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第六章集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛(如:放大器、比較器、振蕩器、信號(hào)運(yùn)算電路等)的集成放大器。

集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放):是一種高電壓放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合的放大器。(線性集成電路)5.1集成運(yùn)放的基本單元電路

(P133)一、集成運(yùn)放的電路構(gòu)成集成運(yùn)放內(nèi)部由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、輔助電路4大部分組成。1、輸入級(jí):采用帶恒流源的差分放大器。2、輸出級(jí):電壓放大電路(一般是共射組態(tài))3、中間級(jí):互補(bǔ)對(duì)稱放大電路(附保護(hù)電路)4、輔助電路:使各級(jí)放大電路得到穩(wěn)定的直流偏置。(有的還設(shè)置了外接調(diào)零電路、RC移項(xiàng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)等電路)二、電流源1、作用:為放大電路提供穩(wěn)定的直流偏置。作為放大電路的有源負(fù)載,增大放大倍數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍。2、常用類型:?jiǎn)稳龢O管電流源、鏡像電流源。后者比前者的溫度穩(wěn)定性好。3、電流源特點(diǎn):直流電阻小,交流電阻大。(使用電流源做負(fù)載,稱為有源負(fù)載)直接耦合放大器:放大器與信號(hào)源、負(fù)載以及放大器之間采用導(dǎo)線(或電阻)直接連接。特點(diǎn):低頻響應(yīng)好??梢苑糯箢l率等于零的直流信號(hào)或變化緩慢的交流信號(hào)。三、直耦放大器的兩個(gè)特殊問(wèn)題(一)、前后級(jí)的電位配合問(wèn)題簡(jiǎn)單的直接耦合電路由于VC1=VBE2,而VBE2很小,使V1的工作點(diǎn)接近于飽和區(qū),限制了輸出的動(dòng)態(tài)范圍。因此,要想使直接耦合放大器能正常工作,必須解決前后級(jí)直流電位的配合問(wèn)題。(二)、零點(diǎn)漂移問(wèn)題四、零點(diǎn)漂移1、概念:將直流放大器輸入端對(duì)地短路,使之處于靜態(tài),輸出電壓(在輸出端)會(huì)發(fā)生不規(guī)則變化,這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移,簡(jiǎn)稱零漂。2、零漂后果:在直接耦合放大電路中,前一級(jí)的零漂電壓會(huì)傳到后級(jí)被逐級(jí)放大,嚴(yán)重時(shí)零漂電壓會(huì)超過(guò)有用的信號(hào),將導(dǎo)致出錯(cuò)。級(jí)數(shù)越多,零漂越嚴(yán)重。第一級(jí)的零漂是最大的影響因素。3、零漂原因:三極管參數(shù)隨溫度變化(主要原因);電路更換元件(三極管);電源電壓波動(dòng),4、抑制零漂方法:用恒溫系統(tǒng)消除溫度變化的影響;采用差分放大電路(主要);用高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電源;五、差分放大器2、雙端輸入雙端輸出的基本差分放大器電路圖:1、電路特點(diǎn):由兩個(gè)完全對(duì)稱的單管放大器組成,電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱、元件參數(shù)對(duì)應(yīng)相等。

輸入電壓vI經(jīng)R1、R2分壓為相等的vI1和vI2分別加到兩管的基極(雙端輸入),輸出電壓取自兩管的集電極(雙端輸出),等于兩管輸出電壓之差,即vO=vO1–vO2。3、抑制零漂原理

設(shè)輸入電壓vI=0,因電路完全對(duì)稱,則ic1=ic2,vO1=vO2,vO=vO1–vO2=0。當(dāng)溫度變化時(shí),兩管輸出電壓的變化量相等,使vO1=vO2,輸出電壓vO=vO1–vO2=0??梢?,兩管的漂移在輸出端相互抵消,從而有效地抑制了零點(diǎn)漂移。(1).共模電壓放大倍數(shù)AVC共模信號(hào):大小相等、極性相同的兩個(gè)輸入信號(hào)。共模輸入方式:兩管輸入信號(hào)為共模信號(hào)的輸入方式。兩管的輸入信號(hào)vI1=vI2=vI,放大器為共模輸入,因電路對(duì)稱,vO1=vO2。其雙端輸出電壓

vO=vO1

-vO2=0。即共模放大倍數(shù)共模雙端輸入、雙端輸出差分放大電路的共模放大倍數(shù)等于零。即對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行了抑制。4、電壓放大倍數(shù)(2).差模電壓放大倍數(shù)AVD差模信號(hào):大小相等而極性相反的兩個(gè)輸入信號(hào)。差模輸入方式:兩管輸入信號(hào)為差模信號(hào)的輸入方式。當(dāng)vI0時(shí),vI1=vI/2,vI2=-

vI/2,放大器為差模輸入。vO1=-vO2,放大器雙端輸出電壓vO=vO1–vO2=vO-(-vO1)=2vO1。設(shè)單管放大器的放大倍數(shù)為AV1、AV2,且AV1=AV2,于是差模放大倍數(shù)為AVD=AV1=AV24、電壓放大倍數(shù)(1).共模電壓放大倍數(shù)AVC(2).差模電壓放大倍數(shù)AVD理想情況:AVC

=0;(表示無(wú)用的信號(hào)完全得到抑制)實(shí)際情況:AVC越小越好AVD等于單個(gè)放大管的電壓放大倍數(shù)A(表示有用的信號(hào)得到正常放大)

雙端輸入、雙端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)AVD等于單管放大器的放大倍數(shù)AV。 可見,該電路是用多一倍元件的代價(jià)換來(lái)了對(duì)零漂的抑制能力。5、共模抑制比KCMR(1)作用

:衡量差分放大器放大差模信號(hào)(有用)及抑制共模信號(hào)(無(wú)用)的能力。(2)公式:(3)單位:無(wú)

(4)理想情況:共模抑制比KCMR=∞;實(shí)際情況:KCMR越大,差分放大器的性能越好。[例5.1.1]設(shè)單管放大器的放大倍數(shù),AV1=AV2=-20。試求:(1)差分放大器的差模放大倍數(shù)AVD?(2)若已知差分放大器共模放大倍數(shù)AVC=0.02,求共模抑制比KCMR=?解:(1)(2)2、RP、Re、GE在電路中的作用

RP——調(diào)零電位器。作用是克服電路非對(duì)稱性。當(dāng)Vi=0時(shí)調(diào)節(jié)RP,使vo=0。Re——公共射極電阻。作用是引入共模負(fù)反饋。對(duì)共模信號(hào)有負(fù)反饋?zhàn)饔?,?duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路。VEE或GE——輔助電源(負(fù))。作用是補(bǔ)償Re上的直流壓降,穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn),防止輸出動(dòng)態(tài)范圍減小。6、實(shí)用的差分放大電路1、電路圖(雙端輸入雙端輸出)7、差分放大電路的連接方式雙端輸入:將信號(hào)加在兩個(gè)管子的基極。單端輸入:將信號(hào)加在一個(gè)管子的基極與公共地端。雙端輸出:負(fù)載RL接在兩個(gè)管子的集電極。單端輸出:負(fù)載RL接在某一個(gè)管子的集電極與地端,而另一個(gè)管子無(wú)輸出。差分放大電路的4種連接方式:(1)雙端輸入雙端輸出(電路對(duì)稱,同時(shí)利用電路兩側(cè)對(duì)稱性及發(fā)射極電阻RE的共模反饋來(lái)抑制零漂)(2)雙端輸入單端輸出(3)單端輸入雙端輸出(4)單端輸入單端輸出(電路不對(duì)稱,主要靠發(fā)射極電阻RE的共模反饋來(lái)抑制零漂)差分放大電路:(1)、由雙端輸出改為單端輸出,差模電壓放大倍數(shù)AVD減少一半。(2)、由雙端輸入改為單端輸入,差模電壓放大倍數(shù)AVD基本不變。一、集成運(yùn)算放大器的符號(hào)與引腳1.集成電路的封裝外形:國(guó)產(chǎn)集成運(yùn)放的封裝外形主要采用圓殼式和雙列直插式。2.集成運(yùn)放的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB3430/T—1989)規(guī)定,由字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示,例如CF741、CF124等,其中C表示國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),F(xiàn)表示運(yùn)算放大器,阿拉伯?dāng)?shù)字表示品種。國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。5.2集成運(yùn)算放大器介紹 (P139)3.集成運(yùn)放的管腳順序及功能

國(guó)產(chǎn)第二代集成運(yùn)放CF741接線如圖所示。雙列直插式集成運(yùn)放的管腳順序是,管腳向下,標(biāo)志于左,序號(hào)自下而上逆時(shí)針?lè)较蚺帕?。管腳功能如下:CF741外接線圖為反相輸入端(輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相位)為同相輸入端(輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相位)接負(fù)電源(-9~-18)V為輸出端接正電源(+9~+18)V為空腳腳1、4、5外接調(diào)零電位器國(guó)產(chǎn)第一代集成運(yùn)放F004接線如圖所示。圓殼式集成運(yùn)放的管腳順序是,管腳向上,序號(hào)自標(biāo)志起從小到大按順時(shí)針?lè)较蚺帕小9苣_功能如下:腳7接正電源(+15)V,腳4接負(fù)電源(-15)V,腳6為輸出端,腳1、4、8接調(diào)零電位器,腳3為同相輸入端,腳2為反相輸入端,腳5、6之間的300k電阻及RP、CP的作用是消除自激,可通過(guò)調(diào)試決定數(shù)值。

不同類型運(yùn)放的管腳排列和管腳功能是不同的,應(yīng)用時(shí)可查閱產(chǎn)品手冊(cè)來(lái)確定。F004外接線圖3.集成運(yùn)放的種類國(guó)產(chǎn)集成運(yùn)放根據(jù)用途可分為:通用型、低功耗型、高精度型、高阻型。4.集成運(yùn)放的主要參數(shù)(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)AVD:電路開環(huán)情況下(無(wú)反饋),輸出電壓與輸入差模電壓之比,即集成運(yùn)放本身的差模電壓放大倍數(shù)。AVD越大,集成運(yùn)放運(yùn)算精度越高。(2)差模輸入電阻rid:差模輸入時(shí),運(yùn)放無(wú)外加反饋回路時(shí)的輸入電阻。rid越大,集成運(yùn)放性能越好。(3)開環(huán)輸出阻抗rod:運(yùn)放無(wú)外加反饋回路時(shí)的輸出電阻。rod越小,集成運(yùn)放帶負(fù)載能力越強(qiáng)。(4)共模抑制比KCMR:綜合衡量運(yùn)放的放大和抗零漂抗共模干擾的能力。KCMR

越大,運(yùn)放性能越好。(5)輸入失調(diào)電壓VIO:輸入信號(hào)為零時(shí),為使輸出電壓也為零,在輸入端所加的補(bǔ)償電壓值。(6)輸出電壓峰-峰值VOPP:放大器在空載情況下,最大不失真電壓的峰-峰值。(7)靜態(tài)功耗PD:運(yùn)放輸入端短路、輸出端開路時(shí)所消耗的功率。(8)開環(huán)頻帶寬BW:開環(huán)電壓放大倍數(shù)隨信號(hào)頻率升高而下降3dB所對(duì)應(yīng)的頻帶寬。以上參數(shù)可根據(jù)集成運(yùn)放的型號(hào),從產(chǎn)品說(shuō)明書等有關(guān)資料中查閱。

5.集成運(yùn)放的圖形符號(hào)圖(a)是國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)(GB/T4728·13—1996)規(guī)定的符號(hào);圖(b)是曾用過(guò)的符號(hào)。畫電路時(shí),通常只畫出2個(gè)輸入端和1個(gè)輸出端。輸入端標(biāo)“+”號(hào)表示同相輸入端,標(biāo)“-”號(hào)表示反相輸入端。集成運(yùn)放可看成一個(gè)高電壓放大倍數(shù)、低零漂的雙端輸入、單端輸出式差分放大器。*一、集成運(yùn)算放大器的理想特性將集成運(yùn)放看作一個(gè)理想運(yùn)放,具備理想特性5條:1.輸入信號(hào)為零時(shí),輸出端應(yīng)恒定為零,即vi=0時(shí)vo=0;2.輸入阻抗無(wú)窮大,即ri=∞;3.輸出阻抗為0,即ro=0;4.通頻帶寬度BW應(yīng)從0到∞,即BW=∞;5.開環(huán)電壓放大倍數(shù)無(wú)窮大,即AVO=∞。在實(shí)際應(yīng)用和分析集成運(yùn)放電路時(shí),可將實(shí)際運(yùn)放視為理想運(yùn)放,以簡(jiǎn)化分析。5.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 (P143)對(duì)于理想集成運(yùn)放,通頻帶寬度(BW=fH-fL)從0到∞,因此,其下限頻率fL是0,上限頻率fH是∞。*二、理想集成運(yùn)放的重要結(jié)論1.同相輸入端與反相輸入端的電位相等。(兩端之間的電壓為零。也稱為虛短。)即 vi

+=vi

-U=vi

+—vi

-=02.同相輸入端與反相輸入端的輸入電流都為0。(也稱為虛斷)即 ii

+=ii

-=0*三、集成運(yùn)放的基本應(yīng)用1、反相輸入比例運(yùn)算放大電路(1)、基本電路圖(2)、反饋元件及反饋類型: Rf:電壓并聯(lián)負(fù)反饋(3)、虛地圖中,A點(diǎn)是虛地點(diǎn)!vB=0,因?yàn)橥噍斎攵伺c反相輸入端的電位相等,所以vA=vB

0。即A端的電位接近于零電位,但實(shí)際并沒有接地,所以通常把A端稱為“虛地”。B、閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

A、輸出電壓

(4)、計(jì)算公式結(jié)論: 反相輸入比例運(yùn)算放大電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)與開環(huán)電壓放大倍數(shù)(AVD)無(wú)關(guān),只取決于Rf

與R1的比值;輸出電壓與輸入電壓成反比例關(guān)系,比例系數(shù)是-Rf/R1。

(5)、完善應(yīng)用在同相輸入端多了一個(gè)電阻R2,叫平衡電阻。作用是:使運(yùn)放輸入級(jí)的差分放大電路對(duì)稱,有利于抑制零漂。計(jì)算公式為:R2=R1//Rf。(其他2個(gè)電阻并聯(lián))平衡電阻R2上沒有電流。其他結(jié)果與基本電路圖完全一樣。2、同相輸入比例運(yùn)算放大電路(1)、基本電路圖(2)、反饋元件及反饋類型: Rf:電壓串聯(lián)負(fù)反饋(3)、虛短圖中,A點(diǎn)是虛短點(diǎn)!因?yàn)橥噍斎攵伺c反相輸入端的輸入電流都為0,所以iA=iB

=0,則vB=vi,又因?yàn)橥噍斎攵伺c反相輸入端的電位相等,所以vA=vB

=vi

。即A端的電位接近于B點(diǎn)電位,好象兩端用導(dǎo)線短路,所以通常把A端稱為“虛短”。B、閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

A、輸出電壓

(4)、計(jì)算公式結(jié)論:同相輸入比例運(yùn)算放大電路的電壓放大倍數(shù)與開環(huán)電壓放大倍數(shù)(AVO)無(wú)關(guān),只取決于Rf與R1的比值;輸出電壓與輸入電壓同相且成比例關(guān)系,比例系數(shù)是 。

(5)、完善應(yīng)用在同相輸入端多了一個(gè)電阻R2,叫平衡電阻。作用是:使運(yùn)放輸入級(jí)的差分放大電路對(duì)稱,有利于抑制零漂。計(jì)算公式為:R2=R1//Rf。(其他2個(gè)電阻并聯(lián))平衡電阻R2上沒有電流。其他結(jié)果與基本電路圖完全一樣。3、加法比例運(yùn)算放大電路(1)、3輸入加法比例運(yùn)算放大電路的電路圖(2)、反饋元件及反饋類型: Rf:電壓并聯(lián)負(fù)反饋(3)、虛地:圖中,A點(diǎn)是虛地點(diǎn)(4)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):加法比例運(yùn)放是在反相比例運(yùn)放的基礎(chǔ)上多并聯(lián)了幾個(gè)輸入端而成的。(5)、輸出電壓VO計(jì)算公式若取R1=R2=R3=R,上式簡(jiǎn)化為:若又取Rf=R,則:vO=-(vI1+vI2+vI3)結(jié)論:電路的輸出電壓正比于各輸入電壓之和。(6)、平衡電阻3輸入加法比例運(yùn)算放大電路中,同相輸入端接一個(gè)平衡電阻R4,大小是其他4個(gè)電阻的并聯(lián)值。作用是:使運(yùn)放輸入級(jí)的差分放大電路對(duì)稱,有利于抑制零漂。計(jì)算公式為:若是n輸入的加法比例運(yùn)算放大電路,則平衡電阻的計(jì)算公式是:3、減法比例運(yùn)算放大電路(1)、電路圖(2)、反饋元件及反饋類型:Rf:電壓負(fù)反饋(3)、虛短:圖中,A點(diǎn)是虛短點(diǎn),電位計(jì)算公式為:提示: B點(diǎn)電位就是電阻R3上的電壓。R2與R3串聯(lián)后,所加的電壓是VI2。結(jié)論,輸出電壓正比于兩個(gè)輸入電壓之差。若Rf=R1,則:

vO=vI2–vI1(4)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn):減法比例運(yùn)放是在反相輸入端和同相輸入端同時(shí)輸入一個(gè)電壓信號(hào)。(即差分輸入)(5)、輸出電壓VO計(jì)算公式前提:R1=R2,R3=Rf注意看公式:同相輸入端信號(hào)減反相輸入端信號(hào)計(jì)算各電路的各個(gè)元件阻值并畫集成運(yùn)放電路圖,使它滿足vi與vO之間的下列運(yùn)算關(guān)系:例題:提示: 看這2個(gè)公式,分別符合集成運(yùn)放的哪種運(yùn)算關(guān)系?可將公式分別變形為:(1)VO=20(VI2-VI1)(2)VO=-10(VI1+VI2+VI3)解:

(1):由vO=20(vI2—vI1)可知,應(yīng)按減法比例運(yùn)算電路來(lái)連接,同相輸入端的輸入信號(hào)是vI2,反相輸入端的輸入信號(hào)是vI1。要求電阻R1=R2,R3=Rf且Rf=20R1。電路如圖:Rf是反饋元件,引入了電壓負(fù)反饋。A點(diǎn)是虛短點(diǎn)。(2):由VO=-10(VI1+VI2+VI3)可知,比例系數(shù)-10即-Rf/R的值。應(yīng)按3輸入加法比例運(yùn)算電路來(lái)連接。要求Rf=10R

,且R1=R2=R3=R,平衡電阻R4=R1//R2//R3//Rf。電路如圖:Rf是反饋元件,引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋。A點(diǎn)是虛地點(diǎn)。

集成運(yùn)放除了組成上述運(yùn)算單元電路外,還可改變反饋元件或連接方式組成乘法、除法、開方、平方、指數(shù)、對(duì)數(shù)以及微分、積分等各種運(yùn)算電路。1.反相器A、前提:反相比例運(yùn)放,Rf=R1,B、輸出電壓計(jì)算公式:vO=-vI,C、電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式:Avf=-1D、名稱由來(lái):輸出電壓與輸入電壓在數(shù)值上相等且相位相反,稱為“反相器”。E、電路符號(hào):圖中“1”表示電壓放大系數(shù)為1。四、集成運(yùn)放應(yīng)用的兩個(gè)特例2.電壓跟隨器A、前提:同相比例運(yùn)放,R

f=0,R1=,B、輸出電壓計(jì)算公式:vO=vI,C、電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式:Avf=1D、名稱由來(lái):輸出電壓與輸入電壓在數(shù)值上相等且相位相同,稱為“電壓跟隨器”。E、電路符號(hào):五、集成運(yùn)放的三種輸入形式

集成運(yùn)放作為放大器,它的輸入方式有三種:同相輸入、反相輸入、差分輸入。同相比例運(yùn)放是“同相輸入”方式反相比例運(yùn)放、加法比例運(yùn)放是“反相輸入”方式減法比例運(yùn)放是”差分輸入”方式集成運(yùn)算放大器的工作在線性區(qū),引入的是負(fù)反饋。集成運(yùn)算放大器的工作在非線性區(qū),引入的是正反饋;或者使運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)。輸出電壓不是高電平,就是低電平。過(guò)零比較器:參考電壓是0V,即與零電壓比較:(可以由反相比例運(yùn)放構(gòu)成,也可以由同相比例運(yùn)放構(gòu)成)

Vi>0,Vo=—VccVi<0,Vo=+VccVi>0,Vo=+VccVi<0,Vo=—Vcc一.LM324組成電平指示電路1、LM324簡(jiǎn)介L(zhǎng)M324是含有四個(gè)運(yùn)放的集成組件。簡(jiǎn)稱四運(yùn)放集成電路。GND為接地端,VCC為電源正極端(6V),每個(gè)運(yùn)放的反相輸入端、同相輸入端、輸出端均有編號(hào)。例如,1Vi、1Vi+、1VO分別表示1號(hào)運(yùn)放的反相輸入端、同相輸入端及輸出端。依此類推,2Vi-、2Vi+、2VO是表示2號(hào)運(yùn)放器的等等。5.4集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 2、LM324組成的電平指示器四個(gè)運(yùn)放的同相輸入端連接于由V(2AP9)、R10、C2組成的整流電路輸出端,作為信號(hào)的輸入端。輸出端分別通過(guò)限流電阻R6、R7、R8、R9接有發(fā)光二極管LED1、LED4、LED3、LED2。反相輸入端分別經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)RP1、R2、R3、R4、R5分壓后加上量值不等的正電壓。

無(wú)信號(hào)輸入時(shí),四個(gè)運(yùn)放同相輸入端皆為零電平,因反相輸入端皆為正電位,所以各運(yùn)放輸出低電平,因此V1~V4各發(fā)光二極管均不發(fā)光。有信號(hào)輸入時(shí),信號(hào)經(jīng)整流后的對(duì)地電壓(電位)若僅大于第2腳電位,則第1腳的發(fā)光二極管V1發(fā)光。

若同相輸入端的電位都高于相應(yīng)運(yùn)放反相輸入端的電位時(shí),四個(gè)發(fā)光二極管LED1、LED4、LED3、LED2全部發(fā)光。這樣,隨著音頻信號(hào)強(qiáng)弱的變化,電路中發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)和亮度也隨之變化。其中,改變RP1的阻值,可調(diào)整發(fā)光二極管的亮度。5.5集成運(yùn)放使用常識(shí)一、零點(diǎn)調(diào)整方法:將輸入端短路接地,調(diào)整調(diào)零電位器,使輸出電壓為零。二、消除自激振蕩方法:加阻容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。具體參數(shù)和接法可查閱使用說(shuō)明書。目前,由于大部分集成運(yùn)放內(nèi)部電路的改進(jìn),已不需要外加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。三、保護(hù)電路1.電源

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