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电路与模拟电子技术基础(第2版)[查丽斌]第四章 模拟集成运算放大电路


第4章 模拟集成运算放大电路

第4章 模拟集成运算放大电路
? 4.1 放大电路概述及其主要性能指标

? 4.2 模拟集成电路运算放大器
? 4.3 理想集成运算放大器 ? 4.4 基本运算电路 ? 4.5 集成运放的主要参数

1

4.1 放大电路概述及其主要性能指标
一、 放大电路概述
VCC

至少一路直流电源 供电,是能源

输入信号为零时为静态。 ?放大的对象:变化量 ——常用正弦波做测试信号
?放大的本质:能量的控制,利用有源元件实现 ?放大的特征:功率放大

能够控制能量 的元件

判断电路能否放大的基本出发点

?放大的基本要求:不失真——放大的前提

2

二、 放大电路的方框图及其主要性能指标
研究的是动态性能。 对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。
输入电流

输出电 流

信号源 内阻
信号源 输入电压 输出 电压

1. 放大倍数:输出量与输入量之比

? U ? ?A ? ? o A uu u ? U i

? I ? ?A ? ? o A ii i ? I i

? U ? ? o A ui ? I i

? I ? ? o A iu ? U i

电压放大倍数是最常 被研究和测试的参数
3

二、 放大电路的方框图及其主要性能指标

2. 输入电阻和输出电阻

从输入端看 进去的 等效电阻

Ui Ri ? Ii
输入电压与输入 电流有效值之比。

' ' Uo ? Uo Uo Ro ? ? ( ? 1) RL U o RL Uo

将输出等效成 有内阻的电压 源,内阻就是 输出电阻。

空载时输出 电压有效值

带RL时的输出 电压有效值

4

二、 放大电路的方框图及其主要性能指标
3、通频带
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。

由于电容、电感及半导体元件的电容效应,使放大电路在信号频率较 低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。

下限频率

f bw ? f H ? f L

上限频率

5

4.2 模拟集成电路运算放大器
一、 集成电路运算放大器的内部组成单元
两个 输入端

一个 输出端

u+ + + uid u- - -

A

+

uo

若将集成运放看成为一个“黑盒子”,则可等效为一个双端输入、单 端输出的差分放大电路。

6

集成运放电路四个组成部分的作用
偏置电路:为各级 放大电路设置合适 的静态工作点。采 用电流源电路。 输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求Ri大,Ad大, Ac小, 输入端耐压高。 中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够的放大能 力。 输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求Ro小,最大不失真 输出电压尽可能大。 几代产品中输入级的变化最大!

7

反相 输入端

+UCC
输出端

u–

u+
同相 输入端

uo
–UEE

输入级 中间级 输出级 输入级:输入电阻高,能减小零点漂移和抑制干扰 信号,都采用带恒流源的差放 。 中间级:要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路构成。 输出级:与负载相接,要求输出电阻低,带负载能 力强,一般由互补对称电路或射极输出器构成。

二、差分放大电路的概念
1. 需求
测温 电桥
R +VCC R

u I1
Rt R

某一标准温度下 uI1=uI2=VCC/ 2 uI=uI1-uI2=0
温度变化(即偏离标准温度) 时,产生ΔuI,这是放大的对象。

uI u I2

热电阻

环境温度变 化阻值变化

需要一种放大电路,对uI1和uI2共同的部分不放大,仅对它们的差值 放大。 —— 差分放大电路

9

2. 共模信号和差模信号
? 共模信号:若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小 相等、极性相同,则称之为共模信号。 ? 差模信号:若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小 相等、极性相反,则称之为差模信号。 ? 设任意两个输入信号和,则

差模信号 uid ? ui1 ? ui2

共模信号

ui1 ? ui 2 uic ? 2

线性变换

1 ui1 ? uic ? uid 2

1 ui2 ? uic ? uid 2

10

3. 典型差分放大电路方框图
uI1 uO1

差分放大电路
uI2 uO2

典型的差分放大电路有两个输入端、两个输出端, 它们均不直接接地,这种电路形式称为双端输入、 双端输出接法。

11

3. 典型差分放大电路方框图
(1)加差模信号时
uI1

uI/2

uO1

uI

差分放大电路
uI2 uO2
RL

差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性,故输入回路 和输出回路的中点电位不变,即动态电位为0,即为“地”。 (2)加共模信号时
uIc

差分 放大电路

RL

uO

差分放大电路具有理想 对称性,温度变化所引起 晶体管参数的变化可等效 为共模信号输入。

12

4. 差分放大电路的放大倍数
差模放大倍数

?uOd Ad ? ?uId

共模放大倍数
绝对值 越小越好

?uOc Ac ? ?uIc

绝对值 越大越好

共模抑制比

K CMR

Ad ? Ac

越大越好

为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力,引入 参数—共模抑制比。
实际上也常用分贝(dB)来表示,即

Aod KCMR ( dB ) ? 20lg ( dB ) Aoc
13

5. 差分放大电路的四种接法
由于在实际应用场合,为避免干扰,输入信号源有接地端;为负载安 全,负载常需有接地端,故差分放大电路有四种接法:即双端输入双 端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。 双端输入、单端输出电路:

uId

差分 放大电路

RL

uO

集成运放可等效为高性能的双端输入单端输出差分放大电路。

14

三、集成运放的符号及电压传输特性
? 集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。 ? 高性能:输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大 、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小…… 1. 符号
极性相同

u+ + uid u- -

+ A 极性相反

+

uo

不同型号的集成运放供电电源不同,有的两路电源供电,有的一路电源 供电,有的两种情况均可。缺省时认为是±VCC (常为±15V )供电。

15

2.集成运算放大器的电路模型
? 集成运算放大器是电压放大器,因此可用双口网络来表示。

+
+ u+ u+ + uid rid + Aoduid ro + uo -

-

输入 电阻

输出 电阻

开环差模电 压放大倍数

16

3、电压传输特性:输出电压与输入电压的函数关系

uO ? f (uI ) ? f (u+ ? u- )
线性区

±UOM的值决 定于什么?

uO ? Aod (u+ ? u- )
开环差模增益 高达几十万倍 非线性区 输出不是高电平+UOM就是低电平-UOM 若±UOM= ±14V,Aod=5?105,则为保证集成运放工作在线性区,输入 信号的范围为多少?|uP-uN|<28μV

17

4.3 理想集成运算放大器
? 一、理想运放的参数:
? 差模输入电阻rid=∞、 ? 输出电阻ro=0、 ? 开环差模增益Aod=∞、 ? 共模Aoc=0、 ? 共模抑制比KCMR=∞、 ? 频带无限宽、温度对参数无影响 问题: 1. 若将输入信号直接加在理想运放的输入 U- I-=0 端,则理想运放有可能工作在线性区吗? (不能, 因Aod=∞,需引入负反馈) I+=0 2. 负载电阻的阻值变化时,理想运放的输 U+ 出电压变化吗?为什么? (不变,输出等效为恒压源)
18

理想运放的符号与简化 电路模型如图所示

?

Uo + Aod(U+-U-) -

二、理想运放工作在线性区的特点
1. 电路结构 无穷大

反馈通路

无源 网络

uO ? Aod (u+ ? u- )
无穷小 有限值 为保证理想运放工作在线性区, 必须引入负反馈。
UU+ II+

+


A Uo

UO ↑→ U_↑→ UO ↓

反馈:将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量, 称为反馈。 正、负反馈:若反馈的结果使输出量的变化增大,则称为正反馈;若反馈 的结果使输出量的变化减小,则称为负反馈。

19

2.工作在线性区的特点
由于UO为有限值,Aod=∞,因而净输入 电压U+-U_=0,即
U+=U——虚短路
UU+ II+ +

反馈通路

因为净输入电压为零,又因为输入电阻为 无穷大,所以两个输入端的输入电流也均为 零,即 I+=I_=0


A Uo

——虚断路

“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的 两个基本出发点。

20

三、理想运放工作在非线性区的特点
1. 电路特征 ?理想运放工作在开环状态 ?引入正反馈,使其输出量的变化增大

势必工作在非线性区

无源网络
反馈通路

UIU+ I+

+


A Uo

UU+

+ II+ -


A Uo

电压传输特性

开环、正反馈

21

2.理想运放工作在非线性区的特点:
输出电压只有高、低两种电平

? U OH Uo ? ? ? U OL

U? ? U? U? ? U ?

因为净输入电压为零,又因为输入电阻为无穷大,所以两个输 入端的输入电流也均为零,即 I+=I_=0

——虚断路

工作在非线性区的理想运放仍具有“虚断”的特点,但一般不具有 “虚短”的特点。

22

4.4 基本运算电路
1. 反相比例运算

(2)电压放大倍数
因虚断,i+= i– = 0 , 所以 i1 ? if ui ? u? i ? u? ? uo i1 ? f RF R1

(1)电路组成 if RF

+ ui –

i1 R1 i–

因虚短, 所以u–=u+= 0, R2 i+ 称反相输入端“虚 地”— 反相输入的重要 以后如不加说明,输入、 特点 输出的另一端均为地(?)。 因要求静态时u+、 u– 对 地电阻相同, 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF

– +

?

?

+

+ uo –

4.4 基本运算电路
一、比例运算电路 1. 反相输入

U? ? U? ? 0 虚地 I1 ? I f
Ui I1 ? R1 If ? ? Uo Rf

Au

1) 电路的输入电阻为多少?

2) 运放的共模输入电压为多少?
3) Rp=?为什么? R =R∥R p f 保证输入级的对称性

R Uo ? ? f Ui R1

(可作为公式直接使用) 4) 若要Ri=100kΩ,比例系数为-10,Rf=? 5) 若要用反相输入比例运算电路做放大电路,则Au=?

24

一、比例运算电路
2. 同相输入

If
集成运放的 共模输入

U? ? U? ? Ui I? ? I? ? 0

Rf ∞ A

R1

I1 U-

+

U i ? Uo 0 ? Ui I1 ? , If ? R1 Rf 0 ? U i U i ? Uo I1 ? ? ? If R1 Rf

Ui

Rp U+

Uo

Rf U o ? (1 ? )U i R1
Au (可作为公式直接使用)

运算关系的分析方法:节点电流法 输入电阻为多少?
25

一、比例运算电路
同相输入比例运算电路的特例: 电压跟随器
R Ui R A + ∞ Uo

Ui A +

∞ Uo

UO ? U ? ? U ? ? U i Ri ? ? Ro ? ?

26

一、比例运算电路
电压跟随器的作用
+ us RL
1kΩ

Rs
100kΩ

Rs + uo + us 信号源
100KΩ

+

A



RL
1kΩ

+ u -o

信号源

(a)

负载

(b)

负载

无电压跟随器时 负载上得到的电压

电压跟随器时

RL uo ? ? us Rs ? RL 1 ? ? us ? 0.01us 100 ? 1

i+≈0,u+=u根据虚短和虚断有

uo ? u? ? u? ? us

27

二、加减运算电路
1. 反相求和 方法一:节点电流法

I? ? I? ? 0 U? ? U? ? 0 If ? I1 ? I 2 ? I 3
U o U i1 U i2 U i3 ? ? ? ? Rf R1 R2 R3

U o ? ? Rf (

U i1 U i2 U i3 ? ? ) R1 R2 R3

28

二、加减运算电路
方法二:利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压,然后将所有 结果相加,即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。

uO1 ? ?
同理可得

Rf ? ui1 R1
Rf ? ui2 R2 Rf ? ui3 R3

uO2 ? ?

uO ? uO1 ? uO2 ? uO3

Rf Rf Rf ? ? ? ui1 ? ? ui2 ? ? ui3 R1 R2 R3

uO3 ? ?

29

二、加减运算电路
2. 同相求和
R R1 Ui1 Ui2 I If Rf

用节点电流法:

∞ U I1 A U +
+

Uo

R2 I2

I3 R3

必不可 少吗?

I ? If , I1 ? I 2 ? I 3 0 ? U ? U ? ? Uo ? R Rf U? ? U? U i1 ? U ? U i2 ? U ? U ? ? ? R1 R2 R3

解得:

R2 / / R3 R1 / / R3 Rf Rf UO ? (1 ? )U ? ? (1 ? )( U i1 ? U i2 ) R1 R1 R1 ? R2 / / R3 R2 ? R1 / / R3
Ui1作用时的U'+ Ui2作用时的U"+

用叠加定理也 可以写出:

30

二、加减运算电路
3.减法电路
Rf Ui1 Ui2 R1 A R2 + R3 ∞ Uo

电路如图所示,电路平衡条件为

R1 / / Rf ? R2 / / R3
用叠加定理可以写出: Rf ? U ? ? U i1 U i1 作用时 o R1 R3 U i2 U i2 作用时 U ? ? R2 ? R3

Rf ?? ? (1 ? )U ? Uo R1
当电路电阻满足条件

R3 Rf R ? ? Uo ?? ? (1 ? Uo ? Uo ) U i2 ? f U i1 R1 R2 ? R3 R1

Rf / R1 ? R3 / R2

Rf U o ? ? (U i1 ? U i2 ) R1

实现了差分 放大电路

31

二、加减运算电路
双运放减法运算电路 双运放减法运算电路如图所示。

R2 U i2 U o ? ? R5 ( ? U i1 ? ) R1 R4 R3

32

三、积分运算电路和微分运算电路
1. 积分运算电路

ui duo I ? If ? ?Cf 1 R1 dt 1 1 ui uo ? ? If dt ? ? dt Cf Cf R1

I f ? I1

?

?

??
反相

1 R1Cf

? u dt
i

1 uO ? ? R1C f
若ui在t1~t2为常量,则

?

t2 t1

ui dt ? uO ( t1 )

uO ? ?

1 ? ui ( t 2 ? t1 ) ? uO ( t1 ) R1Cf

33

利用积分运算的基本关系实现不同的功能
1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形?

UI UI 1 uO ? ? uI dt ? ? t?? t RC RC ?

?

2) 输入为方波时的输出电压波形? 3) 输入为正弦波时的输出电压波形?

线性积分

波形变换

移相

34

2. 微分运算电路
dui I1 ? C dt

虚地

uo ? ? If Rf ? ? I1 Rf ? ? Rf C

dui dt

35

通用型集成运放的管脚说明

F007的外形结构和引脚排列图

36


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