电子技术基础第课件

第5章集成运算放大器及其应用第 5 章集成运算放大器及其应用5.1集成运算放大器集成运算放大器5.2集成运放的线性应用举例集成运放的线性应用举例5.3理想运放的非线性应用理想运放的非线性应用阅读材料共发射极变压器耦合阅读材料共发射极变压器耦合LC振荡器振荡器自我检测题和习题自我检测题和习题第5章集成运算放大器及其应用5.1 集成运算放大器集成运算放大器5.1.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介集成运算放大器（简称集成运放或运放）是一种由直接耦合、高放大倍数的放大器构成的集成电路，是目前最通用的模拟集成器件。1 集成运算放大器的外形集成运算放大器的外形集成运算放大器的外形如图5-1所示。第5章集成运算放大器及其应用图5-1 集成电路的外形第5章集成运算放大器及其应用集成电路的外形常见的有以下三种：（1）圆壳式，见图5-1（a）。圆形封装采用金属圆筒形外壳，多为早期产品。（2）双列直插式，见图5-1（b）。这种运放多为塑料外壳，最为通用。（3）扁平式，见图5-1（c）。这种运放体积小，有金属、陶瓷及塑料三种外壳。另外，还有单列直插式等封装。国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。第5章集成运算放大器及其应用2 集成运放的管脚集成运放的管脚集成电路引出脚的多少主要取决于内部电路的功能，使用时应注意管脚顺序及外引线的功能。国产第二代集成运放CF741外接线图如图5-2所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是：管脚向下，标志于左，序号自下而上、逆时针方向排列。其管脚功能如下：脚7接正电源+9+18 V，脚4接负电源 918 V，注意正、负电源的绝对值要相同，极性要相反;脚6为输出端；脚1、4、5外接调零电位器（不用时1、5端应悬空）；脚3为同相输入端(由此处输入信号时，输出信号与输入信号同相位)；脚2为反相输入端(由此处输入信号时，输出信号与输入信号反相位)；脚8为空脚。第5章集成运算放大器及其应用国产第一代集成运放F004外接线图如图5-3所示，该运放是圆壳式。圆壳式集成运放的管脚顺序是：管脚向上，序号自凸出的管键标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源+15 V；脚4接负电源 15 V；脚6为输出端；脚1、4、8接调零电位器；脚3为同相输入端；脚2为反相输入端；脚5、6之间的300 k电阻及Rp、Cp的作用是消除自激，可通过调试决定数值。第5章集成运算放大器及其应用图5-2 CF741外接线图第5章集成运算放大器及其应用图5-3 F004外接线图第5章集成运算放大器及其应用3 集成运放的型号集成运放的型号国家标准(GB 343082)规定，集成运放的型号由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等。其中，C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。国产集成运放根据用途不同可分为通用型、低功耗型、高精度型和高阻型等几类。4 集成运放的图形符号集成运放的图形符号画电路图时，集成运放的图形符号如图5-4所示，图(a)是国家新标准(GB 4728131996)规定的符号；图(b)是曾用过的符号。通常只画出输入端和输出端，其余各端可不画出。输入端标“+”号者表示同相输入端，输入端标“-”号者表示反相输入端。第5章集成运算放大器及其应用图5-4 运算放大器的图形符号第5章集成运算放大器及其应用5 集成运放的主要参数集成运放的主要参数1）开环电压放大倍数AVO 开环电压放大倍数也称开环电压增益，指没有引进反馈时集成运放的放大倍数。如图5-5所示的集成运放，设从同相输入端输入电压vB，从反相输入端输入电压vA，输出电压vO，则(5-1)开环放大倍数越大，集成运放的运算精度越高。一般集成运放的开环放大倍数可达 104107。第5章集成运算放大器及其应用2）共模抑制比KCMR共模抑制比指电路在开环情况下，差模放大倍数AVD与共模放大倍数AVC之比。KCMR越大，对共模信号的抑制能力越强，运放性能越好。一般地，共模抑制比约为60130 dB。3）开环输入阻抗ri开环输入阻抗指电路在开环情况下，差模输入电压与输入电流之比，即从两输入端之间看进去的交流等效电阻。ri越大，运放向信号源索取的电流越小，对信号源的影响也越小，运算精度越高。一般地，开环输入阻抗为几百千欧至几兆欧。第5章集成运算放大器及其应用4）开环输出阻抗ro开环输出阻抗指电路在开环情况下，输出电压与输出电流之比，即从输出端看进去的等效电阻。ro越小，运放带负载能力越强。一般地，开环输出阻抗为几百欧左右。5）输出峰峰电压VOPP输出峰峰电压又称输出动态范围，指运放处于空载情况下，在一定电源电压时输出最大不失真电压的峰峰值。除上述参数外，还有输入失调电压、输入失调电流、静态功耗、开环带宽、温度漂移、转换速率等参数，在此不一一赘述。各参数值可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。第5章集成运算放大器及其应用5.1.2 理想集成运放理想集成运放1 理想运放的特性理想运放的特性为进一步分析集成运放电路，首先应对集成运放电路的理想特性有所了解。通常认为，理想的集成运放电路应具备下列特性：（1）输入信号为零时，输出端应恒定为零；（2）输入阻抗ri=；（3）输出阻抗ro=0；（4）频带宽度BW应为0；（5）开环电压放大倍数AVO=。第5章集成运算放大器及其应用虽然实际集成运放不可能达到上述理想特性，但它的输入阻抗可以做得很高，通常可达几百千欧甚至几兆欧；输出电阻可以做得很低，在几百欧以内；开环电压放大倍数可高达几十万倍。因此在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。2 理想运放的工作特点理想运放的工作特点由运放的理想特性可以推导出如下两个重要结论：（1）运放同相输入端电位约等于反相输入端电位，有“虚短”的特点。集成运放工作于线性区，其输出电压vO是有限值，而AVO=，则第5章集成运算放大器及其应用即vBvA（5-3）当有一个输入端接地时，另一个输入端非常接近地电位，称为“虚地”。（2）输入电流等于零，有“虚断”的特性。理想集成运放的输入电阻ri=，这样，同相、反相输入端不消耗电流，即iI0。理想运放的“虚短”和“虚断”特性将为分析集成运放的应用电路提供很大的方便。第5章集成运算放大器及其应用5.2 集成运放的线性应用举例集成运放的线性应用举例 集成运放的应用很广，当应用中引入负反馈，使运放工作在线性状态时，运放的增益下降，但增益的稳定性良好。运放最初的应用运算电路就是其典型的线性运用例子。5.2.1 比例运算电路比例运算电路1 反相输入比例运算电路图5-6是反相输入比例运算电路，图中输入电压vI通过R1加到反相输入端A，同相输入端B通过Rp接地，输出电压vO又通过反馈电阻Rf反馈到反相输入端A。第5章集成运算放大器及其应用图5-6 反相输入比例运算电路第5章集成运算放大器及其应用根据运放的“理想特性”，ri=，|AVO|=，而vO又是有限值，则iI=0,vA=vB0所以i1=if故反相输入比例运放的闭环放大倍数为输出电压为(5-4)第5章集成运算放大器及其应用可见，输出电压与输入电压存在反相比例关系，其比例常数是Rf/R1，负号表示输入、输出电压反相，电路的闭环电压放大倍数AVF只取决于Rf与R1之比，与开环放大倍数AVO无关。由于vA0，即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，因此通常把A端称为“虚地”。反相输入比例运算电路仿真测试电路图和波形图如图5-7所示。第5章集成运算放大器及其应用图5-7 反相输入比例运算电路仿真第5章集成运算放大器及其应用从仿真实验信号波形可看出，反相输入比例运算电路的输入、输出电压波形为反相关系，且读取输出电压峰峰值为30 mV,输入电压峰峰值为20 mV，则另外，如果去掉仿真电路中的电阻Rp不会影响运算关系，则Rp的作用为平衡电阻，其作用在于平衡运放两输入端对地的电阻值，一般Rp=R1Rf。如果电路输入信号改为直流电压，那么输入、输出关系如何呢？第5章集成运算放大器及其应用图5-8 反相比例运算电路输入直流仿真第5章集成运算放大器及其应用从图5-8所示的仿真示意图中不难看出结果，输入电压+100 mV,输出电压150 mV,输入、输出比为 1.5，结论同上。反相输入比例运算电路中如果取R1=Rf，则vO=vI，输入、输出电压大小相等且相位相反。此时电路实现了“反相器”功能。有时可用图5-9所示的符号表示反相器。2 同相输入比例运算电路同相输入比例运算电路图5-10是同相输入比例运算电路，图中输入电压vI从同相输入端B输入，而输出电压vO通过反馈电阻Rf反馈到反相输入端A处。第5章集成运算放大器及其应用图5-9 反相器符号第5章集成运算放大器及其应用图5-10 同相输入比例运算电路第5章集成运算放大器及其应用根据运放“虚短”特性，得 vI=vBvA 又根据运放“虚断”特性，得故同相输入比例运放的闭环放大倍数为输出电压为(5-5)第5章集成运算放大器及其应用从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与AVO无关，只取决于Rf与R1的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。同相输入比例运算电路仿真测试电路图和波形图见图5-11。第5章集成运算放大器及其应用图5-11 同相输入比例运算电路仿真测试电路图和波形图第5章集成运算放大器及其应用从仿真实验信号波形可看出，输入、输出电压波形为同相关系，且读取输出电压峰峰值约为50 mV,输入电压峰峰值约为20 mV，则同相输入比例运算电路中，如果出现Rf为零，R1为无穷大的特殊情况，则输入、输出电压会是什么情况呢？仿真现象见图5-12。第5章集成运算放大器及其应用图5-12 电压跟随器仿真第5章集成运算放大器及其应用波形图告诉我们电路的输入、输出波形大小相等，相位相同。实际上，代入同相比例运算关系式也很容易求出：(5-6)由于这种集成运放电路的输出电压始终等于输入电压且为同相关系，因此称为电压跟随器，它的性能类似于前面讨论过的射极输出器。第5章集成运算放大器及其应用5.2.2 加法、加法、减法运算电路减法运算电路1 加法比例运算电路加法比例运算电路图5-13是加法比例运算电路。在运放的反相输入端多加几个输入信号，例如图中的vI1、vI2、vI3。各相应支路的电阻分别为R1、R2和R3。反馈信号通过反馈电阻Rf加到反相输入端，同相输入端B与“地”之间接有电阻Rp。为使集成运算放大器输入电路对称，Rp应等于反相输入端各电阻即反馈电阻的并联值，即Rp=R1R2R3Rf。第5章集成运算放大器及其应用图5-13 加法比例运算电路第5章集成运算放大器及其应用由于运放的iI0，因而if=i1+i2+i3。由于A点为“虚地”，因此 整理可得:若取R1=R2=R3=R，则式(5-7)简化为(5-7)(5-8)第5章集成运算放大器及其应用结论：电路的输出电压正比于各输入电压之和。如果Rf=R，则vO=(vI1+vI2+vI3)（5-9）故称为“加法器”。图5-14为加法器仿真电路，各参数和输入、输出电压如图5-14所示，读者可自行验证一下结果。第5章集成运算放大器及其应用图5-14 加法运算电路仿真第5章集成运算放大器及其应用2 减法比例运算电路减法比例运算电路图5-15是减法比例运算电路。输入信号vI1通过电阻R1加到反相输入端；输入信号vI2通过电阻R2加到同相输入端，反馈电压则由输出端通过反馈电阻Rf反馈到反相输入端。在同相输入端与“地”之间，接有电阻R3。为了使集成运放两输入端的输入电阻对称，通常使R1=R2，R3=Rf。第5章集成运算放大器及其应用图5-15 减法比例运算电路第5章集成运算放大器及其应用在图5-15所示的电路中，根据虚短和虚断的特性可整理得：当R1=R2，R3=Rf时，有(5-10)即输出电压正比于两个输入电压之差。如果Rf=R1，则vO=vI2vI1 （5-11）这时电路就称为减法器。图5-16为减法运算电路的仿真电路及结果。第5章集成运算放大器及其应用图5-16 减法运算电路的仿真电路及结果第5章集成运算放大器及