第 5 章 集成运算放大器

第5章集成运算放大器本章学习目标5.1直接耦合放大器5.2集成运算放大器本章小结本章学习目标1.了解直耦放大器中的两个特殊问题，理解零点漂移的含义及产生的主要原因。理解差分放大电路的组成及特点，清楚其抑制零漂的原理。2.掌握使用差分放大电路双端输入、双端输出时差模放大倍数的计算方法，理解共模放大倍数和共模抑制比的概念；理解射极电阻、射极电源的作用。3.熟悉集成运算放大器的外形和符号，理解集成运算放大器的参数。4.掌握集成运算放大器的理想特性，理解虚断、虚短的概念，会分析由集成运放构成的运算应用电路，了解集成运放的使用常识。5.1直接耦合放大器5.1.1直耦放大器的两个特殊问题5.1.2直耦放大器的级间电位调节电路5.1.3差分放大器直接耦合放大器：放大器与信号源、负载以及放大器之间采用导线或电阻直接连接。特点：低频响应好。可以放大频率等于零的直流信号或变化缓慢的交流信号。5.1.1直耦放大器的两个特殊问题一、前后级的电位配合问题简单的直接耦合电路由于VC1=VBE2，而VBE2很小，使V1的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。二、零点漂移问题零点漂移：在输入端短路时，输出电压偏离起始值，简称零漂。产生零漂的原因：电源电压波动、管子参数随环境温度变化。其中，温度变化是主要因素。零漂的危害：在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。5.1.2直耦放大器的级间电位调节电路用发射极电阻调节电位在V2的发射极接一个电阻R2e，这样VCE1=VBE2+IE2R2eVBE2，增大了V1管的工作范围。适当调节R2e值，可使前后级静态直流电位设置合理。为减小R2e对放大倍数的影响，采用稳压管代之。5.1.3差分放大器电路如图所示。一、电路特点特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等；信号为双端输入、双端输出方式。输入电压vI经R1、R2分压为相等的vI1和vI2分别加到两管的基极(双端输入)，输出电压等于两管输出电压之差，即vO=vO1–vO2(双端输出)。二、抑制零漂原理设输入电压vI=0，因电路完全对称，则ic1=ic2，vO1=vO2，vO=vO1–vO2=0当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，使vO1=vO2，输出电压vO=vO1–vO2=0。可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。三、放大倍数1．差模放大倍数AVD差模信号：大小相等而极性相反的两个信号。差模输入方式：两管输入信号为差模信号。当vI0时，vI=-v=vI/2，放大器为差模输入。vO1=-vO2，放大器双端输出电压vO=vO1–vO2=vO-(-vO1)=2vO1。差分放大器的差模输入方式差分放大器的差模输入方式设单管放大器的放大倍数为AV1、AV2，且AV1=AV2，于是差模放大倍数为AVD=AV1=AV21I1O1I1O1IOD22VVAvvvvvvA即可见，双端输入、双端输出差放电路的差模放大倍数等于单管放大器的放大倍数。差分放大器的差模输入方式2.共模放大倍数AVC共模信号：大小相等、极性相同的两信号。共模输入方式：两管输入信号为共模信号。两管的输入信号vI1=vI2=vI，放大器为共模输入，因电路对称，vO1=vO2。其双端输出电压vO=vO1-vO2=0。即共模放大倍数00IIOCvvvAV可见，共模输入、双端输出差放电路的共模放大倍数等于零。即对共模信号进行了拟制。四、共模抑制比KCMRCDCMRVVAAK共模抑制比KCMR：衡量差分放大器放大差模信号及抑制共模信号的能力。共模抑制比KCMR越大，差分放大器的性能越好。[例5.1.1]设单管放大器的放大倍数，AV1=AV2=-20。试求：(1)差分放大器的差模放大倍数AVD？(2)若已知差分放大器共模放大倍数AVC=0.02，求共模抑制比KCMR=?解：(1)2021D-VVVAAA(2)000102.020CDCMR-VVAAK差分放大器的共模输入方式五、RP、Re、GE在电路中的作用RP——调零电位器。作用是克服电路非对称性。当Vi=0时调节RP，使vo=0。Re——公共射极电阻。作用是引入共模负反馈。对共模信号有负反馈作用，对差模信号相当于短路。GE——辅助电源。作用是克服Re对VCEQ的影响，防止输出动态范围减小。差分放大器的共模输入方式六具有恒流源的差动放大电路5.2集成运算放大器5.2.1集成运算放大器的外形和符号5.2.2集成运算放大器的放大倍数和参数5.2.3集成运算放大器的理想特性5.2.4集成运算放大器的应用举例5.2.5集成运放使用常识集成电路：把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件。集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等。集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的线性集成电路。5.2.1集成运算放大器的外形和符号1．集成电路的外形：国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。2．集成运放的型号国家标准(GB3430/T—1989)规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。3．集成运放的电路组成4．集成运放的管脚顺序及功能国产第二代集成运放CF741接线如图所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：CF741外接线图为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)接负电源(-9~-18)V为输出端接正电源(+9~+18)V为空脚脚1、4、5外接调零电位器国产第一代集成运放F004接线如图所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(+15)V，脚4接负电源(-15)V，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300k电阻及RP、CP的作用是消除自激，可通过调试决定数值。不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。F004外接线图5．集成运放的图形符号图(a)是国家新标准(GB/T4728·13—1996)规定的符号；图(b)是曾用过的符号。画电路时，通常只画出输入和输出端，输入端标“+”号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。5.2.2集成运算放大器的放大倍数和参数一、两种放大倍数1．开环放大倍数AVOIOABOOvvvvvAV-开环放大倍数AVO：无反馈时集成运放的放大倍数。2．闭环放大倍数AVF闭环放大倍数AVF：有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。4．开环电压放大倍数AVO电路开环情况下，输出电压与输入差模电压之比。AVO越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的AVO可达105倍。5．开环输入阻抗ri指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。ri越大，运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。6．开环输出阻抗ro电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。ro越小，运放性能越好。一般在几百欧左右。7．共模抑制比KCMR电路开环情况下，差模放大倍数AVD与共模放大倍数AVC之比。KCMR越大，运放性能越好。一般在80dB以上。8．输出电压峰-峰值VOPP放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。9．静态功耗PD电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。10．开环频宽BW开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3dB所对应的频宽。以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。三、集成运放产品分类简介1．通用型通用型集成运放的特点是：最大差模输入电压和最大共模输入电压大；输出有短路保护功能；电源电压适用范围宽；不需外接补偿电容。如性能较好的CF741等。2．特殊型特殊型集成运放的特点是突出某项性能指标。如：(1)高输入阻抗型差模输入电阻不小于109。(2)高精度型VIO/T小于2V/C。(3)宽带型增益带宽大。(4)低功耗型当电源电压15V时，最大功耗不大于6mW。(5)高速型转换速率大于30Vµs。(6)高压型输出电压较高。5.2.3集成运算放大器的理想特性集成运放的理想特性为：1．输入信号为零时，输出端应恒定为零；2．输入阻抗ri=∞；3．输出阻抗ro=0；4．频带宽度BW应从0→∞；5．开环电压放大倍数AVO=∞。在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。5.2.4集成运算放大器的应用举例一、数学运算方面的应用举例1．简单的比例运算功能(1)反向输入比例运算电路是电压并联负反馈放大电路。根据运放“理想特性”，ri=，|AVO|=，而vo又是有限值，则0OOAVAvviI=0，所以i1=iF故反相输入比例运放的闭环放大倍数1f11FfIOFRRiRiRvvAV--I1fOvRRv-输出电压结论：反相输入比例运算电路的闭环放大倍数与AVO无关，只取决于Rf与R1的比值；与开环放大倍数AVO无关；输出电压与输入电压成反比例关系。由于vA0，即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把A端称为“虚地”。(2)同相输入比例运算电路是电压串联负反馈放大电路。根据运放“理想特性”，ri=，|AVO|=，而vo又是有限值，得0DOAB-VAvvv，iI0因此，输入电压vi=vB=vA其中Of11AvRRRvvi=vB=vA故同相输入比例运放的闭环放大倍数1f1f1AOIOD1RRRRRvvvvAV输出电压I1fO1vRRv结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与AVO无关，只取决于Rf与R1的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。2．减法比例运算电路R1=R2，R3=RffOAFRvvi-1AI11Rvvi-由图可知，因为iI=0，则i1=iF，于是fOA1AI1RvvRvv--f11OfI1ARRRvRvv整理得I2323BvRRRv而因vA=vB，故232311IfOfI1vRRRRRRvRv)(I1I21fOvvRRv-由于R1=R2,R3=R4得结论，输出电压正比于两个输入电压之差。如果Rf=R1,则vO=vI2–vI1故电路又称为减法器。3.加法比例运算电路f3214//////RRRRR由运放理想特性知iI0，因而iF=i1+i2+i3。由于A点为“虚地”，因此3I32I21I1fORvRvRvRv--33I22I1I1fORvRvRvRv整理可得若取R1=R2=R3=R4，上式简化为)(I3I2I1fOvvvRRv-结论：电路的输出电压正比于各输入电压之和。如果Rf=R，则vO=-(vI1+vI2+vI3)故电路称为“加法器”。4.积分运算电路5.比例积分运算电路[例5.2.1]计算各电路的阻值并连接集成运放电路图，使它满足vi与vO之间的下列运算关系：；)(201I1I2O-vvv102I3I2I1O-vvvv)(解(1)由vO=vI1=vI2可知Rf/R1=20。所以只要按减法比例运算电路连接，其中，R1=R2，R3=Rf且Rf=20R1即符合要求。(2)同理，用加法比例电路接线，使Rf=10