1、集成运算放大器,基 本 要 求,了解差动放大电路的基本工作原理和对零点漂移 的抑制作用掌握集成运放的理想化条件和重点理解理想集成 运放的两大特征重点掌握运放的三种输入方式及运放的应用,由晶体管、电阻、电容等单个元件组成的电路,分立元件电路,集成电路,把分立元件集成在一片硅片上组成不可分割整体,集成电路,集成运放在外部反馈网络的配合下，输出与输入之间 可灵活实现各种特定的函数关系；,集成运放的输入级通常由差动放大电路组成,差动放大电路,由于电容和变压器不能集成，所以差动放大电路中的 多级放大电路采用直接耦合方式。易产生零点漂移。,零点漂移,在直接耦合的多级放大电路中，当输入信号为0时， 输出信号
2、不保持恒值，而是缓慢无规则的变化。,当放大电路输入信号后，这种漂移伴随信号共存于放大 电路，两这都缓慢变化，一真一假，互相纠缠，难以分辨 当漂移足够大，放大电路就难以工作。,引起漂移的原因很多，以温度影响最严重。当采用直接 耦合时，第一级漂移被逐级放大，影响整个电路工作。,抑制漂移，着手于第一级,直接耦合电路中，抑制漂移最有效的手段是差动放大电路,典型电路,特点：电路结构左右对称,RC1=RC2，RB1=RB2，T1 T2型号特性相同,两个输入端ui1、ui2经RB1、RB2接至T1T2基极； 输出电压uo从两管集电极取出；,由于制造工艺上的问题，T1、T2不能完全对称，调节RP使 放大电路在
3、输入为0时，输出为0，RP称调零电阻。,RE的作用是稳定静态工作点，UEE补偿RE上的 电压降， 扩大 放大器动态工作范围。,工作原理,静态分析,ui1=ui2=0 Uc1=Uc2 (由于两管对称) Uo=Uc1-Uc2=0,静态时:,当温度变化引起IC1、 IC2时，由于电路对称,IC1= IC2， UC1= UC2,零点漂移被抑制了,动态分析,对差动放大信号，输入信号有三种：,1）两个输入信号电压大小相同，极性相同,即：ui1=ui2,一般噪声、干扰、温度等无用信号为共模信号,当每个管子有相同信号加入，集电极电流相同变化， 每管输出电压也相同变化，输出电压为0。,差动放大电路对共模信号，放
4、大倍数为0，无放大作用,Auc=uo/(ui1- ui2)=0,差动放大电路对零点漂移的抑制作用，实质为差动放大 电路对共模信号的抑制。,共模信号,2）两个输入信号电压大小相同，极性相反,即：ui1= ui2,一般待放大的有用信号接为差模信号,当每个管子有相反信号加如，集电极电流相反变化， 每管输出电压也相反变化，输出电压为:uo=uC1- Uc2 = 2uC1= 2 Uc2,差动放大电路对差模信号,放大倍数与单管放大倍数相同,Aud=uo/(ui1- ui2)= uo/ui,在差模信号作用下，差动放大电路的输出电压变化量为 两管各自输出电压变化量的两倍,差模信号,2）两个输入信号电压、极性任
5、意,一般可将其分解为差模分量和共模分量,共模分量：等于两个输入分量的平均值,差模分量：等于两个输入分量差值的一半,uo=(ui1+ui2)/2,ud=(ui1ui2)/2,例如：输入信号ui1=10mV, ui2= 6mV,uo=(ui1+ui2)/2=2mV, ud=(ui1ui2)/2=8mV,Ui1= 2mV+8mV,Ui2= 2mV8mV,对称电路对2mV不起作用，对8mV有放大作用,任意信号,一般情况下，电路往往难以完全对称，对共模信号仍有 一定放大作用。,差动放大电路有较大差模放大倍数Ad, 较小共模放大倍数Ac,两者的比值定义为共模抑制比CMRR=| Ad / Ac |,要求,C
6、MRR越大越好，理想状态CMRR=,差动放大电路输入输出方式,双输入双输出方式,单输入双输出方式,单输入单输出方式,双输入单输出方式,图：P259,集成运算放大器概述,组成,输入级：为抑制共模信号，采用差动放大电路，由于制造在一片芯片上，对称性易于保证输入级电阻很高，可达几十千欧到几兆欧,中间级：直接耦合的多级放大电路放大倍数可达几千到几十万倍,输出级：采用射级输出器，输出电阻较小,集成运放有两个输入端和一个输出端。,运算放大器的符号表示,反向输入端,同相输入端,运 放,输出端,(电源可不必画，AO指开环电压放大倍数),集成运放的外形与管脚,P261：图9-5,集成运算放大器的技术指标,最大输
7、出电压 开环电压放大倍数 输入失调电压 输入失调电流 最大差摸输入电压 最大共模输入电压,理想运算放大器,理想化条件,开环电压放大倍数Auo输入电阻ri 输出电阻ro0共模抑制比CMRR= 输入失调电压Uio 0,输入失调电流Iio 0,理想运放的两大特征,特征1：两个输入端之间的电压近似等于0,根据Auo=uo/(u+u) , 所以(u+ u ) 0， 两个输入端之间近似无电位差，即 u+=u,特征1：两个输入端的电流近似等于0,因为理想运放输入电阻无穷大，所以输入端的电流为0 即： ii1= ii2=0,运算放大器的输入方式,反相输入,同相输入,差动输入,输入信号从反相端 接入电路,输入信
8、号从同相端 接入电路,同相端和反相端均有 输入信号接入,反相输入方式,输入电压从反相端引入,同相端经过R2接地,集成运放的开环放大倍数很高,微弱的输入信号也会使放大器进入饱和。在输入与输出之间接入负反馈电阻Rf, 作闭环应用。,Rf,R2,由于输入级采用差动放大电路，为使 静态时,ui=0,uo=0, 反向输入端和同 相输入端对接地端应有相同的电阻， 在同相输入端接入平衡电阻R2,R2=R1/Rf,分析,1.闭环电压放大倍数,对图示节点：i1=i+if,i+=i=0 (由理想运放特征2),if=(uuo)/Rf= i1,u+=u (由理想运放特征1 ),i+=0,u+=u=0,i1= uo/R
9、f,又： i1=(uiu)/R1= ui/R1,Au=uo/ui=Rf /R1,负号表明输入输出电压反向,Au=uo/ui=Rf /R1,只要满足理想运放的条件，运放的电压放大倍数只与外接电阻Rf和R1有关，而与放大器本身参数无关,可见,运放具有很高的 精度和稳定性,此种运放电路，又称比例运算电路。 当Rf =R1时, Au=1, 称反向器。,2.闭环输入电阻rif和rof,rif=ui/ii,由于u=0,rif=ui/i1=R1,从反馈类型看，反馈电流取至电压uo，是电压反馈，,反馈信号在输入端：i1=i+if ，为并联反馈,反馈电流削弱了输入电流i1,是负反馈,电压并联负反馈,电压并联负反
10、馈输出电阻很小，rof=0,同相输入方式,输入信号从同相端输入,i+=i=0 (由理想运放特征2),u+=u(由理想运放特征1 ),i1=if=-uo/(R1+Rf),i1=(0-u)/R1= u+/R1= ui/R1,Auf= uo/ ui= (1+Rf /R1),输出电压与输入电压同相， 放大倍数取决于外接电阻Rf,R1,可见,若R1开路，(R1=),Auf= uo/ ui= (1+Rf /R1)=1,输出电压与输入电压大小相同且同相,电压跟随器,闭环输入电阻rif和rof,rif=ui/ii= ui/0 = ,rof 0,由集成运放构成的电压跟随器比三极管射极输出器质 量优越，几乎不向前
11、级电路取电流，而向后级供电流时， 几乎不存在内阻。常用作,隔离器,差动输入方式,同相端和反相端同时有输入信号,运用叠加原理：,当ui1单独作用（ ui2=0）,反相输入方式：,uo1= (Rf /R1) ui1,当ui2单独作用（ ui1=0）,同相输入方式：,uo2= (1+Rf /R1) ui2R3/ (R2+R3),u+=ui2R3/(R2+ R3) =u,u/R1=(u uo2)/Rf,uo1= (Rf /R1) ui1,uo2= (1+Rf /R1) ui2R3/ (R2+R3),u=uo2+ uo1= (Rf /R1) ui1+(1+Rf /R1) ui2R3/ (R2+R3),举
12、例,已知ud为差模信号，uc为共模信号， R1=R2=R3，问当Rf为何值，输出 电压uo不含共模信号？,解：,运用叠加原理,设ud单独作用（uc=0),为反相输入方式 uod= (Rf /R1)ud,设uc单独作用（ud=0),则：uo=uod+uoc,欲使其不含共模成分，则：,(1+Rf /R1) R3/ (R2+R3)=(Rf /R1),又：R1=R2=R3,Rf=R1,uoc=(1+Rf /R1) ucR3/ (R2+R3)+ (Rf /R1)uc,运算放大器的应用,集成运放在外部反馈网络的配合下， 输出与输入之间可灵活实现各种 特定的函数关系：,加法电路,虚地,分析：,反相输入方式，
13、有“虚地”存在,uo=(ui1/R1+ ui2/R2+ui3/R3) Rf,当 R1=R2=R3=R,uo=(ui1+ ui2+ui3) Rf /R,uo=(ui1/R1+ ui2/R2+ui3/R3) Rf,可见,加法电路的输出电压与输入电压之和成正比关系 加法电路的精度和稳定性取决于外接电阻质量， 而与放大器本身参数无关。,注意,同相输入加法电路应用较少，同相输入方式时u+=u_0 可能产生较大的共模输入电压，使放大器工作于非 线性区域，甚至造成损坏。,在设计加法电路时，uo数值必须低于电源电压，否则 运放易趋于饱和而产生误差。,减法电路,利用双端输入，可构成减法电路,uo=(Rf /R1
14、) ui1+(1+Rf /R1) R3/ (R2+R3) ui2,当R1=R2=R, Rf=R3时，uo= (Rf /R) (ui1- ui2),当R1=Rf时，uo= ui1- ui2,分析：,uo= (Rf /R) (ui1- ui2),可见,输出电压uo与两个输入电压的差值成正比,在双端输入的减法电路中，应限制共模电压的数值， 避免超过集成运放的最大共模电压。,积分电路,分析：,用电容C代替反馈电阻Rf,uo=1/RCuidt,可见,输出电压uo正比于输入电压的对时间的积分。 R1C为积分时间常数，R1C越小，积分作用越强,虚地,例 9-3,负阶跃电压,uo=1/RCuidt,uo=Ut
15、/R1C,微分电路,分析：,uo=RfC (dui/dt),可见,输出电压uo与输入电压是微分关系。 RfC为微分时间常数，RfC越大，微分作用越强,虚地,例 9-4,uo=RfC (dui/dt),t=0时：瞬间充电电流i1= Cdui/dt 和uo=RfC (dui/dt)趋于，但由于信号源内阻的存在，只能是有效值。 t0时：ui为恒定值uo0，RfC越大，衰减越慢,尖脉冲,电压比较器,运放工作于开环状态,由于放大倍数高，放大器处于饱和状态,UR为参考电压：,uiUR:放大器处于正饱和状态，uo=+Um1,uiUR:放大器处于负饱和状态，uo= Um1,电压比较器可用来判断输入信号的相对大小， 用于控制电路或波形变换,例9-5：若输入电压ui=UmSint, 且URUm,画uo波形。,END,
