3.理解集成运放的线性应用及其工作原理.ppt

* 2004年10月 制作 曾令琴 主编 曾令琴 集成运放简介及其线性、非线性应用 第二篇 8.2 集成运放的应用 8.1 集成运算放大器 第二篇 学习集成运算放大器 学习目的与要求 1. 了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号； 2. 掌握集成运放的理想化条件及其分析方法； 3. 理解集成运放的线性应用及其工作原理； 4. 了解一般集成运放的简单非线性应用。 第2页 1．集成运算放大器概述 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。 8.1 集成运算放大器 输入级一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同相输入端两个输入端； 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； 输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。 偏置电路是为各级提供合适的工作电流。 此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。 集成电路的几种外形 第2页 左图所示为μA741集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出，μA741集成运放有8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下： 1 μA741 2 8 7 6 5 4 3 空脚 正电源端 输出端 调零端 调零端 反相输入端 同相输入端 负电源端 集成运放的电路图符号 ∞ ＋ ＋ － U0 U+ U- 同相输入 反相输入 ∞ ＋ ＋ － +12V 输出 6 5 1 3 7 2 4 -12V 调零电位器 外部接线图 第2页 2．集成运算的主要技术指标 （1）开环电压放大倍数Au0 指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为104～107； 集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；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； （2）差模输入电阻ri和输出电阻r0 （1）开环电压放大倍数Au0 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。 （3）最大共模输入电压Uicmax 第2页 3．理想集成运算及其传输特性 Auo=∞、 ri=∞、 r0=0 、KCMR=∞。 理想特性 集成运放的电压传输特性 u0(V) ui(mV) 0 ＋U0M －U0M 实际特性 根据集成运放的实际特性和理想特性，可画出相应的电压传输特性。 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： 电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系。 可以看出，当集成运放工作在线性区（+U0M~－U0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态—使输出电压保持稳定。 线性区 饱和区 输出、输入电压的关系： 第2页 根据集成运放的理想化条件，可以导出两个结论，作为集成运放在线性区工作的重要分析依据： （1）虚断：由ri=∞，得i＋＝i－＝0，即理想运放内部不需要向信号源索取任何电流，两个输入端的电流恒为零。电流为零相当于断路，但实际上两个输入端并未真正断开，因此称为虚断； （2）虚短：由Ado=∞，得u＋＝u－，即理想运放两个输入端的电位相等。两点等电位相当于短路，实际上两个输入端并未真正短接，因此称为虚短。 1. 集成运放由哪几部分组成，各部分的主要作用是什么？ 2. 理想运放的特点是什么？ 3. 工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？何谓“虚断”？“虚短”？ 第2页 1．反相比例运算电路 集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。当集成运放通过外接电路引入负反馈时，集成运放成闭环并工作在线性区，可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等；若工作在非线性区，集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。 先介绍集成运放的线性应用。 8.2 集成运放的应用 式中负号表示输出电压与输入电压的相位相反 ∞ ＋ ＋ － +12V u0 6 5 1 3 7 2 4 -12V R2 R1 ui i1 if RF R2是平衡电阻： 第2页 2．同相比例运算电路 ∞ ＋ ＋ － +12V u0 6 5 1 3 7 2 4 -12V R2 R1 ui i1 if RF 可见同