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文檔簡介
差動放大電路及集成運算放大器
第三章差動放大電路及集成運算放大器3.1差動放大電路
3.2負反饋放大電路3.3集成運算放大器及其應(yīng)用
差動放大電路及集成運算放大器3.3集成運算放大器及其應(yīng)用集成電路的英文縮寫為IC。它是利用先進的工藝技術(shù),將各種電子元器件構(gòu)成的功能電路,制造在一塊很小的半導(dǎo)體芯片上而形成的微型電子器件。該技術(shù)誕生于二十世紀(jì)六十年代初,是電子技術(shù)的重要突破。分為線性集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。線性集成電路主要有集成運算放大器、集成功率放大器和集成穩(wěn)壓器等。
差動放大電路及集成運算放大器集成運算放大器簡稱為運放,是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種線性集成電路,它是直接耦合的高倍放大器,它具有高的電壓增益,高的輸入電阻和低的輸出電阻,內(nèi)部電路采用直接耦合的方式,能放大直流電壓和較高頻率范圍的交流電壓。早期的應(yīng)用主要是模擬數(shù)值運算,故稱運算放大器。集成運放種類較多,內(nèi)部電路各有特點,但總體結(jié)構(gòu)大致相同。如圖3-13是運放的電路組成框圖??驁D共分三部分:
差動輸入級電壓放大級輸出級偏置電路同相輸入端反相輸入端輸出端
圖3-13集成運放內(nèi)部組成電路框圖
差動放大電路及集成運算放大器第一部分為差動輸入級。該級主要任務(wù)是提高輸入電阻和提高共模抑制比,對集成運算放大器的質(zhì)量起關(guān)鍵作用。
第二部分為中間放大級,采用共射放大電路.主要任務(wù)是產(chǎn)生足夠大的電壓放大倍數(shù),因此它也應(yīng)具有較高的輸入電阻。放大管一般由復(fù)合管組成,并采取措施提高集電極負載電阻。如采用恒流源代替Rc,一般的中間放大級的電壓增益可達到60dB以上。第三部分為輸出級。其主要任務(wù)是輸出足夠大的電流,能提高帶負載能力。所以該級應(yīng)具有很低的輸出電阻和很高的輸入電阻,一般采用射極輸出器的方式。
差動放大電路及集成運算放大器3.3.2外形與符號集成運放的外形有圓形、扁平形和雙列直插式三種,如圖3-14所示。(a)圖為圓形,(b)圖為扁平形,(c)圖為雙列直插式。目前常用的雙列直插式型號有μA741(8端)、LM324(14端)等,采用陶瓷或塑料封裝。
圖3-14集成運放外形差動放大電路及集成運算放大器常用集成運算放大器μA741與LM324的外引線端子排列圖如圖3-15所示。其端子排列為:從正面看,帶半圓形或其它形的標(biāo)識端向左,則左下角的端子為1號端子,然后逆時針依次排號,左上角的端子為最后一個,連接電路時注意不能接錯。
圖3-15μA741與LM324的外引線排列圖差動放大電路及集成運算放大器集成運放的符號如圖3-16所示,有用方框式的(a),也有用三角形的(b),本書以方框形為例。集成運放有兩個輸入端,“-”端叫反相輸入端,“+”端叫同相輸入端,輸出端的電壓與反相輸入端反相,與同相輸入端同相。圖中的運放工作在線性狀態(tài)時,輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為:uo=Auo(ui2-ui1)。
圖3-16集成運放符號差動放大電路及集成運算放大器3.3.3集成運算放大器的主要參數(shù)
在實用中,正確合理地選擇使用集成運算放大器是非常重要的。因此必須要熟悉它的特性和參數(shù),這里只對集成運放的主要常用參數(shù)作簡單介紹。
3.3.3.1最大差模輸入電壓Uidmax
該參數(shù)表示運放兩個輸入端之間所能承受的最大差模電壓值,輸入電壓超過該值時,差動放大電路的對管中某側(cè)的三極管發(fā)射結(jié)會出現(xiàn)反向擊穿,損壞運放電路。運放μA741的最大差模輸入電壓為30V。
差動放大電路及集成運算放大器3.3.3.2最大共模輸入電壓Uicmax
這是指運算放大器輸入端能承受的最大共模輸入電壓。當(dāng)運放輸入端所加的共模電壓超過一定幅度時,放大管將退出放大區(qū),使運放失去差模放大的能力,共模抑制比明顯下降。運放μA741在電源電壓為±15V時,輸入共模電壓應(yīng)在±13V以內(nèi)。
3.3.3.3開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)(也叫電壓增益)Aud
開環(huán)是指運放未加反饋回路時的狀態(tài),開環(huán)狀態(tài)下的差模電壓增益叫開環(huán)差模電壓增益Aud。Aud=uod/uid。用分貝表示則是20lg|Aud|(dB)。高增益的運算放大器的Aud可達140dB以上,即一千萬倍以上。理想運放的Aud為無窮大。
差動放大電路及集成運算放大器3.3.3.4差模輸入電阻rid
是指運放在輸入差模信號時的輸入電阻。對信號源來說,差模輸入電阻rid的值越大,對其影響越小。理想運放的rid
為無窮大。
3.3.3.5開環(huán)輸出電阻ro
運放在開環(huán)狀態(tài)且負載開路時的輸出電阻。其數(shù)值越小,帶負載的能力越強。理想運放的ro=0。
差動放大電路及集成運算放大器3.3.3.6共模抑制比KCMR
,它是運放的差模電壓增益與共模電壓增益之比的絕對值,也常用分貝值表示。KCMR的值越大表示運放對共模信號的抑制能力越強。理想運放的KCMR為無窮大。3.3.3.6最大輸出電壓UOPP
運算放大器輸出的最大不失真電壓的峰值叫最大輸出電壓。一般情況下該值略小于電源電壓。集成運放的種類很多,這里僅將集成運放μA741的參數(shù)列入表3-1中,以便參考。集成運放除通用型外,還有高輸入阻抗、低漂移、低功耗、高速、高壓和大功率等專用型集成運放。它們各有特點。因而也就各有其用途。差動放大電路及集成運算放大器參數(shù)名稱參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位輸入失調(diào)電壓UIO
R
S≤10KΩ1.05.0mV輸入失調(diào)電流IIO
20200nA輸入偏置電流IIB
80500nA差模輸入電阻rid
0.32.0MΩ輸入電容Ci1.4PF輸入失調(diào)電壓調(diào)整范圍UIOR
±15mV差模電壓增益AudRL≥2KΩ,U0≥±10V50000200000V/V輸出電阻ro
75Ω輸出短路電流IOS
25mA電源電流IS
1.72.8mA功耗PC
5085mW瞬態(tài)響應(yīng)(單位增益)上升時間tτ
Ui=20mv;RL=2KΩ,CL≤100PF0.3μS過沖K(V)5.0%轉(zhuǎn)換速率SR
RL≥2KΩ0.5V/μs表3-1集成運放μA741在常溫下的電參數(shù)表(電源電壓±15V,溫度25℃)差動放大電路及集成運算放大器3.3.4基本運算電路
基本運算放大電路主要有:比例運算、加法減法運算、乘除運算、積分運算、微分運算及對數(shù)反對數(shù)運算電路等,這里只介紹比例運算電路、加減運算電路和積分微分電路。在介紹集成運算電路的基本應(yīng)用之前,先介紹一下理想運算放大器的有關(guān)知識。3.3.4.1理想運算放大器在分析運算放大器時,常將它看著一個理想運算放大器。
差動放大電路及集成運算放大器理想運算放大器的條件是:開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0→∞;
差模輸入電阻rid→∞;
開環(huán)輸出電阻ro→0;
共模抑制比KCMR→∞。
圖3-17理想運算放大器的圖形符號差動放大電路及集成運算放大器由于實際的運算放大電路的技術(shù)指標(biāo)接近理想運算放大器,因此,在分析實際運算放大器時,常將它看成是理想的。圖3-17為理想運算放大器的圖形符號,它有兩個輸入端和一個輸出端,反相輸入端標(biāo)有“-”號,同相輸入端和輸出端標(biāo)有“+”號。它們的對地電壓分別為“u-”、“u+”和“uo”?!啊蕖北硎鹃_環(huán)放大倍數(shù)。表示輸入電壓和輸出電壓之間關(guān)系的特性曲線稱為傳輸特性。如圖3-18所示,圖中虛線表示實際傳輸特性,從傳輸特性看,可分為線性區(qū)和飽和區(qū)。運算放大器可工作在線性區(qū),也可工作在飽和區(qū),但分析方法不同。
差動放大電路及集成運算放大器當(dāng)它工作在線性區(qū)時,uo和(u+-u-)是線性關(guān)系,即
uo=Au0(u+-u-)
這時運算放大器是一個線性元件。由于它的放大倍數(shù)很高,即使輸入電壓為毫伏級,也足以使電路飽和,其飽和電壓值為+Uo(sat)或-Uo(sat),接近電源電壓。
圖3-18運算放大器的傳輸特性差動放大電路及集成運算放大器運算放大器工作在線性區(qū)時,分析依據(jù)有兩條:(1)由于運算放大器的差模輸入電阻rid→∞,故可認為兩個輸入端的輸入電流為零。即這種由于集成電路內(nèi)部輸入電阻無窮大而使輸入電流幾乎為零的現(xiàn)象稱之為“虛斷”。(2)由于運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0→∞,而輸出電壓是一有限數(shù)值,故:
差動放大電路及集成運算放大器即由于集成開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大,與其放大時的輸出電壓相比,同、反相的輸入電壓差值可以忽略不計,同、反相輸入電壓幾乎相等,我們稱這種現(xiàn)象為“虛短”?!疤摂唷焙汀疤摱獭痹诩蛇\算放大電路分析中很有用的概念。運算放大器工作在飽和區(qū)時,輸出電壓不能用uo=Au0(u+-u-)計算,輸出電壓只有兩種可能,即+Uo(set)或-Uo(sat)。當(dāng)u+>u-時,uo=+Uo(sat);當(dāng)u+<u-時,uo=-Uo(sat)。
差動放大電路及集成運算放大器3.3.4.2比例運算電路(1)反相比例運算電路當(dāng)輸入信號從反相輸入端輸入時,輸出信號與輸入信號相位相反,這樣比例運算電路就構(gòu)成了反相比例運算電路。如圖3-19,同相輸入端通過電阻R2接地,輸入信號ui通過R1送到反相輸入端,輸出端與反相輸入端間跨接反饋電阻RF。根據(jù)集成運算電路的“虛斷”和“虛短”可得:
差動放大電路及集成運算放大器由圖3-38可得:
由此得出:該電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為:圖3-19反相比例運算電路差動放大電路及集成運算放大器上式表明,電路的電壓放大倍數(shù)只與外圍電阻有關(guān),而與運放電路本身無關(guān),這就保證了放大電路放大倍數(shù)的精確和穩(wěn)定。當(dāng)RF無窮大(開環(huán))時,放大倍數(shù)也為無窮大。式中的“-”號表示輸出電壓的相位與輸入電壓的相位相反。
圖中的R2為平衡電阻,R2=R1//RF,其作用是消除靜態(tài)電流對輸出電壓的影響。
該電路的反饋類型為并聯(lián)電壓負反饋。
差動放大電路及集成運算放大器例3-1.在圖3-19中,
R1=10kΩ,RF=50kΩ,求Auf和R2;若輸入電壓ui=1.5V,則uo為多大?解:將數(shù)據(jù)代入上面的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)公式得:
當(dāng)R1=RF時,Auf=1,電路為反相器。差動放大電路及集成運算放大器(2)同相比例運算電路如果輸入信號從同相輸入端引入,運放電路就成了同相比例運算放大電路。如圖3-20所示。根據(jù)理想運算放大器的特性:得:
因而:差動放大電路及集成運算放大器圖3-20同相比例運算電路圖3-21電壓跟隨器差動放大電路及集成運算放大器可見,輸出電壓與輸入電壓之間的比例關(guān)系與運算放大器本身無關(guān)。同相輸入比例運算放大電路的電壓放大倍數(shù)Auf≥1;
同相比例電路中,當(dāng)R1=∞或RF=0時,電路的電壓放大倍數(shù)為1,這時就成了電壓跟隨器,如圖3-21所示。其輸入電阻為無窮大,對信號源幾乎無任何影響。輸出電阻為零,為一理想恒壓源,所以帶負載能力特別強。它比射極輸出器的跟隨效果好得多,可以作為各種電路的輸入級、中間級和緩沖級等。
該電路的反饋類型為串聯(lián)電壓負反饋。
差動放大電路及集成運算放大器3.3.4.3反相加法器
如果在反相輸入比例運算電路的輸入端增加若干輸入支路,就構(gòu)成反相加法運算電路,也稱求和電路,如圖3-22所示。
圖3-22反相加法運算電路差動放大電路及集成運算放大器根據(jù)“虛短”和“虛斷”概念,由圖可列出:
;;;;由上列各式可得:當(dāng)R11=R12=R13=R1時,上式為:差動放大電路及集成運算放大器當(dāng)R1=RF時,則:
由此看出:加法運算電路也與運算放大電路本身的參數(shù)無關(guān),只要電阻值足夠精確,就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性。另外,反相加法電路中無共模輸入信號(即u+=u-=0),抗干擾能力強,因此應(yīng)用廣泛。平衡電阻R2
的取值:差動放大電路及集成運算放大器3.3.4.4同相加法運算
同相輸入加法電路如圖3-23所示,輸入信號加到同相端。
圖3-23同相加法運算電路
差動放大電路及集成運算放大器由集成運放的“虛斷”(i-=0)可得:
即:令R=R3//R21//R22//R23,上式為:又根據(jù)“虛短”(u+=u-)可得:差動放大電路及集成運算放大器所以
當(dāng)R21=R22=R23=R3時,上式為:當(dāng)RF=3R1時:可見,同相加法器的輸出和輸入同相,但同相加法電路中存在共模輸入電壓(即u+和u-不等于零),因此不如反向輸入加法器應(yīng)用普遍。差動放大電路及集成運算放大器例3-2如圖3-22,若R11=R12=10kΩ,R13=5kΩ,RF=20kΩ,ui1=1V,ui2=ui3=1.5V,
(1)求輸出電壓uo。
(2)若再設(shè)UCC=±15V,ui3=3V,其它條件不變,再求uo。解:(1)根據(jù)公式得
(2)當(dāng)ui3=3V時,同樣代入上式得uo=-17V,該值已超出UCC=±15V的范圍,運放已處于反向飽和狀態(tài),故uo=-15V。差動放大電路及集成運算放大器3.3.4.5減法運算
如果運算放大器的同、反相輸入端都有信號輸入,就構(gòu)成差動輸入的運算放大電路,如圖3-24所示。它可以實現(xiàn)減法運算功能。
圖3-24減法運算電路差動放大電路及集成運算放大器根據(jù)“慮斷”(即i+=i-=0),由圖可得:
又據(jù)“慮短”概念u-≈u+,故從上列兩式可得:則:差動放大電路及集成運算放大器當(dāng)R1=R2且RF=R3時,上式可化為:
上式表示,輸出電壓uo與兩個輸入電壓的差成正比。當(dāng)RF=R1時,則得:上式表示當(dāng)電阻選得適當(dāng)時,輸出電壓為兩輸入電壓的差。由以上分析可知,當(dāng)R1=R2且RF=R3時,電路的電壓放大倍數(shù)為:差動放大電路及集成運算放大器3.3.4.6積分和微分運算(1)積分電路
圖3-25積分運算電路積分差動放大電路及集成運算放大器在電工學(xué)中我們學(xué)過電容元件上的電壓uC與電容兩端的電荷量q關(guān)系為:C=q/u,即q=Cu,根據(jù)電流的定義,可得電容上的電流為:
iC=,由此得:;。根據(jù)以上關(guān)系,如果在反相比例運算電路中,用電容C代替電阻RF作為反饋元件,就可以構(gòu)成積分電路,如圖3-25(a)所示。由于是反相輸入,且u+=u-=0,所以有:;差動放大電路及集成運算放大器上式表明uo與ui的積分成比例,式中的負號表示兩者相位相反,R1C稱為積分時間常數(shù)。當(dāng)ui為一常數(shù)時,則uo成為一個隨時間t變化的直線,即:所以,當(dāng)ui為方波時,輸出電壓uo應(yīng)為三角波,圖3-26(b)所示。由于輸出電壓與放大電路本身無關(guān),因此,只要電路的電阻和電容取值適當(dāng),就可以得到線性很好的三角波形。差動放大電路及集成運算放大器(2)微分電路
微分運算是積分運算的逆運算,只須將積分電路中輸入端的電阻和反饋電容互換位置即可,如圖3-26所示。
圖3-26微分運算電路差動放大電路及集成運算放大器由圖可列出:
故:即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。所以當(dāng)輸入電壓ui為一條隨時間t變化的直線時,輸出電壓uo將是一個不變的常數(shù)。那么當(dāng)輸入電壓ui為三角波時,輸出電壓uo將是一個矩形波。讀者可自己試試畫出它們的波形。差動放大電路及集成運算放大器3.3.4.7電壓比較器
電壓比較器是集成運算放大電路開環(huán)工作的典型,電路工作在開關(guān)狀態(tài)。電壓比較器的作用是比較輸入端的電壓和參考電壓(門限電壓),根據(jù)同、反相兩輸入端電壓的大小,輸出為兩個極限電平。(1)非零電壓比較器
如圖3-27,UR為參考電壓,ui經(jīng)R1輸入到反相輸入端,由于電路工作在開環(huán)狀態(tài),放大倍數(shù)很大(理想運放電路的放大倍數(shù)為∞),只要同相和反相輸入端有微小的電壓差,電路就會輸出飽和電壓Uo(sat)。即當(dāng)ui<UR時,uo=+Uo(sat),當(dāng)ui>UR時,uo=-Uo(sat)。
差動放大電路及集成運算放大器圖3-27(b)為電壓比較器的輸入輸出傳輸特性,從特性曲線中可以看出,電壓比較器相當(dāng)于一個開關(guān),要么輸出高電平“1”,要么輸出低電平“0”。
圖3-27非零電壓比較器差動放大電路及集成運算放大器(2)過零電壓比較器
當(dāng)參考電壓UR=0時,輸入電壓與零電壓比較,稱為過零比較器,其電路和傳輸特性如圖3-28(a)、(b)所示。若給過零比較器輸入一正弦電壓,電路則輸出方波電壓,如圖3-29所示。
圖3-28過零電壓比較器差動放大電路及集成運算放大器圖3-29輸入輸出電壓波形差動放大電路及集成運算放大器(3)滯回比較器
前面介紹的比較器,抗干擾能力都較差,因為輸入電壓在門限電壓附近稍有波動,就會使輸出電壓誤動,形成干擾信號。采用滯回比較器就可以解決這個問題。
圖3-30滯回比較器差動放大電路及集成運算放大器滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器,將集成運放電路的輸出電壓通過反饋支路送到同相輸入端,形成正反饋,如圖3-30(a),當(dāng)輸入電壓ui逐漸增大或減小時,對應(yīng)門限電壓不同,傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”現(xiàn)象,如圖3-30(b)。兩門限電壓分別為U′+和U′′+,兩者電壓差?U+稱為回差電壓或門限寬度。設(shè)電路開始時輸出高電平+Uo(sat),通過正反饋支路加到同相輸入端的電壓為R2Uo(sat)/(R2+R3),由疊加原理可得,同相輸入端的合成電壓為上限門電壓U′+為:
差動放大電路及集成運算放大器當(dāng)ui逐漸增大并等于U′+時,輸出電壓uo就從+Uo(sat)躍變到-
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