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1、.,任务6.1 运算放大器的概述,.,6.1.1 基本概念,1.运算放大器 1）定义 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路（英文简称IC）。集成电路的体积很小，但性能却很好。集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路和模拟集成电路。集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。自从1964年美国仙童公司研制出第一个单片集成运算放大器A702以来，集成运算放大器得到了广泛的应用，由于早期它主要用于模拟量的某些数学运算，故名运算放大器，简称集成运放。但后来发展成为像晶体管一样的通用器件，被称为“万能放大器件”。,
2、.,2）运算放大器外形 在计算机主板上可以看到一些集成芯片，也就是集成电路单元，这些集成芯片体积小、管脚多，应用非常广泛。如图6-1所示。,.,将集成电路可以封装成如下形式，如图6-2所示。,.,3）集成运算放大器的管脚 集成运算放大器分为通用型集成运放（如LM741 、LM324）和专用型集成运放（如高精度型AD797）两大类。图6-3是LM741的外形和管脚，其管脚情况说明如下。 （1）输入和输出端两个输入端u、u和一个输出端uO。 反相输入端输出信号uO与输入信号u相位相反（极性相反）。 同相输入端输出信号uO与输入信号u相位相同（极性相同）。 （2）电源端。管脚7与4是外接电源端，为集
3、成运算放大器提供直流电源。通常采用双电源供电方式，4脚接负电源组的负极，7脚接正电源组的正极。 （3）调零端。管脚1和5是外接调零补偿电位器端。调节电位器RP，可使输入信号为零时，输出信号也为零。,.,.,4）集成运算放大器的特点 集成运算放大器的特点与其制造工艺紧密相关，主要有以下几点。 （1）所有元器件处于同一晶片上，由同一工艺做成，易做到电气特性对称，温度特性一致，适于制造对称性高的电路。因此，容易制成温度漂移很小的运算放大器。 （2）在集成运放中常用晶体管恒流源代替电阻。必须用的高阻值电阻，常采用外接方式。 （3）集成运放各级之间的连接多采用直接耦合方式，基本上不采用电容元件。必须使用
4、电容器的场合，也常采用外接方式。 （4） 集成电路中制作晶体管容易，二极管通常是用晶体管的基极与集电极短接后的发射结来代替。 这里应当指出，在集成运算放大器中，由于内部有源器件工作状态复杂，制造难度大，所以一般能在单片上集成100个以上的元器件就称为大规模集成运算放大器了。这点是与数字电路的集成度数量有很大差别的。,.,2.零点漂移 零点漂移是指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。产生零点漂移的原因有晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。零点漂移的危害是直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还
5、是漂移电压。,.,3.集成运算放大器输入级为什么引入差分放大器？ 在无线电通信和其他领域中，常常需要对变化十分缓慢的信号进行放大。例如生物电的放大，或某些自动控制中的控制信号。把这种变化十分缓慢的信号（频率很低，几乎为零，但不能认为频率等于零）称为直流信号（直流信号不同于直流电）。 直流放大器常常采用直接耦合方式。如图6-4所示。,图6-4 直流放大器的直接耦合方式,.,直接耦合方式会导致如下问题。 （1）级与级之间的直流工作状态互相影响。调整某一级工作状态就会导致其他各级工作状态的改变。这一点对直接耦合放大器的设计和调整带来很多不便。 （2）零点漂移。高质量的直流放大器应该具有高的电压增益和
6、小的零点漂移。差分放大器能使漂移电压互相抵消。 差分放大器就是两个性能完全相同的共发射极电路拼接而成。其电路特点是电路对称，晶体管参数相同，如图6-5所示。,.,差分放大器为什么能消除零点漂移？ 当输入信号为零，由于电路对称， Uc1 = Uc2（Uc1、Uc2分别为RC电压），u0=0。 当某种因素产生变化，如温度升高，由于两管变化量相等（UC1= UC2），所以输出电压的变化量为： u0= (UC1 + UC1 ) (UC2 + UC2 ) = 0 上式说明差分放大器能够消除零点漂移。,图6-5 差分放大器,.,4.差模放大倍数和共模放大倍数 在差模放大电路中，有两个输入端，当在这两个端子
7、上分别输入大小相等、相位相反的信号，放大器能产生很大的放大倍数，我们把这种信号叫做差模信号，这时的放大倍数叫做差模放大倍数。如果在其两个输入端处，输入信号的大小和相位都是相同的，其放大倍数就叫共模放大倍数。,.,6.1.2 集成运算放大器的组成 集成运放通常由4部分组成，即输入级、中间级、输出级及偏置电路，如图6-6所示。,图6-6 集成运放组成框图,.,（1）输入级。输入级是构成高质量集成运放的关键部分，通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分放大电路构成，其目的是为了抑制放大电路的零点漂移，提高输入电阻。 （2）中间级。中间级的主要作用是进行电压放大，通常采用共射（或共源）放大电路，其电
8、压放大倍数可达千倍以上。 （3）输出级。输出级一般采用互补对称功率放大电路，要求其输出电阻小，带负载能力强。此外，输出级还带有保护电路，以防意外短路或过载时造成电路损坏。 （4）偏置电路。偏置电路的作用是为集成运放中各级电路提供稳定、合适的偏置电流，确立各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。,.,6.1.3 集成运算放大器的主要参数 1开环电压放大倍数Auo 开环电压放大倍数是运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比，即 （6-1） 它体现了集成运放的电压放大能力，常用分贝（dB）表示。Auo值越大越稳定，相应的运算电路的运算精度越高。所以，它是决定运算精度的主要因素。 2
9、最大输出电压Uomax 能使输出电压保持不失真的最大输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。 3. 输入失调电压Uio 在理想的集成运放中，当输入电压ui=0时，输出电压uo应为零。但在实际电路中，ui=0时，输出uo并不为零。如果要使uo=0，必须在输入端加入一个很小的电压来补偿。这个电压就是输入失调电压。输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。Uio是表征运放内部电路对称性的指标，典型值为2 mV。,.,4. 输入失调电流Iio 静态时，流入集成运放两个输入端的电流之差称为输入失调电流。它反映了集成运放两个静态输入电流的不对称性。Iio的存在会产生输出失调，因而
10、Iio的值越小越好。理想条件下，可以认Iio0。 5. 最大差模输入电压Uidmax 当两个输入信号电压相等，极性相反的差模信号输入时，运放两输入端能承受的电压为最大差模输入电压。超过此电压时，差分管将出现反向击穿现象。 6. 最大共模输入电压Uicmax 集成运放对共模信号有抑制能力，但当共模输入电压超过一定极限时，集成运放将不能正常工作甚至损坏。共模输入电压的这一极限数值就是集成运放的最大共模输入Uicmax。 7. 差模输入电阻rid 差模输入电阻rid是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。 rid值越大，集成运放向信号源取的电流越小。 rid一般应大2M，理想条件下，可以认为rid
11、。 8. 共模抑制比KCMR 共模抑制比KCMR等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，也常用分贝（dB）表示， KCMR值越大，集成运放抑制共模信号的能力越强。它一般应大于80dB，理想条件下，可以认为KCMR 。,.,6.1.4 理想运算放大器 为了突出主要特性，简化分析过程，在分析实际电路时，一般将实际运放当作理想运放看待。所谓理想运放，是指具有如下理想参数的运放，图形符号如图6-7所示。其中u+端的输入电压与输出电压uo同相，称为同相输入端；u-端的输入电压与输出电压uo反相，称为反相输入端。,.,理想运算放大器的参数为： 开环电压放大倍数： Auo 输入电阻： rid 输出电阻：
12、 ro0 共模抑制比： KCMR 工作在线性区域的理想运放具有两个重要特性： (1) 理想运放两个输入端的电位相等。因为 ，当Auo ，Uo为定值时，有 U-=U+ （6-2） 即理想运放的两个输入端电位相等，两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。 (2) 理想运放的输入电流为零。这是由于输入电阻rid ， 所以有 i-=i+0 （6-3） 所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。“虚短”和”“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。以上概念是分析理想运放线性应用时的基本依据。,.,例6-1 集成运放CF741的开环差模
13、电压放大倍数Au0=105，即Au0=100dB，差模输入电阻rid=2M，当工作在线性区时，若输出电压uo=10V，求输入端应加的差模信号电压的大小和输入电流。 解 （1）输入电压ui=u+-u-=uo/ Auo=0.1mV （2）输入电流ii=ui/rid=0.05nA 可见，实际集成运放的u+与u-十分接近（本例仅为0.1mV），输入电流ii极小（本例仅为0.05nA），这与上述“虚短”和“虚断”的概念是一致的。,.,6.1.5 集成运算放大器的主要特性 电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系。如图6-8所示。该传输特性分为线性区和非线性区（饱和区）。,图6-8 电
14、压传输特性,.,从图6-8可以看出，当集成运放工作在线性区（+UOMUOM）时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态，使输出电压保持稳定。 当集成运放工作在线性区时，输出电压u0与输入电压ui（=u+-u-）是一种线性关系，即 uo=Auoui=Auo(u+ - u-) 对于理想集成运放，由于Auo，而uo为有限值，所以当两个输入端之间加无穷小的电压时，则输出电压就会超出线性范围，即uo不是正向最大电压+UOM，就是负向最大电压UOM，而与输入电压ui的大小无关。 可近似认为： 当ui0时，uo=+UOM； 当ui0时，uo= UOM。,.,为了让集成运放能在线性区稳定工作，应在它的输出端与反相输入端之间加接反馈网络来构成闭环工作状态，即通过引入深度电压负反馈来限制其电压放大倍数，如图6-9所示。,图6-9 集成运放引入负反馈,
