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1、集成运算放大器,集成运算放大器,集成运放的应用,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,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品中。例如在导弹、卫星、
2、 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”。,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泛应用。,常见集成电路的封装形式,圆壳式,双列
3、 直插式,扁平式,单列 直插式,直插式,单列 扁平式,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。,(1)开环电压放大倍数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
4、，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Uicmax,2. 集成运放的主要技术指标,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,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
5、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。,集成运放的线性应用的必要条件：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+,u,可得,根据“虚短”又可推出：u= u+=0,整
6、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,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+,u,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相同，R2=R1/RF,3、差分减法运算电路,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。,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
7、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。,(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。,U0M,U0M,UR,门限电平值,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=0,由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。,UCM,UCM,输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。,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
8、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：,UB,UOM,+U0M,UB1,UB2,当ui等于或大于UB1时,a,b,c,d,e,f,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。,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,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,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
9、使失真消除？,上述问题希望课后认真归纳总结,滞回特性指的是什么？如何理解？,检验学习结果,放大电路引入负反馈后，对电路的工作性能带来什么改善？,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？,检验学习结果,检验题解答1,电压比较器电路图可简单 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=
10、UB1UB2,UOM,+U0M,UB1,UB2,检验题解答2,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”,由图可知,所以,u+,u,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,检验题解答3,u0,Ri=,ii=0,虚断,运放近似符合理想条件 即：Ri,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。,检验题解答4,工作
11、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；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。,检验题解答5,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，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。,本章学习结束 Goodbye!,
