第16章集成運算放大器

1、第第1616章章 集成運算放大器集成運算放大器16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。級直接耦合放大電路。 是把整個電路的各個元件以及相互之是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個不組成一個不可分的整體?？煞值恼w。：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?？啃愿?、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)模雙、單極

2、性和兩種兼容雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬各類型號集成芯片各類型號集成芯片16.1.1 集成運算放大器的特點集成運算放大器的特點 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。16.1.2 電路的簡單說明電路的簡單說明輸入級輸入

3、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，都采用差分放大器擾信號，都采用差分放大器 。 中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。要求電壓放大倍數(shù)高。偏置電路偏置電路: 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成 輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。集成運算放大器的管腳和符號集成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

4、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 LM7411 2 3 4 U-U+-UCC+UCC輸出輸出16.1.3 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP2. 開環(huán)電壓開環(huán)電壓 放大倍數(shù)放大倍數(shù)Auo3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM與電源電壓大小有關(guān)與電源電壓大小有關(guān)開環(huán)開環(huán)-不加反饋不加反饋兩輸入端靜態(tài)電流之

5、差兩輸入端靜態(tài)電流之差兩輸入端靜態(tài)電流平均值兩輸入端靜態(tài)電流平均值能承受多大共模電壓能承受多大共模電壓輸入為零，輸出不為零，輸入為零，輸出不為零，相當(dāng)于多大輸入值相當(dāng)于多大輸入值保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。不加反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。不加反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。越小越好越小越好1. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 2. 開環(huán)輸入電阻開環(huán)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 將運算放大器理想化，可使電路分析大大簡化。將運算放大器理想化，可使電路分析大大簡化。16.1.4 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)

6、 ouA 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。運算放大器。 idr0or CMRRK很大很大很大很大很小很小很大很大1、理想運算放大器、理想運算放大器uo+ u+u 實際運放電壓傳輸特性實際運放電壓傳輸特性)(oo uuAuu輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系曲線輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系曲線uo uuO線性區(qū)線性區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負飽和區(qū)負飽和區(qū) 若若 Auo = 106 UO(sat) = 15 V則則 UIM = 0.015 mV運放要工作在線性區(qū)運放要工作在線性區(qū)必須有負反饋。必須有負反饋。uou+u2、電壓傳輸特性：、電壓

7、傳輸特性： uo= f (ui)理想運放電壓傳輸特性理想運放電壓傳輸特性 若兩輸入端有一端接地或經(jīng)電阻接地，則另一端若兩輸入端有一端接地或經(jīng)電阻接地，則另一端的點位約為零，故稱的點位約為零，故稱 “ “虛地虛地”。0)(oo uAuuu運放工作在線性區(qū)的分析方法運放工作在線性區(qū)的分析方法 相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間短路短路，但又未真正短路，故，但又未真正短路，故稱稱 “虛短虛短” 相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間斷路斷路，但又未真正斷路，故，但又未真正斷路，故稱稱 “ “虛斷虛斷”。特點特點2. id 0 特點特點1. u+ u，而，而 uo 是有限值，是有限值，運放開環(huán)輸入電阻

8、運放開環(huán)輸入電阻 idr ouA由于運放由于運放)(oo uuAuu故從式故從式可知可知uou+uidrid理想運放電壓傳輸特性理想運放電壓傳輸特性uo uuo線性區(qū)線性區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負飽和區(qū)負飽和區(qū) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) ouA uu(sat)oOUu (sat)oOUu 當(dāng)當(dāng) uu時，時， uuuo 發(fā)生躍變發(fā)生躍變理想運放開環(huán)應(yīng)用時理想運放開環(huán)應(yīng)用時 集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器集成運算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和加法、

9、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。除法等運算。 運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。負反饋。16.2.1 比例運算比例運算1 1、反相比例運算電路、反相比例運算電路i1 = iF由由“虛斷虛斷”由由“虛地虛地”1iRRuiFoFRui1FioufRRuuA若若 R= RF 則：則：u0ui 稱為：稱為： 反相器反相器 取取 R2 =R1 / RF為保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。為保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。加平衡電阻加平衡電阻 R2iFR1R2uoRFiiui+u-= u+i1Fo)uRR(1u1FioufRR1uuA當(dāng)當(dāng)R RF

10、F=0=0（R R已無用）已無用）, ,或或 R1=R1=時時i io ou uu u稱為：電壓跟隨器稱為：電壓跟隨器2 2、同相比例運算電路、同相比例運算電路ifR1R2uoRFiiui+由分壓公式：由分壓公式：0F11-)uRRR(u平衡電阻平衡電阻 R2= R1/ RF1iof uuAu由虛短由虛短由虛斷由虛斷iuu 11i1i1Rui FiiRuiiio21f )(i212i111ouRRuRRuFF 16.6.2 加法運算加法運算由上列各式可得由上列各式可得12i2i2Rui )(i2i11ouuRRuF FRRRR/12112 平衡電阻平衡電阻uoifR12R2RFii2ui2+R

11、11ii1ui1+當(dāng)當(dāng)11211RRR 時，時，2. 同相加法運算電路同相加法運算電路方法方法1: 根據(jù)疊加原理根據(jù)疊加原理1i2i1i2iuRRRu ui2單獨作用時單獨作用時 1F o)1( uRRu2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fo)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+

12、u+i2i1i2i2i1i1R1R1RURUui2323uRRRu 16.6.3 減法運算減法運算兩個輸入端都有信號輸入，稱為差分輸入兩個輸入端都有信號輸入，稱為差分輸入因為因為 uu得：得：i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF i1i1iRuu ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+)(oi111i1uuRRRuF 時時和和當(dāng)當(dāng)3F21RRRR)(i1i21ouuRRuF i1i2ouuu 時時當(dāng)當(dāng)1FRR 32F1R/RR/R平衡電阻平衡電阻i11fOuRRu解法解法2：用疊加原理：用疊加原理i23231f1fO)uRRR)(RR(1)uRR(1u )uRRR)(RR

13、(1uRRuuui23231fi11fOOOifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+:u1 i單獨作用時單獨作用時:u2i單獨作用時單獨作用時得：得：16.6.4 16.6.4 積分運算電路積分運算電路 由虛短及虛斷性質(zhì)可得由虛短及虛斷性質(zhì)可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uOCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt tUCRud1iF1ouitOF1iOM0CRUUt 積分飽和積分飽和線性積分時間線性積分時間線性積分時間線性積

14、分時間Uo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui u 時，時， uo = + Uo (sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2UZ UZ電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURuoRDZURuouiR2+ R1+URuouiR2

15、+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat)比較器的分析步驟：比較器的分析步驟： 找出閥置電壓（輸出躍變所對應(yīng)的找出閥置電壓（輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓輸入電壓） 確定輸出躍變的方向確定輸出躍變的方向 畫出電壓傳輸特性畫出電壓傳輸特性 根據(jù)輸入波形畫出輸出波形根據(jù)輸入波形畫出輸出波形RF UU當(dāng)當(dāng) uo = + Uo(sat)， 則則 當(dāng)當(dāng) uo = Uo(sat)，則，則iuu R2uoui+ R1+oF 2 2uRRRu)U(RRRUuo(sat)F 2 2)U(RRRUuo(sat)F 2 2uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U兩次跳變之間具有遲兩次跳變之間具有遲滯特性滯特性滯回比較器