集成運(yùn)算放大器(高職院)武漢吳淑霞編.ppt

模擬集成電路的工藝特點(diǎn)：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，電路具有對稱性。（2）芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容。因此，采用直接耦合方式，并用差動(dòng)放大電路克服直接耦合的零點(diǎn)漂移。（5）不能制造電感，電感只能外接。,集成電路,集成電路：將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路。,一.集成運(yùn)放的特性1、基本結(jié)構(gòu)與符號,任務(wù)4-3集成運(yùn)算放大器,集成運(yùn)算放大器高增益的直接耦合的集成的多級放大器。,圖4-20集成運(yùn)放內(nèi)部組成原理框圖,簡單集成運(yùn)放原理電路圖：,（1）輸入級：,輸入級也稱為差動(dòng)輸入級，是提高運(yùn)放質(zhì)量的關(guān)鍵部分，要求輸入電阻高。采用具有恒流源的差動(dòng)放大電路，為了減小零點(diǎn)漂移和擬制共模干擾信號。,（2）中間級中間級也稱為電壓放大級，主要作用是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。,（3）輸出級：主要作用是輸出足夠的電流。低輸出電阻和高輸入電阻，使放大級與負(fù)載隔離。,（4）偏置電路：作用：為各級提供合適的工作電流。,集成運(yùn)算放大器的電路符號,常用符號：,國際標(biāo)準(zhǔn)符號：,集成運(yùn)放的特點(diǎn)：,電壓增益高,輸入電阻大,輸出電阻小,2、理想集成運(yùn)放的性能指標(biāo)及傳輸特性,理想集成運(yùn)放：具有理想?yún)?shù)的集成運(yùn)算放大器。主要性能指標(biāo)：1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Au02）輸入電阻Rid3）輸出電阻Ro04）共模擬制比KCMRR,集成運(yùn)算放大器的傳輸特性,ui,線性區(qū)：輸入信號的絕對值較小。集成運(yùn)放線性應(yīng)用。飽和區(qū)：輸入信號的絕對值大于某一數(shù)值，集成運(yùn)放非線性應(yīng)用。,在線性應(yīng)用中，集成運(yùn)放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，它的輸出量與輸入量呈線性關(guān)系（比例關(guān)系）。有信號運(yùn)算、信號變換和正弦波發(fā)生器等多種電路。,在非線性應(yīng)用中，集成運(yùn)放工作在開環(huán)（無反饋）狀態(tài)，它的輸出量與輸入量呈非線性關(guān)系。有電壓比較器和非正弦波發(fā)生器等電路。,理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的重要特點(diǎn)：,虛短：兩輸入端的電位相同（兩輸入端之間電壓為零），認(rèn)為“虛假短路”，簡稱“虛短”。虛斷：集成運(yùn)放兩輸入端的電流幾乎為零，認(rèn)為“虛假斷路”，簡稱“虛斷”。,虛地：若反相端有輸入，同相端接“地”，則反相輸入端的電位接近“地”電位。稱為“虛假接地”，簡稱“虛地”。,1、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo：集成運(yùn)放在開環(huán)（無反饋）、線性區(qū)工作時(shí)的差模電壓增益。一般在100120dB左右，高增益運(yùn)放可達(dá)140dB以上。2、輸入失調(diào)電UIO為使輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓，即輸出端折算到輸入端的失調(diào)電壓。表征運(yùn)放內(nèi)部電路對稱性的指標(biāo)。,二、集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),3、輸入失調(diào)電流Iio：在零輸入、零輸出時(shí)，流入運(yùn)放兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，用于表征差動(dòng)級輸入電流不對稱的程度。,4、最大差模輸入電壓UidmaxUidmax是指運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。若超過此電壓時(shí),差動(dòng)管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。,5、最大共模輸入電壓VicmaxVicmax是指運(yùn)放在線性工作范圍內(nèi)，所能承受的最大共模輸入電壓。若共模電壓超過此值時(shí)，放大器失去共模抑制能力，運(yùn)放不能正常工作。,6、差模輸入電阻Rid：Rid是指運(yùn)放兩輸入端之間的交流輸入電阻。一般比較大。雙極型管輸入級約為105106歐姆，場效應(yīng)管輸入級可達(dá)109歐姆以上。,8、共模抑制比KCMR：KCMR=20lg(Avd/Avc)(dB)越大越好。一般在80dB以上，性能好的高達(dá)180dB。,7、輸出電阻Ro：Ro是指運(yùn)放開環(huán)工作時(shí)，從輸出端對地之間看進(jìn)去的等效電阻。一般比較小。,三、集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路,1、比例運(yùn)算電路,(1)反相比例運(yùn)算電路,根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，可得,又有：If=Ii=Ui/R1只要輸入電壓Ui恒定，則輸出電流If將恒定不變。（即反相輸入電壓-電流變換器）,電壓放大倍數(shù),平衡電阻R2，R2=R1/Rf,(2)同相比例運(yùn)算電路,又有：UN=UP=Ui則If=Ii=Ui/R1（即同相輸入電壓-電流變換器，與反相時(shí)相同。）,因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷.,u-=u+=ui,i1=if（虛斷）,此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,ui=u+=u-=uo,因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷：,若Auf=1,則具有電壓跟隨作用：,2、加減運(yùn)算電路,（1）加法運(yùn)算電路有同相加法電路和反相加法電路。這里分析反相加法電路。,反相加法運(yùn)算電路,反饋信號通過反饋電阻Rf加到反相輸入端，同相輸入端通過平衡電阻R接地。,虛地,如果取Rf=R則：UO=-(Ui1+Ui2+Ui3),輸出電壓正比于各輸入電壓之和，且相位相反，所以，該電路又叫反相加法比例運(yùn)算電路。,R=R1R2R3Rf根據(jù)虛短和虛斷的概念，可得：If=I1+I2+I3,若：R1=R2=R3=R則：,反相加法器：,若R1=R2=R,i1+i2=if,虛地,平衡電阻R0=R1/R2/Rf,（2）減法運(yùn)算電路,減法運(yùn)算電路用差動(dòng)輸入方式來實(shí)現(xiàn)，又稱為“差分運(yùn)算電路”。,輸入信號Ui1通過R1加到反相輸入端，Ui2通過R2加到同相輸入端，說明該電路是同相比例運(yùn)算放大電路和反相比例運(yùn)算放大電路的組合。通常R1=R2,R=Rf。,根據(jù)“虛短”的概念，UP=UN，而R=Rf,R1=R2,所以,如果Rf=R1，則UO=Ui2-Ui1,當(dāng)Ui1單獨(dú)作用，即,Ui2單獨(dú)作用，即Ui2加到同相輸入端，故Up0，N點(diǎn)不是“虛地”點(diǎn)。,Ui1、Ui2同時(shí)作用，根據(jù)疊加定理，則：U0=Ui1+Ui2,例題：電路如圖所示，求Uo1和Uo？,Uo,+,+,-,R3,R,Rf2,Ui1,Uo1,+,+,-,R1,R,Rf1,R2,Ui2,反相比例運(yùn)算電路,加法運(yùn)算電路,第一級為反相比例運(yùn)算電路，有：Uo1=-Rf1Ui1/R1,第二級為加法運(yùn)算電路，得：Uo=-Rf2(Uo1+Ui2)/R,即：利用加法器和反相比例器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。,例題：電路如圖所示，寫出相應(yīng)的輸入、輸出關(guān)系式。,3、積分與微分電路(1)積分電路由于i+=i-=0u+=u-=0則iR=iC,積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。,積分電路中的電容和電阻交換位置,（2）微分電路,微分電路將方波轉(zhuǎn)換為尖脈沖。,小結(jié),1、集成運(yùn)算放大器：高增益的直接耦合的集成的多級放大器。具有組合與數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。2、集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)。3、集成運(yùn)算放大器的傳輸特性，在線性應(yīng)用中，集成運(yùn)放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，在非線性應(yīng)用中，集成運(yùn)放工作在開環(huán)（無反饋）狀態(tài)。4、理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的重要特點(diǎn)。5、集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)6、集成運(yùn)算放大器線性應(yīng)用。（1）反相比例運(yùn)算電路、同相比例運(yùn)算電路、反相加法器、減法運(yùn)算電路（2）積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。微分電路將方波轉(zhuǎn)換為尖脈沖。,二、集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用,非線性應(yīng)用是電路往往處于開環(huán)工作狀態(tài)，或指引入正反饋。由于理想集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)趨于無窮大，所以只要兩個(gè)輸入端之間存在微小的電壓差值，就足以使輸出電壓飽和。其正向飽和值Uo+接近正電源電壓值，負(fù)向飽和值Uo-接近負(fù)電源電壓值，即在非線性區(qū)域內(nèi)，輸出電壓uo只有兩個(gè)狀態(tài)：,當(dāng)u+>u-時(shí)uo=Uo+,當(dāng)u+0時(shí)，uo=Uo-,當(dāng)ui0時(shí),uo=-UZ;ui0，由于集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，就有：當(dāng)ui>UR時(shí)，uo=Uo-；當(dāng)ui0，輸入ui為正弦波，輸出uo為矩形波，當(dāng)ui>UR時(shí)，uo=Uo-；當(dāng)ui<UR時(shí)，uo=Uo+。輸出電壓Uo只在ui=UR處才發(fā)生跳變。Uo+與Uo-之間的變換，只跟ui=UR一個(gè)值相對應(yīng)，所以稱他為單門限電壓比較器。,三、集成運(yùn)放的使用常識(shí)（自學(xué)）,1.常見故障分析,不能調(diào)零。開環(huán)狀態(tài)可認(rèn)為正常，若引入負(fù)反饋后，輸出電壓仍接近極限值，其原因可能是接線錯(cuò)誤、或有虛焊、或集成運(yùn)放損壞。工作時(shí)產(chǎn)生自激振蕩?？赡苁峭饨拥腞C補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不恰當(dāng)、輸出端有電容性負(fù)載或接線太長。集成運(yùn)放組件突然損壞。輸出端對地短路、電源極性接反或電源電壓過高、輸入信號過大、集成運(yùn)放質(zhì)量差等。,2.集成運(yùn)放的保護(hù),輸入保護(hù)在輸入電路上接入二極管V1、V2，利用二極管對輸入信號幅度加以限制。輸出保護(hù)在輸出電路上反向串聯(lián)兩只穩(wěn)壓二極管V1、V2，無論輸出端出現(xiàn)正向或負(fù)向的過電壓，都將有一只管子正偏導(dǎo)通，另一只管子反向擊穿，將輸出電壓幅度穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。電源極性接錯(cuò)的保護(hù)將二極管正向串入正、負(fù)電源供電電路中，因二極管的單向?qū)щ娦裕娫礃O性正確它導(dǎo)通，極性接反它截止，電源不通，保護(hù)了集成運(yùn)放。,小結(jié)：,集成運(yùn)放有線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類，在線性應(yīng)用中，集成運(yùn)放的理想化條件完全適用，輸出電壓和輸入電壓呈比例關(guān)系。在非線性應(yīng)用中，理想化條件中“虛短”的概念不再成立，但“虛斷”的概念依然成立。輸出電壓只有兩個(gè)狀態(tài)，不是Uo+，就是Uo。,區(qū)分集成運(yùn)放是工作在線性區(qū)還是工作在非線性區(qū)的方法是：如果有負(fù)反饋（多為深度負(fù)反饋），集成運(yùn)放工作在線性區(qū)；如果沒有負(fù)反饋（開環(huán)），則集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。,反映集成運(yùn)放性能的好壞有幾十個(gè)參數(shù)，一種運(yùn)放要想在各種指標(biāo)上都達(dá)到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型運(yùn)放，各種參數(shù)指標(biāo)都不算太高，但比較均衡，適用于量大面廣，沒有特殊要求的場合。特殊類型的集成運(yùn)放，在某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)上有很高的性能，而其他參數(shù)一般。用戶可以從特殊類型集成運(yùn)放的系列中進(jìn)行選擇，以滿足某些方面的特殊要求。,5.5特殊集成運(yùn)算放大器,1.高輸入阻抗型,這種類型的集成運(yùn)放差模輸入電阻往往大于109W，輸入偏置電流通常為pA數(shù)量級。這種類型的集成運(yùn)放，輸入級經(jīng)常采用結(jié)型場效應(yīng)管JFET與BJT相結(jié)合構(gòu)成差動(dòng)輸入級，稱為BiFET，或采用超管與BJT結(jié)合的電路，構(gòu)成差動(dòng)輸入級。其典型產(chǎn)品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。,2.高精度、低漂移型,要求集成運(yùn)放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T<2mV,IIO/T10MHZ。主要應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速AD和DA轉(zhuǎn)換器，高速鎖相環(huán)及視頻放大系統(tǒng)中，性能優(yōu)良的高速運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率已可達(dá)到幾千伏微秒。高速型運(yùn)放的典型產(chǎn)品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,4.低功耗型,要求其功耗為微瓦數(shù)量級。電流幾十微安，電源電壓在幾伏以下。典型產(chǎn)品有CA3078、mPC253、ICL7641等。,5.大功率型,大功率型集成運(yùn)放的電源電壓為正負(fù)幾十伏，輸出電流幾十安培，輸出功率為幾十瓦左右。典型產(chǎn)品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。,