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1、第2章 集成运算放大器与应用,学习本章，要掌握的基本知识点是： 集成运算放大器的基本组成 集成运算放大器的共模与差模输入 集成运算放大器的主要参数 反相与同相输入集成运算放大器 反馈的基本概念 集成运算放大器的应用 集成运算放大器的非线性应用,2.1 应用示例,根据中国国家标准，听力损失程度划分如下： 表2-1 听力损失程度划分表,2.1 应用示例,电子助听器的电路原理图如图2-2所示。该电路在共有三级放大器组成，第一级为音频放大电路，把麦克风出来的小信号进行放大；第二级为音量调节电路；第三级为小功率放大电路，给受话器提供一定的功率。,2.2 集成运算放大器,2.2.1 集成运算放大器的基本组
2、成,2.2 集成运算放大器,2 集成运算放大器的基本组成,它主要由输入级、中间级和输出级和偏置电路四个主要环节组成。,2.2 集成运算放大器,2.2.2 集成运算放大器的共模与差模输入,1零点漂移,当温度变化或电路参数等因素稍有变化时，电路工作点将随之变化，输出端电压偏离静态值（相当于交流信号零点）而上下漂动，这种现象称为“零点漂移”，简称“零漂”。 由于存在零漂，即使输入信号为零，也会在输出端产生电压变化从而造成电路误动作，显然这是不允许的。因此，为了保证集成运算放大器的正常工作，必须设法抑制零漂。 抑制零漂的方法有很多，有温度补偿电路、精选电路的元器件、对电路元器件进行高温老化试验和选用高
3、稳定度电源等方法。最有效的方法是在集成运算放大器的输入级采用差动放大电路。,2.2 集成运算放大器,2简单差动放大电路组成和工作原理,简单差动放大电路由两个完全对称的单管放大电路构成，信号从两管的基极输入，从两管的集电极输出。其中三极管VT1, VT2的参数和特性完全相同（如b1 =b2 =b 等），RB1=RB2=RB，RC1=RC2=RC。显然，两个单管放大电路的静态工作点和电压增益等均相同。,2.2 集成运算放大器,静态时，两管的输入信号均为零。直流工作点UC1=UC2 ，此时电路的输出Uo= UC1-UC2 = 0（这种情况称为零输入时零输出）。 当温度变化引起管子参数变化时，每一单管
4、放大器的工作点必然随之改变（存在零漂），但由于电路的对称性，UC1和UC2同时增大或减小，并保持UC1=UC2，即始终有输出电压Uo = 0，或者说零漂被抑制了。这就是差动放大电路抑制零漂的原理。,2.2 集成运算放大器,设每个单管放大电路的放大倍数为Au1，在电路完全对称的情况下，有,显然uo1=Au1ui1，uo2=Au1ui2 ，而差动放大电路的输出取自两个对称单管放大电路的两个输出端之间（称为平衡输出或双端输出）， 其输出电压 uo = uo1-uo2= Au1(ui1-ui2),2.2 集成运算放大器,3差模信号和共模信号,设有用信号输入时，两管各自的输入电压（参考方向均为b极指向e
5、极）分别用uid1和uid2表示，则有，uid1 = ui /2，uid2= -ui /2，uid1= -uid2。uid1与uid2大小相等、极性相反，通常称它们为一对差模输入信号或差模信号。而电路的差动输入信号则为两管差模输入信号之差，即uid =uid1-uid2=2uid1= ui 。在只有差模输入电压uid作用时，差动放大电路的输出电压就是差动输出电压uod。通常把输入差模信号时的放大器增益称为差模增益，用Aud表示，即,2.2 集成运算放大器,设若输入有用信号为0，在一定的温度变化值DT的情况下，两个单管放大器的输出漂移电压分别为uoc1和uoc2 ，uoc1和uoc2折合到各自输
6、入端的等效输入漂移电压分别为uic1和uic2 ，显然有 uoc1 = uoc2 ，uic1 = uic2 （2.5） 将uic1与uic2分别等效输入到差动放大电路的两个输入端，它们大小相等，极性相同，通常称它们为一对共模输入信号或共模信号。共模信号可以表示为uic1 = uic2 = uic。显然，共模信号并不是实际的有用信号，而是温度等因素变化所产生的漂移或干扰信号，因此需要进行抑制。 当只有共模输入电压uic作用时，差动放大电路的输出电压就是共模输出电压uoc ，通常把输入共模信号时的放大器增益称为共模增益，用Auc表示，则,2.2 集成运算放大器,4共模抑制比,2.2 集成运算放大器
7、,2.2.3 集成运算放大器的主要参数,1开环差模电压增益Aod,2单位增益带宽fT,3开环带宽fH,5最大输出电压Uo,max,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,集成运算放大器有两个输入端分别称为同相输入端uP和反相输入端uN；一个输出端uo。图中的“-”表示反相输入端uN，“+”表示同相输入端uP。当输入信号从反相输入端uN输入时，输出信号和输入信号的相位相反；当输入信号从同相输入端uP输入时，输出信号和输入信号的相位相同。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,2.3.1 反馈的基本概念,把放大电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路（网络）送回到它的输入端，削弱原
8、来的输入信号（电压或电流）并共同控制该放大电路，这种连接方式称为负反馈。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,按照放大电路各部分电路的主要功能可将负反馈放大电路分为基本放大电路和反馈网络两部分。基本放大电路的主要功能是放大信号，反馈网络的主要功能是传输反馈信号。它们有两个连接点，一个是“取样”点，它是放大电路的输出端，反馈信号从该处取出；另一个是“比较”点，它是基本放大电路的输入端，它将输入信号和反馈电路输出的反馈信号进行相减后送到基本放大电路的输入端。基本放大电路的输入信号称为净输入信号，它是输入信号和反馈信号共同作用的结果。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,2.3.2 反相输入放大
9、器,由于输入信号加在反相输入端，输出电压和输入电压的相位相反，因此将它称为反相放大器。,电路由基本放大器A和反馈网络Rf组成。RL为负载电阻。uo为输出信号。电路输入信号ui经电阻R1加在反相输入端上。电阻R1的作用是将输入电压转换成电流信号。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,2反相输入放大器输入电压与输出电压的关系的计算,在集成运算放大器中，由于开环增益Aod很高，一般运算放大器的Aod为60120dB，性能较好的运算放大器Aod140dB。在工程计算中我们可以认为开环差模电压增益Aod。又由于,而输出电压是个不能大于运算放大器电源电压的有限值，因此，两个输入端之间的实际输入（净输入）
10、,电压可以近似看成为0（但不绝对等于0），相当于短路，即： uP=uN 可见，集成运算放大器同相输入端和反相输入端电位相等，相当于同相输入端和反相输入端之间短路，这种情况称为“虚短”（并非真正短路）。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,在集成运算放大器中，输入级采用差分放大电路，所以运算放大器的差模输入电阻rid很大，在工程计算中我们可以认为rid。因此可以认为运算放大器的同相输入端和反相输入端均无电流输入， 即： iIN=iIP=0 （以后iIN和iIP都用iI表示，iI=0），相当于开路。即iP=iN=0。 可见，集成运算放大器同相输入端和反相输入端的净输入电流均为零，相当于电路断开一
11、样，这种情况称为“虚断”（并非真正断路）。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,由“虚短”的概念可知，在同相输入端P接地时，uP=uN =0，称N端为“虚地”。 由“虚断”的概念可知ii=if 有,该电路的电压增益,即,可见，反相输入放大器中输出电压uo与输入电压ui的大小成比例关系，负号表示相位相反。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,2.3.3 同相输入放大器,由于输入信号加在同相输入端，输出电压和输入电压的相位相同，因此将它称为同相放大器。,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,2.3.3 同相输入放大器,由“虚断”的概念可知iP=iN=0，由“虚短”的概念可知ui=up=uN 其
12、电压增益,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,2.3.3 同相输入放大器,电压跟随器,2.3 反相与同相输入集成运算放大器,【例2-2】如图2-12所示放大电路，试分析它们各属于反相放大器还是同相放大器，并分析他们的反馈性质和组态。,集成运放的应用,夜灯自动点亮电路,集成运放作为通用的器件，它的应用十分广泛，包括模拟信号的运算、放大、滤波、产生以及进行各种线性和非线性的处理等。,线性集成运放一般工作在深度负反馈的闭环状态 而非线性集成运放则工作在正反馈或开环状态。,线性区：曲线斜率为电压放大倍数u0 =Aod (up -uN), Aod很大， 线性区非常窄。 非线性区：输出电压只有两种可能的
13、情况， +UOM 或- UOM 。,集成运放有两个工作区：线性区、非线性区,如右图所示为集成运放的电压传输特性， 它表示输出电压与输入电压之间的关系。,一、理想运放：为了简化分析，在实际分析过程中常常把集成运放理想化。理想运放具有下述的理想参数：,3.输出电阻rod=0,7.干扰和噪声均不存在,由于线性工作时需引入深度负反馈, 由第4章深度负反馈的讨论可知: 净输入ui=0, (虚短) uP = uN,净输入 ii=0 (虚断),虚短和虚断是集成运放分析中的两个重要概念,uo,ui净,ii,一、比例运算电路,为提高精度，一般取,电压并联负反馈,假设电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立,1.
14、反相比例运算电路,利用虚短和虚断得,输出与输入反相,运算放大器输入端无共模信号 运算电路输入电阻较小,2.同相比例运算电路,利用虚短和虚断得,运算放大器输入端有共模信号 运算电路输入电阻很大,输出与输入同相,一、比例运算电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,则有,（加法运算）,输出再接一级反相电路,可得,二、加法电路,三、减法电路（一）,第一级反相比例,第二级反相加法,即,当 时,得,（减法运算）,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,三、减法电路（二）,式中，负号表示uO与uS在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,即,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,四、简单积分电路,根据虚地和虚断有：,uI=0，iI=0，i2= i1,设t=0时，电容C上的初始电压为0,则接入信号电压uS时有,五、微分电路,电压比较器,电压传输特性,uPuN,uo=UOH,uP uN,uo=UOL,过零比较器,简单电压比较器,叠加定理,阈值电压1,传输特性,迟滞电压比较器,阈值电压2,本章结束,
