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1、第一单元 运算放大器及其应用,梅山培训中心 陈礼明,集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。,集成电路的优点：,工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。,集成电路的分类：,模拟集成电路、数字集成电路；,小、中、大、超大规模集成电路；,1.1 运算放大器,1.1.1 运算放大器基本结构,1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。,2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。,3. 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。,4. 二极管一般用三极管的发射结构成。,UEE,+UCC
2、,u+,uo,u,反相 输入端,同相 输入端,原理框图,输入级,中间级,输出级,与uo反相,与uo同相,对输入级的要求：尽量减小零点漂移,尽量提高 KCMRR , 输入阻抗 ri 尽可能大。,对中间级的要求：足够大的电压放大倍数。,对输出级的要求：主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io 。即输出阻抗 ro小。,集成运放的结构,（1）采用四级以上的多级放大器，输入级和第二级一般采用差动放大器。 （2）输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。 （3）输出级采用互补对称式射极跟随器，以进行功率放大，提高带负载的能力。,1.开环电压放大倍数Auo,无外加反馈回路的差模放大倍
3、数。一般在105 107之间。理想运放的Auo为。,2.共模抑制比KCMMR,常用分贝作单位，一般100dB以上。,1.1.2运算放大器的主要技术指标,3. 最大输出电压 UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,4. 开环差模电压增益 Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,8. 共模输入电压范围 UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,5. 输入失调电压 UIO 6. 输入失调电流 IIO 7. 输入偏置电流 IIB,1.1.2运算放大器的主要技术指标
4、,1.1.3 通用运算放大器简介,A741(F007)1个运放 LM3582个运放 LM3244个运放,1.1.3 通用运算放大器简介,LM3111个集成比较器LM3394个集成比较器,运算放大器外形图,为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，还有适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。,1.1.4 特殊类型的运算放大器,高速型和宽带型,用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，
5、用于小信号放大时，可注重fH或fc，用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。例如：CF2520/2525 AD9620 AD9618 OP37 CF357,高输入阻抗型,用于测量设备及采样保持电路中。例如： AD549 CF155/255/355,高精度(低漂移型）,用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。 例如：OP177CF714,大功率型,这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如： LM12 TP1465,低功耗型,用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。 例如：OP22 正常工作静态功耗可低至36 W。OP290 在0.8
6、V电压下工作，功耗为24 W 。CF7612 在5 V电压下工作，功耗为50 W 。,通常是根据实际要求来选用运算放大器。如测量放大器的输人信号微弱它的第一级应选用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放，大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。选好后，根据管脚图和符号图联接外部电路，包括电源、外接偏置电阻、消振电路及调零电路等。,2 消振,通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。是否已消振，可将输入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器内部已有消振元件，毋须外部消振。,1 选用元件,1.1.5 运算放大器使用时的主要事项,3
7、调零,4 保护,调零时应将电路接成闭环。调零分两种，一种是在无输入时调零，即将两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。另一种是在有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。,1)输入端保护,3)电源保护,2)输出端保护,5 扩大输出电流,1.2 运算放大器在信号运算方面的应用,信号的放大、运算,有源滤波电路,运放线性应用,ri 大: 几十k 几百 k,运放的特点,KCMRR 很大,ro 小：几十 几百,A uo很大: 104 107,运放符号：,理想运算放大器及其分析依据,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线
8、性范围。,例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui| UR时 , uo = +Uom 当ui UR时 , uo = -Uom,1、ui从同相端输入,UR,当ui UR时 , uo = -Uom,2、 ui从反相端输入,3、过零比较器: (UR =0时),例：利用电压比较器将正弦波变为方波。,电路改进：用稳压管稳定输出电压。,上门限电压,下门限电压,电路中引入正反馈 (1) 提高了比较器的响应速度； (2) 输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。,当 uo = + Uo(sat)， 则,当 uo = Uo(sat)， 则,门限电压受输 出电压的控制,R2,1.3.2.滞回特性比较器,上门
9、限电压 U+ ： ui 逐渐增加时的门限电压,下门限电压U“+： ui 逐渐减小时的门限电压,两次跳变之间具有迟 滞特性滞回比较器,根据叠加原理，有,改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。,当参考电压UR不等于零时,定义：回差电压,与过零比较器相比具有以下优点： 1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。 2. 回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰能力越强。,结论： 1. 调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。 2. 改变UR可以改变上、下门限电压， 但不影回差电压U。,电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。,例：迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输
10、出的波形。,解：对图（1） 上门限电压,下门限电压,例：电路如图所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V，RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,解：对图（2）,例：电路如图所示，Uo(sat) =6V，UR = 5V，RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。,（1）,（2）,（1）,（2）,1.4.1 正弦波发生器,自激振荡条件 起振过程：在无输入信号（xi=0）时，电路中的噪扰电压（如元件的热噪声、电路参数波动引起的电压、电流的变化、电源接通时引起的瞬变过程等）使放大器产生瞬间输出xo，经反馈网络反馈到输入端，得到瞬间输入xd，再经基本放大器放大，又在输出端产生新的输出信号xo，如此反复。在无反馈或负反馈情况下，输出xo会逐渐减小，直到消失。但在正反馈情况下，xo会很快增大，最后由于饱和等原因输出稳定在xo，并靠反馈永久保持下去。,
