电子技术(第2版)课件第3章集成运算放大电路.ppt

1、 掌握集成运算放大电路的组成、理想特性及电路掌握集成运算放大电路的组成、理想特性及电路符号符号 掌握集成运算放大电路的基本运算电路掌握集成运算放大电路的基本运算电路 掌握集成运算放大电路的负反馈类型掌握集成运算放大电路的负反馈类型 了解集成运算放大电路的应用了解集成运算放大电路的应用 本章学习要求本章学习要求 第第3章章 集成运算放大电路集成运算放大电路 了解电压比较器的原理了解电压比较器的原理 3.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 3.2 负反馈放大电路负反馈放大电路 3.3 集成电路的基本单元电路集成电路的基本单元电路 3.4 集成运算放大电路基本应用电路分析集成运算放大电路基

2、本应用电路分析 3.5 集成芯片的封装及识别集成芯片的封装及识别 3.6 实验实验 集成运算放大器参数测试集成运算放大器参数测试 3.7 实验实验 集成运算放大电路功能测试集成运算放大电路功能测试 3.8 本章小结本章小结 3.9 习题习题本章大纲本章大纲3.1.1 集成电路的特点 集成电路是在一块半导体基片上做出许多电子元器件，并进行封装、做出引脚引线，构成一个不可分割的整体。由于集成电路中各元器件的连接线路短，元器件密度大，外部引线及焊点少，从而大大提高了电路工作的可靠性，缩小体积，减轻重量，简化组装和调试工作，降低产品成本等，因此得到了广泛应用。常用集成电路的外形如图3-1所示。3.1

3、集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述 图3-1 常用集成电路的外形 电阻占用硅片面积比晶体管大许多，阻值越大，占用硅片面积就越大。为此，集成电路常常由三极管构成恒流源作为大电阻来使用，也可以通过引脚外接大电阻。集成电路中用的二极管通常是利用三极管的一个PN结作为二极管。集成电路硅芯片上制造一只三极管比较容易，而且所占的面积也不大。但是在硅芯片上制造大电容器、电感器十分不方便，也不经济，所以集成电路内各级之间全部采用直接耦合方式，如需大电容器、电感线圈时，就需通过引脚外接。集成电路的元器件具有良好的一致性和同向偏差，比较有利于实现需要对称结构的电路。集成电路的芯片面积小，集成度高，因此功耗很

4、小，一般在毫瓦以下。ooouri3.1.2 集成电路的分类 表3-1集成电路的分类划分方法及类型说 明按集成度划分小规模集成电路元器件数目在100以下，用字母SSI表示中规模集成电路元器件数目在1001000之间，用字母MSI表示大规模集成电路元器件数目在1000至数万之间，用字母LSI表示超大规模集成电路元器件数目在10万以上，用字母VLSI表示按处理信号划分模拟集成电路用于放大或变换连续变化的电流和电压信号。它又分为线性集成电路和非线性集成电路两种数字集成电路用于放大或处理数字信号按制造工艺划分 半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路等 集成运算放大电路简称运放，是一种具有很高放大倍数

5、的多级直接耦合放大电路，是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路，具有运算和放大作用。1集成运算放大电路的组成 集成运算放大电路由输入级、中间级、输出级、偏置电路4部分构成，其结构框图如图3-2所示。3.1.3集成运算放大电路 图3-2 集成运算放大电路的结构框图ooouri图3-3 集成运放741的电路原理图2集成运放的理想模型和基本特点（1）集成运算放大电路符号 集成运算放大电路的符号如图3-4所示。反相输入端：表示输出信号和输入信号相位相反，即当同 相端接地，反相端输入一个正信号时，输出端输出信号为负。同相输入端：表示输出信号和输入信号相位相同，即当反相端接地，同相端输入一个正信号时，输

6、出端输出信号也为正。集成运算放大电路符号的含义对应实际集成运放引脚图，如图3-5所示。图3-4 集成运算放大电路符号 图3-5 实际集成运放引脚图（2）理想运算放大电路的电路符号 在分析运算放大器的电路时，一般将其看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件有图3-6 理想运算放大电路的电路符号 开环差模电压放大倍数：Auo；开环差模输入电阻：ri；开环输出电阻：ro0；共模抑制比：KCMR；开环带宽：fbw为0。理想运算放大电路的电路符号如图3-6所示。图3-6 理想运算放大电路的电路符号（3）理想运算放大电路的两个重要特点 两输入端电位相等，即uP=uN；放大电路的电压放大倍数为 在线性区，集

7、成运放的输出电压uo为有限值，根据运放的理想特性Auo，有uP=uN，即集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当于短路，此现象称为虚假短路，简称虚短，如图3-7所示。图3-7 集成运放的虚假短路oouoPNPNuuAuuu 净输入电流等于零，即Ii+=Ii-0 在图3-8中，运算放大电路的净输入电流Ii为 根据运放的理想特性ri，有Ii+=Ii-0，即集成运放两个输入端的净输入电流约为零，好像电路断开一样，但又不是实际断路，此现象称为虚假断路，简称虚断，如图3-8所示。PNiiuuIr 图3-8 集成运放的虚假断路（4）集成运放的主要技术指标 表3-2 集成运算放大电路的主要性能指标参 数

8、名 称含 义UIO输入失调电压为使集成运放的输入电压为零时，输出电压为零，在输入端施加的补偿电压称为输入失调电压，其值一般为几毫伏IIB输入偏置电流当集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流的平均值称为偏置电流。若两个输入端电流分别为IBN和IBP，则IIB=（IBN+IBP）/2，一般IIB为10nA1A，其值越小越好IIO输入失调电流当集成运放输出电压为零时，两个输入端偏置电流之差称为输入失调电流，IIO越小越好，其值一般为1nA0.1AAud开环差模电压增益集成运放在无外加反馈的情况下，对差模信号的电压增益称为开环差模电压增益，其值可达100140dBRid差模输入电阻集成运放两输入端

9、间对差模信号的动态电阻，其值为几十千欧到几兆欧Rod差模输出电阻集成运放开环时，输出端的对地电阻，其值为几十到几百欧KCMR共模抑制比集成运放开环电压放大倍数与其共模电压放大倍数比值的对数值称为共模抑制比，其值一般大于80dBUIdM最大差模输入电压集成运放输入端间所承受的最大差模输入电压。超过该值，其中一只晶体管的发射结将会出现反向击穿现象UIcM最大共模输入电压集成运放所能承受的最大共模输入电压。超过该值，运算放大器的共模抑制比将明显下降 电子设备中的放大电路，通常要求其放大倍数非常稳定，输入输出电阻的大小、通频带以及波形失真等都应满足实际使用的要求。为了改善放大电路的性能，就需要在放大电

10、路中引入负反馈。3.2 负反馈放大电路负反馈放大电路3.2.1 反馈的基本概念 反馈是将放大电路输出量的一部分或全部，按一定方式送回到输入端，与输入量一起参与控制，从而改善放大电路的性能。带有反馈的放大电路称为反馈放大电路。反馈的必要条件是要有反馈网络，并且要将输出量送回输入量。反馈网络是连接输出回路与输入回路的支路，多数由电阻元器件构成。反馈放大电路方框图如图3-9所示。当放大电路引入反馈后，反馈电路和放大电路就构成一个闭环系统，使放大电路的净输入量不仅受输入信号的控制，也受放大电路输出信号的影响。3.2.1 反馈的基本概念 图3-9 反馈放大电路方框图 3.2.2 集成运放的反馈类型 目前

11、电子线路中广泛采用的是集成电路，所以我们就分析集成运放的反馈类型。1直流反馈和交流反馈 根据反馈量是交流量还是直流量，可将反馈分为直流反馈与交流反馈。直流反馈：若电路将直流量反馈到输入回路，则称直流反馈。直流反馈多用于稳定静态工作点。交流反馈：若电路将交流量反馈到输入回路，则称交流反馈。交流反馈多用于改善放大电路的动态性能。【例3-1】判断图3-10中有哪些反馈回路，是交流反馈还是直流反馈？解：根据反馈到输入端的信号是交流还是直流还是同时存在，来进行判别。同时根据注意电容的“隔直通交”作用，Rf构成交、直流反馈，C2构成交流反馈。图3-10 例3-1图2正反馈和负反馈 负反馈：当输入量不变时，

12、引入反馈后使净输入量减小，放大倍数减小的反馈称为负反馈。负反馈多用于改善放大电路的性能。正反馈：当输入量不变时，引入反馈后使净输入量增加，放大倍数增加的反馈称为正反馈。正反馈多用于振荡电路和脉冲电路。判别正、负反馈时，可以从判别电路各点对“地”交流电位的瞬时极性入手，即可直接在放大电路图中标出各点的瞬时极性来进行判别。瞬时极性为正，表示电位升高；瞬时极性为负，表示电位降低。判别的具体步骤如下。（1）设接“地”参考点的电位为零；（2）若电路中某点的瞬时电位高于参考点（对交流为电压的正半周），该点电位的瞬时极性为正（用+表示）；反之为负（用表示）；（3）若反馈信号与输入信号加在不同输入端（或两个电

13、极）上，两者极性相同时，净输入电压减小，为负反馈；反之，极性相反为正反馈；（4）若反馈信号与输入信号加在同一输入端（或同一电极）上，两者极性相反时，净输入电压减小，为负反馈；反之，极性相同为正反馈。【例3-2】判断图3-11所示电路是正反馈还是负反馈。解：输入电压为正，各电压的瞬时极性如图3-12所示。根据若反馈信号与输入信号加在不同输入端上，两者极性相同时，净输入电压减小，为负反馈。Rf是反馈元件，该反馈为负反馈。图3-11 例3-2图 图3-12 各电压的瞬时极性3电压反馈和电流反馈 根据取自输出端反馈信号的对象不同，可将反馈分为电压反馈和电流反馈。电压反馈：反馈信号取自输出端的电压，即反

14、馈信号和输出电压成正比，称为电压反馈。电压反馈电路如图3-14所示。电压反馈时，反馈网络与输出回路负载并联。电流反馈：反馈信号取自输出端的电流，即反馈信号和输出电流成正比，称为电流反馈。电流反馈电路如图3-15所示。电流反馈时，反馈网络与输出回路负载串联。图3-14 电压反馈的电路 图3-15 电流反馈的电路 判断电压或电流反馈的方法是将反馈放大电路的输出端短接，即输出电压等于零，若反馈信号随之消失，表示反馈信号与输出电压成正比，是电压反馈；如果输出电压等于零，而反馈信号仍然存在，则说明反馈信号与输出电流成正比，是电流反馈。4串联反馈和并联反馈 根据反馈电路把反馈信号送回输入端连接方式的不同，

15、可分为串联反馈和并联反馈。串联反馈：把输入端，反馈电路和输入回路串联连接，反馈信号与输入信号以电压形式相加减，如图3-16所示。并联反馈：把输入端，反馈电路和输入回路并联连接，反馈信号与输入信号以电流形式相加减，如图3-17所示。判断串联反馈或并联反馈的方法是将放大电路的输入端短接，即输入电压等于零，若反馈信号随之消失，则为并联反馈；若输入电压等于零，反馈信号依然能加到基本放大电路输入端，则为串联反馈。图3-16 串联反馈 图3-17 并联反馈 【例3-3】试判别图3-18所示放大电路中从集成运算放大电路A2输出端引至A1输入端的是何种类型的反馈电路。图3-18 例3-3图解：先在图中标出各点

16、的瞬时极性及反馈信号，如图3-19所示。根据反馈信号与输入信号加在不同输入端上，两者极性相同时，净输入电压减小，为负反馈。将输出端短接，反馈信号消失，所以是电压反馈。将输入端短接，反馈信号仍然存在，所以是串联反馈。反馈元件是R，反馈类型是电压并联负反馈。图3-19 瞬时极性及反馈信号 3.2.3 负反馈对放大电路性能的影响型 负反馈可使放大电路很多方面的性能得到改善。1降低放大倍数 由图3-9可知，引入负反馈后的放大倍数为 式中，A为基本放大电路的放大倍数，称为开环放大倍数，即未引入反馈时的放大倍数。Af为引入负反馈后的放大倍数，称为闭环放大倍数。由于闭环放大倍数是开环放大倍数A的1/（1+A

17、F）倍，所以引入负反馈后放大电路的放大倍数下降了。（1+AF）称为反馈深度，（1+AF）越大，反馈深度越深，Af下降的就越多。当（1+AF）1时，称为深度负反馈，此时，式（3-4）标明，在深度负反馈时，放大电路的闭环放大倍数主要取决于反馈网络的反馈系数F。11AAAFFf1XAAXAFofi【例3-4】已知负反馈放大电路的开环放大倍数A=105，反馈系数F=0.01，求闭环放大倍数？解：551010011 100.01AAAFf2提高放大倍数的稳定性 在基本放大电路中，由于电路元件的参数和电源电压不稳定，所以当温度、负载等变化时，将引起放大倍数的变化。这时就需要引入负反馈来提高放大倍数的稳定性

18、。3展宽频带 无反馈的放大电路频率特性比较窄，而引入负反馈后，幅度特性就变得平坦，频带展宽。4减小非线性失真 由于三极管是非线性元器件，所以无负反馈放大电路虽然设置了静态工作点，但在输入信号较大时，也会因输入特性的非线性而产生非线性失真。引入负反馈后，非线性失真大幅减小。5减小内部噪声 放大电路内部产生噪声和干扰，在无负反馈时，会和有用信号一起由输出端输出，严重影响了放大电路的工作质量。引入负反馈可以使有用信号电压、噪声及干扰同时减小。有用信号减小后可以用增大输入信号弥补，但噪声和干扰信号不会增加。对于外部干扰及与信号同时混入的噪声，采用负反馈的办法是不能解决的。6改变输入、输出电阻 表3-4

19、负反馈类型对输入、输出电阻的影响反 馈 类 型输 入 端输 出 端rifrof串联负反馈增大并联负反馈减小电压负反馈减小电流负反馈增大 集成运算放大电路与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行运算。运算放大电路工作在线性区时，通常要引入深度负反馈，所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大电路本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式就可以实现不同的运算。3.3 集成电路的基本单元电路集成电路的基本单元电路 3.3.1 反相比例运算放大电路 图3-21 反相比例运算放大电路 根据虚短（uP=uN）且P点接地，可得

20、uP=uN=0，N点电位与地相等，所以N点称为“虚地”，如图3-22所示。根据虚地可得输出电压与输入电压之间的关系为 式中：为比例系数 由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。利用反相比例运算放大电路完成反相器设计，设计的反相器如图3-23所示。反相器比例系数为1，即R1=Rf构成反相器。foi1RuuR f1RR 图3-22 “虚地”示意图 图3-23 反相器 3.3.2 同相比例运算放大电路 图3-21 同相比例运算放大电路 输出电压与输入电压的关系为：根据上式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相同。利用同相比例运算放大电路完成电压跟随器设计，设计的电压跟随器如图3-25、图3

21、-26所示。电压跟随器可由比例系数 为 的同相比例运算放大电路构成，一种情况是Rf 短路、R1开路，这样 =1；另一种情况是R1开路，这样 1 由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。1RRf11RRf11RRf1o11RuuRfi 图3-25 Rf短路、R1开路时的电压跟随器 图3-26 R1开路时的电压跟随器 3.3.3 反相输入加法电路 根据理想特性（II=0）及集成运放的反相输入端为虚地，得如果取R1=R2=Rf，则 图3-27 反相输入加法电路i1i2of12()uuuRRR oi1i2()uuu 3.3.4 减法电路 当外电路电阻满足R3=Rf，R1=R2时，电路输出电压与

22、输入电压之间的关系为 图3-28 减法电路 foi2i11()RuuuR 【例3-5】在图3-29所示电路中，运放A1和A2都是理想运放，写出输出电压uo与输入电流i1和i2之间的关系式。图3-29 例3-5图解：经判断两级运放均构成了负反馈，满足“虚短”、“虚断”的条件。设运放A1的输出信号为u1，运放A1的反相输入端信号为uN1，运放A2的反相输入端信号为uN2。由虚断，有o1112uuiRR o1213uuiRR o32323o2o21uRRRRRuRuii)(213232oiiRRRRu3.3.5 积分电路 图3-31 积分电路 图3-32 积分电路波形oi1uu dtRC 3.3.6

23、 微分电路 ioduuRCdt 图3-33 微分电路 图3-34 微分电路波形3.4.1 电压比较器 电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将模拟量电压信号和参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路，应用于模拟与数字信号转换等领域。3.4 集成运算放大电路基本应用电路分析集成运算放大电路基本应用电路分析 图3-35 电压比较器 1过零比较器 图3-36 过零比较器2滞回比较器 图3-37 滞回比较器 3窗口（双限）比较器 图3-38 由两个简单比较器组成的窗口比较器图3-39 常用电压比较器引脚图 3.4.2 方波产生电

24、路 图3-40 方波产生电路 图3-41 方波产生电路的波形3.4.3 集成运放的应用 利用其特点，输入电压和输出电压关系，外加不同的反馈网络，集成运放不仅可以实现多种数学运算，而且在物理量的测量、自动调节系统、测量仪表、模拟运算等领域也得到了广泛应用。1过温保护电路 图3-42 过温保护电路 3.4.3 集成运放的应用 2信号测量电路 图3-43 信号测量电路的原理图3.5.1 集成芯片的封装及识别 1DIP双列直插式封装DIP（Dual In-line Package）是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP

25、封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。DIP封装具有以下特点：（1）适合在PCB（印刷电路板）上穿孔焊接，操作方便；（2）芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。3.5 集成芯片的封装及识别集成芯片的封装及识别 2QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装 QFP（Plastic Quad Flat Package）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。用

26、这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。PFP（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。QFP/PFP封装具有以下特点：适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线；适合高频使用；操作方便，可靠性高；芯片面积与封装面积之间的比值较小。3PGA插针网格阵列封装 PGA

27、（Pin Grid Array Package）芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为使集成电路能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的集成电路插座，专门用来满足PGA封装的集成电路在安装和拆卸上的要求。ZIF（Zero Insertion Force Socket）是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，就可很容易、轻松地将集成电路插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将集成电路的引脚与插座牢牢地接触，绝对不

28、存在接触不良的问题。而拆卸CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，集成电路芯片即可轻松取出。PGA封装具有以下特点：适合插拔操作更方便，可靠性高；可适应更高的频率。4BGA球栅阵列封装 随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当集成电路的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当集成电路的管脚数大于208Pin时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA（Ball Grid Array Package）封装技术。BG

29、A封装具有以下特点：引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率；虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能；信号传输延迟小，适应频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性大大提高。5CSP芯片尺寸封装 随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP（Chip Size Package）。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。即封装后的集成电路尺寸边长不大于芯片的1.2倍，集成电路面积只比晶粒（Die）大不超过1.4倍。CSP封装具有以下特点：满足了芯片引脚不断增加的需要；芯片面积与封装面积

30、之间的比值很小；极大地缩短延迟时间。6MCM多芯片模块 为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统，从而出现MCM（Multi Chip Model）多芯片模块系统。封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化；缩小整机/模块的封装尺寸和重量；系统可靠性大大提高。3.5.2 特殊集成运算放大电路 反映集成运放性能的好坏有几十个参数，一种运放要想在各种指标上都达到很高的性能是不容易的，也是不必要的。通用型运放的各种参数指标都不算太高，但比较均衡，适用于量大面广，没有特殊要求的场合。特殊类型的集成运放，在

31、某一个或几个参数上有很高的性能，而其他参数一般。用户可以从特殊类型集成运放的系列中进行选择，以满足某些方面的特殊要求。1高输入阻抗型 这种类型的集成运放差模输入电阻往往大于109，输入偏置电流通常为pA数量级，输入级经常采用结型场效应管JFET与BJT相结合构成差动输入级，称为BiFET，或采用超管与BJT结合的电路，构成差动输入级。其典型产品有5G28、F3140、ICH8500A、LF356、CA3130、AD515、LF0052等。2高精度、低漂移型 要求集成运放具有很低的漂移量和很高的精度。一般UIO/T2mV，IIO/T10 MHz。主要应用在高速数据采集系统、高速AD和DA转换器，

32、高速锁相环及视频放大系统中，性能优良的高速运放转换速率已可达到几kV/ms。高速型运放的典型产品有mA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。4低功耗型 低功耗型运放要求其功耗为mW数量级，电流几十mA，电源电压在几V以下。典型产品有CA3078、mPC253、ICL7641等。5大功率型 大功率型集成运放的电源电压为正负几十V，输出电流几十A，输出功率为几十W。典型产品有LH0021、MCEL165、HA2645、LM143、ICH8515等。3.5.3 集成运算放大电路的保护与使用 集成运算放大电路在使用前必须进行测试，使用中应注意电参数和极限参数要符合电路要求，同时还

33、应注意集成运放的调零、保护及相位补偿问题。1集成运算放大电路的调零 常用的741调零电路如图3-44所示，其中调零电位器RP可选择10k的电位器。为了提高集成运放的精度，消除因失调电压和失调电流引起的误差，需要对集成运放进行调零。集成运放的调零电路有两类，一类是内调零，另一类是外调零。集成运放设有外接调零电路的引线端，按说明书连接即可。图3-44 741调零电路 2集成运算放大电路的保护 集成运算放大电路的保护包括输入端保护、输出端保护和电源保护。图3-45 输入端保护 图3-46 输出端保护 图3-47 电源保护 3集成运算放大电路的相位补偿 集成运放在实际使用中遇到最棘手的问题就是自激。要

34、消除自激，通常是破坏自激形成的相位条件，这就是相位补偿，如图3-48所示。其中，图3-48（a）是输入分布电容和反馈电阻过大（1M）引起自激的补偿方法，图3-48（b）中所接的RC为输入端补偿法，常用于高速集成运放中 图3-48 相位补偿3.6 实验实验 集成运算放大器参数测试集成运算放大器参数测试 一一 实验目的实验目的1.通过对集成运算放大器741参数的测试，了解集成运算放大器组件主要参数的定义和表示方法；2.掌握运算放大器主要参数的测试方法。二 实验原理 集成运算放大器是一种使用广泛的线性集成电路器件，和其他电子器件一样，其特性是通过性能参数来表示的。集成电路生产厂家为描述其生产的集成电

35、路器件的特性，通过大量的测试，为各种型号的集成电路制定了性能指标。符合指标的就是合格产品，否则就是不合格产品。要能够正确使用集成电路器件，就必须了解集成电路各项参数的含义及数值范围。集成电路的性能指标可以从产品说明书或器件手册中查到，因此，我们必须学会看产品说明书和查阅器件手册。由于集成电路是半导体器件，而半导体器件的性能参数常常有较大的离散性，因此，我们还必须掌握各项参数的测试方法，这样才能保证在电路中使用的器件是合格产品，满足电路设计的需要。图3-49 741引脚二 实验原理1.输入失调电压 理想运算放大器，当输入信号为零时其输出也为零。但在真实的集成电路器件中，由于输入级的差动放大电路总

36、会存在一些不对称的现象（由晶体管组成的差动输入级，不对称的主要原因是两个差放管的UBE不相等），使得输入为零时，输出不为零，这种现象称为“失调”。为讨论方便，人们将由于器件内部的不对称所造成的失调现象，看成是由于外部存在一个误差电压而造成，这个外部的误差电压叫做“输入失调电压”，即UIO。输入失调电压在数值上等于输入电压为零时的输出电压除以运算放大器的开环电压放大倍数：式中：UIO为输入失调电压，UOO为输入为零时的输出电压值，Aod为运算放大器的开环电压放大倍数。OOIOodUUA二 实验原理 本次实验采用的失调电压测试电路如图3-50所示。闭合开关K1及K2，使电阻RB短接，测量此时的输出

37、电压UO1即为输出失调电压，则输入失调电压实际测出的UO1可能为正，也可能为负，高质量的运算放大器UIO一般在1mV以下。1IOO11FRUURR 图3-50 UIO一般测试电路 二 实验原理2.输入失调电流 当输入信号为零时，运放两个输入端的输入偏置电流之差称为输入失调电流，即IIO。式中：IB1，IB2分别是运算放大器两个输入端的输入偏置电流。输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级的两个晶体管的失配度，由于IB1，IB2本身的数值已很小（A或nA级），因此它们的差值通常不是直接测量的，测试电路如图3-50所示，测试分两步进行：闭合开关K1及K2，将两个RB短路。在低输入电阻下，测出输出

38、电压UO1，如前所述，这是输入失调电压UIO所引起的输出电压。IOB1B2III二 实验原理 断开开关K1及K2，将输入电阻RB接入两个输入端的输入电路中，由于RB阻值较大，流经它们的输入电流的差异，将变成输入电压的差异，从而，也会影响输出电压的大小，因此，测出两个电阻RB接入时的输出电压UO2，从中扣除输入失调电压UIO的影响（即UO1），则输入失调电流IIO为：IIO一般在100nA以下。1IOB1B2O1O21FB1RIIIUURRR图3-50 IIO一般测试电路 二 实验原理3.开环差模放大倍数 集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数，用Aod表示。它定义为

39、开环输出电压Uo与两个差分输入端之间所加差模输入信号Uid之比：或 （dB）按定义Aod应是信号频率为零时的直流放大倍数，但为了测试方便，通常采用低频（几十赫兹以下）正弦交流信号进行测量。由于集成运放的开环电压放大倍数很高，而且在开环情况下Uo的漂移量太大，难以直接进行测量，故一般采用闭环测量方法。Aod的测试方法很多，现采用交、直流同时闭环的测试方法，如图3-51所示 oodidUAUoodid20 lgUAU二 实验原理图3-51 Aod的测试电路二 实验原理4.共模抑制比 图3-52 KCMR的测试电路三 实验器材 模拟电路实验箱，信号发生器，双踪示波器，交流毫伏表，数字万用表，集成运算

40、放大器F7411，电阻器512，5.1k2，1k2，2k2，10k2，100k2，电解电容器100F1 1.测量输入失调电压UIO 按图3-50连接实验电路，闭合开关K1、K2，用直流电压表测量输出电压UO1，并计算UIO，记入表3-5中。2.测量输入失调电流IIO 实验电路如图3-50，打开K1，K2，用直流电压表测量UO2，计算IIO。记入表3-5中。3.测量开环差模电压放大倍数Aod 按图3-51连接实验电路，运放输入端加频率100Hz，大小约为3050mV的正弦信号作为Ui，用示波器监视输出波形。用交流毫伏表测量Uo和Ui，并计算Aod，记入表3-5中。4.测量共模抑制比KCMR 按图

41、3-52连接实验电路，运放输入端加f=100Hz，Uic=12V正弦信号，监视输出波形。测量Uoc和Uic，计算Ad、AC及KCMR，记入表3-5中。四 实验步骤四 实验步骤表3-5测量数据UIO（mV）IIO（nA）AodKCMR实测值典型值实测值典型值实测值典型值实测值典型值1.将所有测得的数据与典型值进行比较；2.对实验结果及实验中碰到的问题进行分析、讨论。五 实验报告1.查阅集成运算放大器A741的典型指标数据及管脚功能；2.根据查阅的典型数据，计算可能的数据值（如Uo1，Uo2等），以供实验时参考。六 预习要求 1.测量输入失调参数时，为什么运放反相端及同相输入端的电阻要精选，以保证

42、严格对称?2.测量输入失调参数时，为什么要将调零端开路，而在进行其他测试时，则要求对输出电压进行调零?3.测试信号的频率选取的原则是什么？七 思考题 1.测量输入失调电压UIO时，将运放调零端开路（即不接入调零电路）；电阻R1和R2，R3和RF的阻值精确配对。2.测量输入失调电流IIO时将运放调零端开路；两端输入电阻RB应精确配对。3.测量开环差模电压放大倍数Aod时，测试前电路应首先消振及调零；被测运放要工作在线性状态；输入信号频率应较低，一般用50100 Hz，输出信号幅度应较小，而且无明显失真。4.测量共模抑制比KCMR时，注意消振与调零；R1与R2、R3与RF之间阻值严格对称；输入信号

43、Uic幅度必须小于集成运放的最大共模输入电压范围UICM。八 注意事项 3.7 实验实验 集成运算放大电路功能测试集成运算放大电路功能测试 一一 实验目的实验目的1.了解集成运算放大电路的测试及使用方法；2.熟悉由集成运算放大电路构成的各种运算电路的特点、性能和测试方法 二 实验原理1.运算放大电路的封装 集成运算放大电路的外形如图3-53所示，常见的封装形式有金属圆形、双列直插式和扁平式等。封装所用的材料有陶瓷、金属、塑料等，陶瓷封装的集成电路气密性、可靠性高，使用的温度范围宽（55125），塑料封装的集成电路在性能上要比陶瓷封装稍差一些，由于其价格低廉而获得广泛应用。图3-53 集成运算放

44、大电路的外形二 实验原理2.集成运算放大电路的使用 使用前应认真查阅有关手册，了解所用集成运放各引脚排列位置.集成运放接线要正确可靠。由于集成运放外接端点比较多，很容易接错，因此要求集成运放电路接线完毕后，应认真检查，确认没有接错后，方可接通电源，否则有可能损坏器件。另外，因集成运放工作电流很小，如输入电流只有纳安级，因此集成运放各端点接触应良好，否则电路将不能正常工作。接触是否可靠可用直流电压表测量各引脚与地之间的电压值来判定。输入信号不能过大。当输入信号过大时，输出升到饱和值，不再响应输入信号，即使输入信号为零，输出仍保持饱和而不回零，必须切断电源重新启动，才能重建正常关系，这种现象叫阻塞

45、现象。输入信号过大可能造成阻塞现象或损坏器件。因此，为了保证正常工作，输入信号接入集成运放电路前应对其幅度进行初测，使之不超过规定的极限，即差模输入信号应远小于最大差模输入电压，共模输入信号也应小于最大共模输入电压。二 实验原理 电源电压不能过高，极性不能接反。集成运放调零。所谓调零，就是将运放应用电路输入端短路，调节调零电位器，使运放输出电压等于零。集成运放作直流运算使用时，特别是在小信号高精度直流放大电路中，调零是十分重要的。因为集成运放存在失调电流和失调电压，当输入端短路时，会出现输出电压不为零的现象，从而影响到运算的精度，严重时会使放大电路不能工作。三 实验器材 直流稳压电源、低频信号

46、发生器、示波器、万用表、毫伏表、实验线路板及各种元器件，元器件表见表3-6。表3-6元器件表编 号名 称参 数编 号名 称参 数R1电阻10kR2电阻10kRf1电阻100kRf2电阻10kR3电阻3.3kR4电阻10kIC集成运放A7411.检测集成运放检查外观、型号是否与要求相符，引脚有无缺少或断裂及封装有无损坏痕迹等；按图3-54接线，确定集成运放的好坏；将3脚与地短接（使输入电压为零），用万用表直流电压挡测量输出电压uo应为零，然后接入ui=5V，测得输出电压uo为5V，则说明该器件是好的；在接线可靠的条件下，若测得uo始终等于9V或9V，则说明该器件已损坏。四 实验步骤 图3-54

47、集成运放好坏判别电路 2.验证反相比例关系在实验线路板上，用A741运算放大电路连接成图3-55所示电路。四 实验步骤 图3-55 反相比例运算放大电路2.验证反相比例关系检查无误后，将9V电源接入电路，并按表3-7数据分别输入ui，用毫伏表测出此时电路输出电压uo的值，填入表3-7。四 实验步骤 3.验证比例加法关系实验线路板上，用A741运算放大电路连接成图3-56所示电路。四 实验步骤 图3-56 比例加法运算电路3.验证比例加法关系检查无误后，将9V电源接入电路，并按表3-8数据分别输入ui，用毫伏表测出此时电路输出电压uo的值，填入表3-8。四 实验步骤 4.验证比例减法关系在实验线

48、路板上，用A741运算放大电路连接成图3-57所示电路。四 实验步骤 图3-57 比例减法运算电路4.验证比例减法关系检查无误后，将9V电源接入电路，并按表3-9数据分别输入ui，用毫伏表测出此时电路输出电压uo的值，填入表3-9。四 实验步骤 1.整理反相比例、加法和减法运算电路测试数据，分析测试结果，并分析产生误差的原因；2.总结集成运放的使用方法；3.说明实验中遇到的问题及解决办法。五 实验报告分析内部调零和外部调零的区别。六 思考题 1.集成运放在外接电路时，特别要注意正、负电源端，输出端及同相、反相输入端的位置。2.集成运放的输出端应避免与地、正电源、负电源短接，以免器件损坏。输出端

49、所接负载电阻也不易过小，其值应使集成运放输出电流小于其最大允许输出电流，否则有可能损坏器件或使输出波形变差。3.注意集成运放输入信号源应为集成运放提供直流通路。4.电源电压应按器件使用要求，先调整好直流电源输出电压，然后接入集成运放电路，且接入电路时必须注意极性，绝不能接反，否则器件容易受到损坏。5.装接集成运放电路或改接、插拔器件时，必须断开电源，否则器件容易受到极大的感应或电冲击而损坏。6.集成运放调零电位器应采用工作稳定、线性度好的多圈线绕电位器。7.集成运放的电路设计中应尽量保证两输入端的外接直流电阻相等，以减小失调电流、失调电压的影响。8.调零时需注意：调零必须在闭环条件下进行；输出

50、端电压应用小量程电压挡测量；若调零电位器输出电压不能达到零值或输出电压不变，则应检查电路接线是否正确。若经检查接线正确、可靠且仍不能调零，则说明集成运放损坏或质量有问题。七 注意事项 正弦波振荡电路的组成LC正弦波振荡电路RC正弦波振荡电路采样保持电路音频混频放大电路 远距离调频无线话筒石英晶体振荡器 高低频信号发生器 扩展内容 集成运算放大电路由输入级、中间级、输出级、偏置电路组成。电路中常用的负反馈有四种组态：电压串联负反馈，电压并联负反馈，电流串联负反馈和电流并联负反馈。可以通过观察法、输出短路法和瞬时极性法等方法判断电路反馈类型。负反馈可以全面改善放大电路的性能，包括：提高放大倍数的稳