電工與電子技術(shù)集成運算放大器課件

1、電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2)2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期第第16章集成運算放大器章集成運算放大器授課老師：蒙自明（物理與光電工程學(xué)院）Email: Code:cheliang10電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期集成運算放大器是一種具有很高放大

2、倍數(shù)的集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直多級直接耦合接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。模擬集成電路。集成電路（集成電路（Integrated Circuit,簡稱簡稱IC） 是把整是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個不可分的整體。組成一個不可分的整體。：體積小、重量輕、功耗低、可體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。靠性高、價格低。按集成度按集成度按導(dǎo)電類型按導(dǎo)電類型按功能按功能小、中、大和超大規(guī)模小、中、大和超大規(guī)模

3、雙、單極型和兩種兼容雙、單極型和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期各類型各類型號集成號集成芯片芯片 1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對稱性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；源代替，電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感容、電感 和變壓器均需外接；和變壓器均需外接； 4. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。電路的簡單說明電路

4、的簡單說明輸入級輸入級 中間級中間級 輸出級輸出級偏置偏置電路電路運算放大器方框圖運算放大器方框圖輸入級：輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器 。中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 偏置電路偏置電路: 由鏡像恒流源等電路組成，決定靜態(tài)工作點由鏡像恒流源等電路組成，決定靜態(tài)工作點輸出級：輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強，一般由互補對稱電路或射極

5、輸出器構(gòu)成。能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。運算放大器的管腳和符號運算放大器的管腳和符號反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端+UCCUEEuo+uu +Auo信號傳信號傳輸方向輸方向輸出端輸出端實際運放開環(huán)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a) 符號符號; (b)引腳引腳8 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC輸出輸出電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期 15VI3430PfR815VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IR

6、R5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的內(nèi)部電路圖的內(nèi)部電路圖 主要參數(shù)主要參數(shù) 1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。 2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放運放沒有接反饋電路時沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。 6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放

7、所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。 3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)A (2) 2012-2013學(xué)年第學(xué)年第1學(xué)期學(xué)期RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+esRB+UCCC1C2RRLui+uo+RS(b) 帶反饋帶反饋(a)不帶反饋不帶反饋AoXiX電子電路方框圖電子電路方框圖+fXiXAoXfidXXX 凈輸入信號凈輸入信號dX 反饋信號反饋信號fX 輸出信號輸出信號oX凈

8、輸入信號：凈輸入信號：FiXdX反饋電路反饋電路比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 輸入信號輸入信號iX基本放大電路基本放大電路 若若三者同相，則三者同相，則Xd = Xi - Xf , 即即Xd Xi ，即反饋信號起了增強凈輸入信號的，即反饋信號起了增強凈輸入信號的作用則為正反饋。作用則為正反饋。1. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 2. 差模輸入電阻差模輸入電阻3. 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于實際運算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，由于實際運算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化，為此，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化，為此，后面對

9、運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器及其分析依據(jù) ouA idr0or CMRRK 在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的想的運算放大器。理想化的主要條件：運算放大器。理想化的主要條件：線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)飽和飽和(非線性非線性)區(qū)：區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0時，時，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然

10、，電路能使低于 0的的信號順利通過，衰減很小，信號順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號不易通過，的信號不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低通階有源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時信號衰減得時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時

11、輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。 1. 輸出只有兩種可能輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 當(dāng)當(dāng) u+ u 時，時， uo = + Uo (sat) u+ u 時，時， uo = Uo (sat) 不存在不存在 “虛短虛短”現(xiàn)象現(xiàn)象 2. i+

12、= i 0 仍存在仍存在“虛斷虛斷”現(xiàn)象現(xiàn)象uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)飽和區(qū)電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2URuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat) 16.6 集

13、成運放的用途廣泛，在使用前必須進行測試，集成運放的用途廣泛，在使用前必須進行測試，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和極限參數(shù)符合電路要求，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和極限參數(shù)符合電路要求，同時還應(yīng)注意以下問題。同時還應(yīng)注意以下問題。 3. 調(diào)零調(diào)零 為了提高集成運放的精度為了提高集成運放的精度,消除因失調(diào)電壓和失調(diào)消除因失調(diào)電壓和失調(diào)電流引起的誤差電流引起的誤差,需要對集成運放進行調(diào)需要對集成運放進行調(diào)零。零。 集成運放的調(diào)零電路有兩類，一類是內(nèi)調(diào)零，集集成運放的調(diào)零電路有兩類，一類是內(nèi)調(diào)零，集成運放設(shè)有外接調(diào)零電路的引線端成運放設(shè)有外接調(diào)零電路的引線端, 按說明書連接即按說明書連接即可，如常用的可，如常用的

14、741，其中電位器，其中電位器RP可選擇可選擇10k的的電位器電位器, 如圖所示。如圖所示。1. 選用元件選用元件2. 消振消振3. 調(diào)零調(diào)零 (1)輸入端保護輸入端保護 當(dāng)輸入端所加的電壓過高時會損壞集成運放，可在當(dāng)輸入端所加的電壓過高時會損壞集成運放，可在輸入端加入兩個反向并聯(lián)的二極管，如圖所示，將輸輸入端加入兩個反向并聯(lián)的二極管，如圖所示，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以內(nèi)。入電壓限制在二極管的正向壓降以內(nèi)。4. 保護保護 A741的調(diào)零電路的調(diào)零電路RPVui20k 20k uO10k (1)輸入端保護輸入端保護 輸入端保護輸入端保護 ui1uORRui2 (2)輸出端保護輸出端保護 為了防止輸出電壓過大為了防止輸出電壓過大,可利用穩(wěn)壓管來保護，如圖可利用穩(wěn)壓管來保護，如圖所示，將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，就可將輸出電壓限制所示，將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，就可將輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值在