第三章 集成运算放大器及其应用.ppt

第3章 集成运算放大器及其应用 本章主要内容 (1)集成运算放大器的特点及参数 (2)放大器中的负反馈 (3)集成运放的线性应用 (4)集成运放的非线性应用 5.1 集成运算放大器 集成运算放大器是一种高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。由于早期它主要用于模拟量的某些数学运算，故名运算放大器，简称集成运放。 3.1 集成运算放大器 3.1.1 集成运放的特点 ① 所有元器件处于同一晶片上，由同一工艺做成，易做到电气特性对称，温度特性一致，适于制造对称性高的电路。因此 ，容易制成温度漂移很小的运算放大器。 ② 在集成运放中常用晶体管恒流源代替电阻。必须用的高阻值电阻，常采用外接方式。 ③ 集成运放各级之间的连接多采用直接耦合方式，基本上不采用电容元件。必须使用电容器的场合，也常采用外接方式。 ④ 集成电路中制作晶体管容易，二极管通常是用晶体管的基极与集电极短接后的发射结来代替。 3.1.2 集成运放的组成及主要参数 1. 集成运放的组成 集成运放通常由4部分组成，即输入级、中间级、输出级及偏置电路，如图3.1所示。 图3.1 集成运放组成框图 （1）输入级。输入级是构成高质量集成运放的关键部分，通常由具有恒流源的双端输入、单端输出的差分放大电路构成，其目的是为了抑制放大电路的零点漂移，提高输入电阻。 （2）中间级。中间级的主要作用是进行电压放大，通常采用共射（或共源）放大电路，其电压放大倍数可达千倍以上。 （3）输出级。输出级一般采用互补对称功率放大电路，要求其输出电阻小，带负载能力强。此外，输出级还带有保护电路，以防意外短路或过载时造成电路损坏。 （4）偏置电路。偏置电路的作用是为集成运放中各级电路提供稳定、合适的偏置电流，确立各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。 从外部作为一个整体来看，集成运放是一个双端输入、单端输出、具有高输入电阻、低输出电阻、高差模放大倍数和高共模抑制比的差分放大电路，其电路符号如图3.2所示。 图3.2 集成运放的电路符号 其中u+端的输入电压与输出电压uo同相，称为同相输入端；u-端的输入电压与输出电压uo反相，称为反相输入端。 Aod是集成运放无外接反馈回路时的差模电压放大倍数，称为开环差模电压放大倍数或开环差模电压增益。 2. 集成运放的主要参数 （1） 开环差模电压放大倍数Aod Aod是指集成运放在没有外接反馈回路时的差模电压放大倍数，即Aod=uo/(u+-u-)。 它体现了集成运放的电压放大能力，常用分贝（dB）表示，Aod（dB）=20lg|Aod|。 Aod值越大越稳定，相应的运算电路的运算精度越高。所以，它是决定运算精度的主要因素。理想条件下，可以认为Aod≈∞。 （2） 输入失调电压UIO 在理想的集成运放中，当输入电压ui=0时，输出电压uo应为零。但在实际电路中，ui=0时，输出uo并不为零。如果要使uo=0，必须在输入端加入一个很小的电压来补偿。这个电压就是输入失调电压，用UIO表示。 （3） 输入失调电流IIO 静态时，流入集成运放两个输入端的电流之差称为输入失调电流，用IIO表示。它反映了集成运放两个静态输入电流的不对称性。IIO的存在会产生输出失调，因而IIO的值越小越好。理想条件下，可以认为IIO≈0。 （4） 共模抑制比KCMR 共模抑制比KCMR等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即KCMR=Aod/Aoc，也常用分贝（dB）表示，其数值为20lgKCMR。KCMR值越大，集成运放抑制共模信号的能力越强。它一般应大于80dB，理想条件下，可以认为KCMR≈∞。 （5） 差模输入电阻rid 差模输入电阻rid是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。rid值越大，集成运放向信号源取的电流越小。Rid一般应大于2MΩ，理想条件下，可以认为rid≈∞。 （6） 最大共模输入电压Uicmax 集成运放对共模信号有抑制能力，但当共模输入电压超过一定极限时，集成运放将不能正常工作甚至损坏。 共模输入电压的这一极限数值就是集成运放的最大共模输入Uicmax。 3.1.3 集成运放的理想模型 在分析和计算集成运放的实际电路时，为了使问题的分析简化，常将集成运放看作一个理想的运放，即把运放的各项参数都理想化。 由于实际集成运放的性能参数与理想运放十分接近，所以在分析计算时用理想运放代替实际运放所引起的误差并不大，在工程计算中是允许的，并且可以使问题的分析和计算大为简化。 集成运放的理想参数主要有： ① 开环差模