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1、模块三 集成运算放大电路,【教学聚焦】 一、知识目标： 1、掌握集成运算放大电路的结构和功能； 2、掌握理想集成运算放大器的特性； 3、掌握集成运算放大器的线性运用：微积分波形变换电路的功能，模拟乘法器的电路结构及功能和应用； 4、掌握集成运算放大电路的非线性运用：电压比较器、迟滞比较器和非正弦波发生器的电路的结构及功能； 5、掌握集成运算放大电路组成的有源滤波器的结构及功能特性。 二、技能目标： 1、掌握集成运算放大器的应用电路的焊装和调试的方法； 2、掌握常用仪器的测量和使用的方法。,项目1集成运算放大电路的基本知识,3.1.1 差分放大电路 3.1.2 集成运算放大电路的结构、封装和符号
2、 3.1.3 理想集成运算放大器的特性 3.1.4 集成运算放大器实际使用时候注意事项,项目1 集成运算放大电路的基本知识,3.1.1 差分放大电路,1、电路组成,图3.1 基本差分放大电路,由两个完全相同的单管放大电路组成。由于两个三极管V1、V2的特性完全一样，外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路是完全对称的。,2、电路工作原理,V1、V2是两只特性相同的三极管，实现电流放大； 两管的集电极电阻RC，实现将集电极电流变化转变为相应的电压变化；两管的RB1、RB2为三极管提供合适的静态工作； 输入端两个电阻R将输入信号电压Ui转化成大小相等，方向（相位）相反的一
3、对输入信号Ui1和Ui2，分别加到V1和V2的基极。 习惯上称这对大小相等，方向（相位）相反的输入信号为差模信号，对应的输入方式称为差模输入；RL是负载，接两管集电极构成双端输出。,（1）抑制零点漂移 无信号输入时，由于两管的特性相同，元件参数相等，输出信号为零，避免了零点漂移现象。 当环境温度发生变化或电源电压出现波动时，将引起三极管参数的变化，由于两管特性相同，电路对称，IC1=IC2；UC1=UC2。于是输出电压变化量为：Uo=UC1UC2=0 ，故“零漂”现象消失。 （2）差模电压放大倍数 差分放大电路对差模信号的电压放大倍数与单管电压放大倍数相等,（3）共模电压放大倍数 共模信号是指
4、大小相等，方向(相位)相同的一对输入信号，对应的输入方式称共模输入。一般来说，共模输入信号是一对等效的输入信号，由环境温度变化、电源电压波动引起输出端漂移电压折合到输入端而获得；或由差分放大电路两个输入端输入电压不相等而获得。实用中，没有可以用仪表检测到的，确实独立存在的共模信号，这一点要特别注意理解。 （4）共模抑制比KCMR,共模抑制比是用来表明差分放大电路对共模信号抑制能力的一个参数， 定义为差模放大倍数Aud与共模放大倍数 Auc的比值，用KCMR表示， KCMR= 此值越大，说明差分放大电路分辨差模信号的能力和抑制零点漂移的能力越强，放大电路的性能越好，一般差分放大电路的KCMR=
5、103106。,（5）带射极公共电阻的差分放大电路 带射极公共电阻RE的差放电路也叫长尾 式差动放大器。 接入公共电阻RE的目的 是引入直流负反馈。能够抑制共模信号的 输出。 对于共模输入信号，由于电路对称， 两管的射极电流IE（约等于集电极电流IC ） 变化量大小相等、极性相同（即同增同 减），IE1=IE2=IE，使流过RE的总 电流变化量为2IE，这个电流变化量在 RE上产生的电压变化量（2IERE）构成 负反馈信号，可使共模放大倍数降低。,图3.2 带RE的差分放大电路,3、带恒流源的差分放大电路,（1）电路组成,采用恒流源来代替电阻RE， 由于存在电流负反馈， 其输出 电流IC基本恒
6、定，故这种电路 称为恒流源电路。,图3.3 带恒流源的差分放大电路,（2）电流镜电路,电流镜是一个输入电流IS与输出电流IO相等的电路， Q1和Q2的特性相同， 即VBE1 = VBE2，1 = 2。 优点： 三极管之受温度的影响，但利用电流镜像恒流源，不受影 响，主要依靠外接电阻R经 Q2去决定输出电流IO（IC2 = IO）。,图3.4镜像电流源,4.差分放大电路的输入输出方式, 单端输入、单端输出,单端输出不能抑制温度变化，元件老化等因素引起的零点漂移，因而， 必须采取工作点稳定措施，保证差分放大电路的正常工作。,（a）反相输出,（b）同相输出,图3.5 单端输入、单端输出的差分放大电路
7、,（2）单端输入，双端输出,单端输入，双端输出电压放大倍数与双端输入、双端输出的差分放大 电路相同，且具有抑制温度、元件老化等因素引起的零点漂移。,图3.6单端输入、双端输出的差分放大电路,（3）双端输入，单端输出,这种电路的电压放大倍数与单端输入、单端输出差分放大电路相同， 且也要采取工作点稳定措施。,任何方式输入不影响差分放大器的电压增益。 单端输出是双端输出增益的一半。,图3.7双端输入、单端输出差分放大电路,3.1.2 集成运算放大电路的结构、封装和符号,1、集成运放的集成组成,图3.8 集成运放的结构框图,输入级：提高运算放大器质量的关键部分。要求：输入电阻高，能减少零漂和抑制干扰信
8、号。电路形式：采用具有恒流源的差动放大电路，降低零漂，提高KCMR。并且通常在低电流状态，以获得较高的输入阻抗。 中间级：进行电压放大，获得运放的总增益。要求：Au高，同时向输出级提供较大的推动电流。电路形式：带有恒流源负载的共射电路 输出级：与负载相接。要求：输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，并有过载保护措施。电路形式：一般由互补对称电路或源极跟随器构成。 偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点;为输入级设置一个电流值低而又十分稳定的偏置电流，也可作为有源负载提高电压增益。电路形式：各种恒流源电路。,集成电路的封装形式,图3.9 封装形式,2
9、.运算放大电路的电路符号,它有两个输入端和一个输出端。 反相输入端标“-”号，同相输入端标“+”号。 输出电压与反相输入电压相位相反，与同 相输入电压相位相同。此外还有两个端分 别接正、负电源有些集成运放还有调零端 和相位补偿端。,图3.10 符号,图3.11 国际符号,3.1.3 理想集成运算放大器的特性,(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；Aud (2) 输入电阻趋于无穷；Rid (3) 输出电阻趋于零；RO0 (4) 共模抑制比趋于无穷；KCMR (5) 有无限宽的频带；BW (6) 当输入端u -= u + 时，uo=0。,1. 集成运算放大器的理想化条件,（1）理想集成运算放大器两输
10、入端间的电 压为0，但又不是短 路，故常称为“虚短”。 即： 因为Kd，则ui=u+-u- =uo/Kd=0，所以u+=u-。这样，两个输入端可 以认为是虚连接，当其中一个输入端接地 时，另一个输入端也为零电位，称为“虚地”。 （2）理想运放的两个输入端不取电流，但 又不是开路，一般称为“虚断”。 即： 因为Ri，所以Ii=（u+-u-)/Ri=0。,2. 集成运算放大器的两个重要特性,图3.12 理想运放模型,当集成运放工作在线性放大区的条件是：（1）U=U+ （2）I=I+=0 我们在计算电路时，只要是线性应用，均可以采用以上两个结论，当 集成运放工作在线性区的时候输入、输出关系为：UO=
11、Aod（UU+）,3. 集成运算放大器工作在线性区的特性,4. 集成运算放大器工作在非线性区的特性,当 时， ； 当 时， 。 其中Uom是集成运放的正向或反向输出电压最大值。,5. 集成运算放大器电压传输特性,3.1.4 集成运算放大器实际使用时候注意事项,1.集成运算放大器的性能指标, 输入失调电压UIS： 对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压UIS，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。UIS一般为毫
12、伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。 输入失调电流IIS： 输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流I+与I-之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。IIS是由差动输入级两个晶体管的值不一致所引起的。, 开环电压增益Kd： 开环电压增益是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。也可 用Kd的常用对数表示。一般运放的电压增益都很大，为60100dB，高增益运 放可达140dB(即107)。 输入阻抗ri和输出阻抗ro： 输入阻抗ri是指运放开环运用时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两 个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电
13、流Ii的变化之比，即ri=Ui/Ii， ri越大越好。双极型晶体管输入级的ri值为104-106，单极型场效应管输入级 ri可达109以上。输出阻抗ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动 态阻抗。一般在几百欧姆之内。 共模抑制比KCMR： 共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数 之比。KCMR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的KCMR都可达到 80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。,常用的集成运放有单运放电路A741(F007)；双运放电路F353；四运放电 路 F4156等，这些集成电路的电源均为,2.常用集成运算放大器的管脚,（a）单
14、运放 （b）双运放 （c）四运放,图3.14 常用集成运放引脚图,3.常用集成运算放大器实际使用时候注意的问题,（1）调零或设置偏置电压 由于失调电压及失调电流的的存在，输入为零时输出往往不为零。对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在零输入时输出为零。对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。 （2）注意自激振荡的消除 集成运放是多级直接耦合的放大器，因存在着分布电容等分布参数，信号在传输过程中会产生相移。当运放闭环(输出端与输入端经过导线、元器件相连)后，会在某些频率上产生自激振荡。为了使放大器工作稳定，通常
15、外接RC消振电路或消振电容，用来破坏产生自激振荡的条件。,（1）输入端保护 一般情况下，运放工作在开环 ( 即未引反馈 ) 状态时，容易因差模电 压过大而损坏；在闭环状态时，容易因共模电压超出极限值而损坏。 当输入端所加的电压过高时会损坏输入级的晶体管。在输入端处接入 两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下， 如图3.15所示。,4. 集成运算放大器的保护,图3.15 二极管输入端保护电路,（2）输出端保护 为了防止输出电压过大，可利用稳压管来保护，将两个稳压管反向 串联，将输出电压限制在(Uz+UD)的范围内，其中，Uz是稳压管 的稳定电压，UD是它的正向管压降，如图3.
16、16所示。,图3.16 稳压管输出端保护电路图,（3）电源保护 为了防止电源极性接反，利用二极管单向导电性，在电源端串联二极 管来实现保护。如图3.17所示。,3.17电源保护电路,项目2 集成运算放大电路的线性应用,3.2.1 集成运放的基本运算电路 3.2.2 微分电路和积分电路 3.2.3 模拟乘法器及应用,项目二 集成运算放大器的线性应用,输入电压ui经电阻R1由反相输入端输入， 输出端与反相端之间接一反馈电阻RF，同 相输入端与地之间接一平衡电阻R2，且 R2=R1/RF，以保证运放输入端的对称。,3.2.1 集成运放的基本运算电路,1、反相比例运算放大器,图3.18 反相比例运算放大器,例3.1：在图3.18中，已知R1=10k， Rf=500k，求电压放大倍数Auf、输入电阻ri及平衡电阻R2。,解：,2、同相比例运算
