《电子基础知识---集成运算放大器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子基础知识---集成运算放大器（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电工电子技术第一篇电工电子技术首 页了解集成运算放大器的一般概况；熟悉 集成运算放大器的基本类型及其应用；掌 握集成运算放大器的理想化条件，并能运 用理想化条件对集成运放电路进行分析； 理解运放的基本结构、组成、符号及主要 参数，了解其常用的非线性应用。学习目的与要求学习目的与要求电工电子技术首 页一、集成运算放大器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。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只 不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日 常生活及科技领域的相当多产
2、品中。例如在导弹、卫星 、 战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪 表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电 视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用 了集成电路。集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性 能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路 是工业的“食粮”和“原油”。电工电子技术首 页1. 集成运算放大器概述集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运 放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要 用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算 放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通 信、控制和测量等设备中得到广
3、泛应用。常见集成电路的封装形式圆壳式 双列 直插式 扁平式 单列 直插式 直插式 单列 扁平式 电工电子技术首 页差分输入级中间放大级输出级ui+ + _ _u0集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但 它们的基本组成部分相同，如下图所示：运放的输入级。利 用差分电路的对称 特性可提高整个电 路的共模抑制比和 电路性能。中间级的主要作 用是提高电压增 益。一般由多级 放大电路组成。输出级常用电压跟 随器或互补电压跟 随器组成，以降低 输出电阻，提高带 负载能力。集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有 偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。电工电子技术首 页(1)开环电压放大倍
4、数Au0其数值很高，一般约为104107。该值反映了输出电压U0 与输入电压U和U之间的关系。(2)差模输入电阻ri 运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(3)闭环输出电阻r0由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出 电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个 电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降， 甚至造成器件损坏。(4)最大共模输入电压Uicmax2. 集成运放的主要技术指标电工电子技术首 页为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要， 常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：开环电压放大倍数Au0=差模输
5、入电阻ri=输出电阻r0=0共模抑制比KCMR=3. 集成运算放大器的理想特性电工电子技术首 页4、集成运放工作在线性区的特点由可知，理想运放工作在线性区时，输 出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。因Au0=，所以可导出运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明 ， 即理想运放的两个输入端电位相等。1、 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、又由于理想运放的差模输入电阻ri=，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。电工电子技术首 页集成运放的线性应用的必
6、要条件：接成负反馈。负号说明输 入输出反相由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”由图可知所以u+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=0整理后可得输出与输入 的比例值二、 集成运放的线性应用1、反相比例运算电路集成运放的线性应用电工电子技术首 页反相比例运算电路中，R2是平衡电阻，其值应选择符合2、同相比例运算电路由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=ui由图可知所以u+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=ui整理后可得输出与输入 的比例值显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路 的对称性，与反相比例运算电路
7、相同，R2=R1/RF电工电子技术首 页3、差分减法运算电路u+ui1if ui1u0R1RFi2ui2R2R3若R2=R3，则因为不存在“虚地”现象所以整理得若R1=RF，则实现了输出对输入的减法运算。电工电子技术首 页电工电子技术首 页电工电子技术首 页集成运放工作于非线性区的显著特点就是运行在开环或正 反馈状态下；因运放的开环电压放大倍数Au极高，所以只要 输入一个很小的信号电压，即可使运放进入非线性区。运放 工作在非线性区时，输入和输出不成线性关系。i1uiR1URR2 u0(1)单门限电压比较器单门限电压比较器只有一个门 限电平，当输入电压达到此门限 值时，输出状态立即发生跳变。电压
8、比较器广泛应用于模/数 接口、电平检测及波形变换等领 域中。uiu00U0MU0MU UR R门限电平值电工电子技术首 页电压比较器应用实例利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。UR=0uiu0由于门限电压等于0，因此 为过零电压比较器。ui0tu00tUCMUCM输入电压只要到达门限电 压值，输出电压即可发生 跳变。电工电子技术首 页滞回比较器滞回比较器又称施密特触发器，传输过程中：当输入电压 ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况下的门限 电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状 。电路及曲线图如下所示：U UB BuiR1R4u0R3 R2DZUOM+ +U0M
9、UB1UB2当ui等于或大于UB1时a ab bc cd de ef fu0ui0门限电平值当ui小等于或小于UB2时滞回比较器可构成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生器电 路，也可以实现波形变换。电工电子技术首 页滞回比较器的特点 1、具有双门限UB1和UB2； 2、电路具有正反馈环节；3、电路的抗干扰能力强。 滞回比较器应用实例ui (V)t010-10tu0 (V)07-7当门限电压为0.7V时输入波形输出波形实现了波形的整形与变换电工电子技术首 页放大电路输入信号 本身就是一个已产 生了失真的信号， 引入负反馈后能否 使失真消除？ 上述问题希望课后认真归纳总结上述问题希望课后认真归纳总结滞
10、回特性指的是 什么？如何理解？什么叫反馈？正反馈 和负反馈对电路的影响 有何不同？ ？ 放大电路引入负 反馈后，对电路 的工作性能带来 什么改善？ 电工电子技术首 页3、何谓“虚地”？何 谓“虚短”？何谓“虚 断”？“虚地”端是否 可以真的接地？1、你能画出电压比 较器的电路图和说明 滞回比较器的电压传 输特性吗？4、工作在线性区的 集成运放，为什么要 引入负反馈？而且反 馈电路为什么要接到 反相输入端？2、举例说明理想集成 运放两条重要结论在运 放电路分析中的作用？5、比较器可以输出方波、但它与方波发 生器相比较，有什么不同？电工电子技术首 页uiu00uiu0 UR电压比较器电路图可简单
11、的用下图来表示。滞回比较器的电压传输特性：输入电压ui由小往大变化 的过程中，未到达门限电压UB1时，输出电压u0保持不变， 到达UB1瞬间，输出电压从+UOM值跳变到UOM值 ；当输 入电压由大往小变化的过程中，未到达门限电压UB2时， u0保持不变，到达UB2瞬间，输出电压从UOM 值跳变到 +UOM值，即具有回差特性。回差电压 U U= =U UB1B1U UB2B2UOM+ +U0MUB1UB2电工电子技术首 页利用理想集成运放“虚断”和“虚短”两个重要结论，无论是 运放的线性分析还是非线性分析，都带来很大方便。例如反相比例运算电路的分析：由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”由
12、图可知所以u+ui1ifi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=0整理后可得输出与输入 的比例值uiu0R2R1RF电工电子技术首 页u0UU Ri=ii=0虚断虚断 运放近似符合理想条件 即：Ri虚短虚短u0输出电压u0为有限值。运放近似 符合理想条件。即：Au，“虚地”是指并未真正接地， 但具有“地”的电位。虚地点 若真的接地，电路结构将发 生变化，因此不行。UU电工电子技术首 页工作在线性区的集成运放，实际上就是一个高增益、 直接耦合的多级放大器，其主要任务就是实现对传输信 号不失真地放大。引入负反馈，可以改善放大电路的性 能，提高放大电路的稳定性，减少电路的非线性失真， 抑制噪声，扩
13、展频带，改变输入、输出电阻。由于集成运放的输出信号是通过反馈网络反馈到反相 输入端的，因此实现了深度负反馈负反馈；深度负反馈的运放 ，其闭环放大倍数主要由反馈系数决定，与其内部参数 无关。而且运放采用的电压负反馈方式，还能使其输出 电阻减小，从而增强了运放的带负载能力。电工电子技术首 页电压比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比 较，并输出高低电平来表示比较结果的电路。电压比较器 的特点是工作在开环或正反馈状态，具有开关特性且输出 和输入之间不成线性关系。常用的有过零比较器、非零电 压比较器和滞回比较器。这些比较器的阈值(门限电压)是 固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。电压比 较器主要作用是对输入波形整形主要作用是对输入波形整形，将一些不规则波整形成 方波输出。方波发生器是由滞回比较器和RC定时电路构成的，其 中比较器是关键环节，其主要作用显然是向电路输出矩形主要作用显然是向电路输出矩形 波波。 工作原理：利用电容C的充放电电压代替滞回比较器 的外加输入信号送往反相器的同相端，与门限电压相比较 ，使比较器的输出不断发生转换，从而形成自激振荡。电工电子技术首 页本章学习结束本章学习结束 Goodbye! Goodbye!
