31RuuuuR=−++1112131RRRR===当§7.2运放在信号运算方面的应用244、减法器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i1o-i111i111FuuuuiRuRRR−=−=−+3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR=+−+i2323uuRRR+=+123FRRRR==,oFuf1i2i1uRARuu==−当1FRR=当oi2i1uuu=−Foi2i11()RuuuR=−§7.2运放在信号运算方面的应用25方法2：利用叠加原理求解Fo13Fi2123(1)(1)RuuRRRuRRR+′′=+=++Foi11RuuR′=−3FFoooi2i11231(1)RRRuuuuuRRRR′′′=+=+−+ui1uo∞++-R3R2RFi1R1减法电路ifui2减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。§7.2运放在信号运算方面的应用265、积分运算ocfiF1F11uuidtudtCRC=−=−=−∫∫0u−≈ui1uo∞++-R2CFi1R1积分电路ifuci1f1uiiR==当输入信号为阶跃电压时，uiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot将反相比例运算电路中的反馈元件RF用电容CF代替，就成为积分电路io1FuutRC=−o(sat)1Fi0UtRCU±≤≤§7.2运放在信号运算方面的应用27应用举例1：tuo0(1)输入方波，输出是三角波。(2)如果输入是正弦波，输出波形怎样?ocfiF1F11uuidtudtCRC=−=−=−∫∫iutout§7.2运放在信号运算方面的应用28应用举例2：将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。电路的输出电压F11F1(d)RiitC=−+∫Fii11F1(d)RuutRRC=−+∫oFf()CuRiu=−+这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,满足控制系统要求。ui1uo∞++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF§7.2运放在信号运算方面的应用296、微分运算ui1uo∞++-R2C1i1微分电路ifucRF微分运算是积分的逆运算，ci111dddduuiCCtt==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)iofF1FF1dduuiRiRRCt=−=−=−uootuiUot即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比§7.2运放在信号运算方面的应用30上图是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）。oFfuRi=−fRCiii=+ii11dduuCRt=+FioiF11d()dRuuuRCRt=−+应用举例：uiuo∞++-R2C1iciRRFR1§7.2