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1、集成运算放大器第1页，此课件共65页哦本本 章章 要要 求求一、一、了解集成运放的基本组成及主要参数的了解集成运放的基本组成及主要参数的 意义。意义。二、二、掌握运算放大器的电压传输特性，理解掌握运算放大器的电压传输特性，理解 理想运算放大器并掌握其基本分析方法理想运算放大器并掌握其基本分析方法。三、三、掌握掌握掌握掌握用集成运放组成的比例、加减、用集成运放组成的比例、加减、微分微分 和积分运算电路的工作原理，了解有源滤和积分运算电路的工作原理，了解有源滤 波器的工作原理。波器的工作原理。四、四、掌握掌握掌握掌握电压比较器的工作原理和应用电压比较器的工作原理和应用。第2页，此课件共65页哦第一
2、节第一节 集成运算放大器简介集成运算放大器简介 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。直接耦合放大电路。一、集成运算放大器电路特点一、集成运算放大器电路特点一、集成运算放大器电路特点一、集成运算放大器电路特点uP输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路uNuO输入级：输入级：采用采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小差动放大电路，以提高输入电阻，减小 零点漂移和抑制干扰信号零点漂移和抑制干扰信号。第3页，此课件共65页哦一、集成运算放大器电路特点一、集成运算放大器电路特点u+输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路
3、偏置电路u-uO中间级：中间级：主要进行主要进行电压放大电压放大，一般由，一般由共发射极放大共发射极放大电路电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。以提高电压放大倍数。输出级：输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，采用互补对称功放电路或射极输出器，以便以便输出足够大的电流和功率输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，并降低输出电阻，提提高带负载能力。高带负载能力。偏置电路：偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为以上三部一般是由恒流源电路组成，为以上三部分电路分电路提供稳定和合适的静态工作点提供稳定和合适的静态工作点。第4页，此课
4、件共65页哦二、集成运算放大器的符号、引脚二、集成运算放大器的符号、引脚符号：符号：引脚引脚第5页，此课件共65页哦三、集成运算放大器的主要参数三、集成运算放大器的主要参数1.1.开环差模电压增益开环差模电压增益开环差模电压增益开环差模电压增益 A Au uo o Auo是指集成运放在没有外接反馈电路时的是指集成运放在没有外接反馈电路时的差模差模电压放大倍数电压放大倍数，也称，也称开环电压增益开环电压增益。Auo一般在一般在80140dB，即，即104107。2 2最大输出电压最大输出电压最大输出电压最大输出电压U Uoppopp 集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明集成运放在额定电源
5、电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电源电压有关。源电压有关。第6页，此课件共65页哦3 3输入失调电压输入失调电压输入失调电压输入失调电压U UIOIO 要使输出电压为零，必须在输入端加一个很要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为几毫伏，理想集成运放的几毫伏，理想集成运放的U UIOIO为零。为零。4 4输入失调电流输入失调电流输入失调电流输入失调电流I IIOIO 输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极电输入信号为零时，流
6、入集成运放两输入端静态基极电流之差，一般在零点零几微安级，流之差，一般在零点零几微安级，I IIOIO越小越好。越小越好。5 5输入偏置电流输入偏置电流输入偏置电流输入偏置电流I IIBIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。输入偏置电流。第7页，此课件共65页哦6 6最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压U UICMICM 允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于于UICM时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。
7、时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。7 7最大差模输入电压最大差模输入电压最大差模输入电压最大差模输入电压U UIDMIDM 两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过压。如果差模输入信号超过U UIDMIDM，将引起输入管反向击穿而，将引起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。使运放不能正常工作。8 8共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比K KCMR CMR 主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。第8页，此课件共65页哦四、理想运算放大器及其分析依据四、理想
8、运算放大器及其分析依据1 1理想运算放大器的慨念理想运算放大器的慨念理想运算放大器的慨念理想运算放大器的慨念开环差模电压放大倍数无穷大开环差模电压放大倍数无穷大 Auo ，差模输入电阻无穷大差模输入电阻无穷大 rid ，开环输出电阻为零开环输出电阻为零 ro 0，共模抑制比无穷大共模抑制比无穷大 KCMR 2 2运算放大器传输特性运算放大器传输特性运算放大器传输特性运算放大器传输特性与基本工作方式与基本工作方式与基本工作方式与基本工作方式+Uo(sat)Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区 O u+u uo第9页，此课件共65页哦线性区：线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：非线性区：
9、u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+0 时信号衰减得更时信号衰减得更快些，常将两节快些，常将两节RC滤波环节串接起来，滤波环节串接起来，组成二阶组成二阶有源低通滤波器。有源低通滤波器。二阶二阶一阶一阶 幅频特性幅频特性 0|Auf0|T(j)|O第41页，此课件共65页哦2.有源高通滤波器有源高通滤波器uiuoRFCR+R1第42页，此课件共65页哦若频率若频率若频率若频率 为变量，为变量，为变量，为变量，uiuoRFCR+R1为通频带放大倍数为通频带放大倍数 第43页，此课件共65页哦幅频函数：幅频函数：相频函数相频函数:第44页，此课件共65页哦
10、 幅频特性幅频特性 0|Auf0|Auf(j)|O第45页，此课件共65页哦3.有源带通滤波器有源带通滤波器 将低通滤波器和将低通滤波器和高通滤波器串联，并高通滤波器串联，并使低通滤波器的截止使低通滤波器的截止频率大于高通滤波器频率大于高通滤波器的截止频率，则构成的截止频率，则构成有源带通滤波器。有源带通滤波器。第46页，此课件共65页哦4.有源带阻滤波器有源带阻滤波器 将低通滤波器将低通滤波器和高通滤波器并和高通滤波器并联，并使高通滤联，并使高通滤波器的截止频率波器的截止频率大于低通滤波器大于低通滤波器的截止频率，则的截止频率，则构成有源带阻滤构成有源带阻滤波器。波器。第47页，此课件共65
11、页哦控制信号二、采样保持电路二、采样保持电路 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模-数转换电路（数转换电路（A/D）之）之前。由于前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。模拟开关模拟输入信号采样存储电容电压跟随器 SuC+ui+uo+uG第48页，此课件共65页哦采样阶段采样阶段采样阶段采样阶段：uG为高电平，为高电平，S 闭闭合，合，ui对存储电容对存储电容C充电，充电，uo=u
12、C=ui。保持阶段保持阶段保持阶段保持阶段：uG为为 0，S 断开，输出断开，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。控制信号控制信号控制信号控制信号uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+ui+uo+uG第49页，此课件共65页哦三、电压比较器三、电压比较器 电压比较器用来电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此
13、来判断输入信号的大小和极性。判断输入信号的大小和极性。运放工作在开环状态或引入正反馈，运放工作在开环状态或引入正反馈，运放工作在开环状态或引入正反馈，运放工作在开环状态或引入正反馈，运运运运算放大器工作在算放大器工作在算放大器工作在算放大器工作在饱和区饱和区饱和区饱和区。1.1.输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能输出只有两种可能 +U Uo o (sat)(sat)或或或或 U Uo o(sat)(sat)当当当当 u u+u u 时，时，时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u u+uuu 时，时，时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(s
14、at)u u+uu 时，时，时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)即即即即 u ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)可见，在可见，在 ui=UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。u ui i与与与与u uo o的关系的关系的关系的关系第51页，此课件共65页哦 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot+Uo(sat)Uo(sat)URuouiR2+R1第52页，此课件共65页哦 当当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为时，即输入电压和零电平
15、比较，称为过零比较器过零比较器。电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoO OUR=0uouiR2+R1tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波将正弦波变为方波第53页，此课件共65页哦ui UR，uo=+Uo(sat)ui UR，uo=Uo(sat)uiuoURR2+R1 U Uo o(sat)(sat)+U Uo o(sat)(sat)uiuoOUR输入信号接在同相端输入信号接在同相端输入信
16、号接在同相端输入信号接在同相端Ot+Uo(sat)Uo(sat)uouitOURt1t2电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性第54页，此课件共65页哦输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器输出带限幅的电压比较器uoRVSuouiR2+R1设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为U UZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 u ui i U UR R，u uo o=U UZ Zu ui iUUUR R 时，时，时，时，u uo o =U Uo
17、o (sat)(sat)+UZ UZ电压传输特性电压传输特性uiuoO第55页，此课件共65页哦 例例3-7 电路如图所示，输入电压电路如图所示，输入电压ui是一正弦电是一正弦电压，其周期为压，其周期为T，输出端外接，输出端外接RC电路的时间常数电路的时间常数RC 0 0 时，时，时，时，u uo o=+=+U Uo o (sat)(sat)u ui i 0 0 时，时，时，时，u uo o=U Uo o (sat)(sat)tuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O O第56页，此课件共65页哦uoRVDuLuiRL+CAtuiO Otuo+Uo(sat)Uo(sat)O OtuAO
18、 OtuLO O由于由于RC0第59页，此课件共65页哦第五节第五节第五节第五节 集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题集成运算放大器实际使用中的一些问题一、调零一、调零一、调零一、调零 由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输入信号由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，当输入信号为零时，输出信号不为零，应用时要先调零为零时，输出信号不为零，应用时要先调零 调零的两种方法：调零的两种方法：一是在无输入时调零一是在无输入时调零，即将两个输入端接，即将两个输入端接“地地”，调节电位器，使输出电压为零，调节电位器，使输出电压为零。
19、一种是在有输入时调零一种是在有输入时调零一种是在有输入时调零一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电即按已知输入信号电即按已知输入信号电即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。第60页，此课件共65页哦二、保护二、保护1 1输入端保护输入端保护输入端保护输入端保护VD1VD2uoui+RFR2R1 当输入端所加的差模电压超过允许的最大值当输入端所加的差模电压超过允许的最大值UIDM或共模电或共模电压超过允许的最大值压超过允许的最大值UICM时，时，可
20、能会损坏输入级的晶体管。可能会损坏输入级的晶体管。保护电路将输入电压限制在二极管的正向压降以内。保护电路将输入电压限制在二极管的正向压降以内。第61页，此课件共65页哦2 2输出端保护输出端保护输出端保护输出端保护uoRFuiR1+RR2VS1uoRFuiR1+R3VS2 在输出端串接一低阻值电在输出端串接一低阻值电在输出端串接一低阻值电在输出端串接一低阻值电阻，限制集成运放的输出电阻，限制集成运放的输出电阻，限制集成运放的输出电阻，限制集成运放的输出电流流流流 。R R的阻值一般应尽量小些，的阻值一般应尽量小些，的阻值一般应尽量小些，的阻值一般应尽量小些，在数百欧左右，以保护在正常在数百欧左
21、右，以保护在正常在数百欧左右，以保护在正常在数百欧左右，以保护在正常工作时，其电压降很小，对输工作时，其电压降很小，对输工作时，其电压降很小，对输工作时，其电压降很小，对输出电压幅度影响不大。出电压幅度影响不大。出电压幅度影响不大。出电压幅度影响不大。为了防止输出电压过大，可为了防止输出电压过大，可为了防止输出电压过大，可为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护。利用稳压管来保护。利用稳压管来保护。利用稳压管来保护。输出电压在输出电压在 范围内范围内 第62页，此课件共65页哦3 3电源保护电源保护电源保护电源保护+E+E+-E-E 当电源极性接对时，二当电源极性接对时，二当电源极性接对时，二
22、当电源极性接对时，二极管正向导通，运放获得电极管正向导通，运放获得电极管正向导通，运放获得电极管正向导通，运放获得电源。当电源极性接反时，二源。当电源极性接反时，二源。当电源极性接反时，二源。当电源极性接反时，二极管截止使电源加不到运放极管截止使电源加不到运放极管截止使电源加不到运放极管截止使电源加不到运放上，从而保护了运放芯片。上，从而保护了运放芯片。上，从而保护了运放芯片。上，从而保护了运放芯片。第63页，此课件共65页哦三、扩大输出电流三、扩大输出电流uoRFuiR1+RBV1V2+UCCRBVD1VD2-UCCR2 由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要由于运算放大器的输出电流
23、一般不大，如果负载需要由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要由于运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路较大的电流时，可在输出端加接一级互补对称电路.第64页，此课件共65页哦四、单电源供电四、单电源供电uoRFuiR1+RU UCCCCRU UCCCC 当特殊场合要求选用双当特殊场合要求选用双电源运放而只有单电源供电源运放而只有单电源供电的情况下，可采用图示电的情况下，可采用图示的电路。的电路。电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端电路中采用电阻分压的办法，使得两个输入端u u+、u u-及及及及输出端输出端输出端输出端u uo o的静态电位同为的静态电位同为的静态电位同为的静态电位同为U UCCCC2 2，即工作电平被抬高到，即工作电平被抬高到，即工作电平被抬高到，即工作电平被抬高到U UCCCC2 2，对于此电平来说，集成运放相当于加，对于此电平来说，集成运放相当于加，对于此电平来说，集成运放相当于加，对于此电平来说，集成运放相当于加U UCCCC2 2双电源。双电源。双电源。双电源。第65页，此课件共65页哦