1、第第4章章集成运算放大器集成运算放大器 学习目标：（）了解差动放大电路的输入输出结构；（）掌握集成运放的符号及器件的引脚功能；（）理解集成运放实现放大、运算、滤波和比较等功能的典型电路；（）掌握安装使用集成运放构成的应用电路的方法。（）运用运放芯片LM324制作加法器、滤波器、比较器和三角波产生器。4.1 差动放大电路差动放大电路 4.1.1 基本差动放大电路基本差动放大电路 多级直流放大电路的零点漂移问题多级直流放大电路的零点漂移问题 直接耦合方式的最大缺点是直接耦合方式的最大缺点是零点漂移零点漂移问题；问题； 零点漂移问题 输入端短接（uI =0） ，其输出端电压有忽大忽小缓慢地、无规则地
2、变化的输出电压 这种现象就称为零点漂移。 产生零点漂移的因素产生零点漂移的因素：温度变化温度变化、任何元器件参数的变化，、任何元器件参数的变化，电源的波动。电源的波动。 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同 基本差动电路利用电路的对称性，具有抑制零 点漂移的能力。 温度温度TUo=( Uc1 - Uc2 )不变不变 （IC )+UCCuoRCRB2T1R
3、B1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号共模信号 需要抑制需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信号差模信号 是有用信号是有用信号id1ici1uuuid1ici2uuu2uuui2i1ic2uuui2i1id1id1i2i1iduuuu2)i2i1ud0u(uAu例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8
4、 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。 （Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK ) (lg20(dB)CdCMR分贝AAK 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 KCMR 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0，实际输出电压实际输出电压 即共模信号对输出有影响即共模信号对输出有影响 。静态时UI1=UI2=0，由基极回路电压方程： 0-(-VEE)=UBEQ+2IEQRE 可得Q点
5、为（忽略IBQ时） CCQCCCQEQBQCQEBEQEEEQRIVU1IIIR2UVI)(（1） 静态分析静态分析 3.3. 差差动放大电路的分析动放大电路的分析+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。上的压降，以获得合适的工作点。（2）差模输入动态分析）差模输入动态分析+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TUEE+E2E1e2E2e1E1E2E1EII)i(I)i(IiiiRE对差模信号不起反馈作用对差模信号不起反馈作用差模信号交
6、流通路如图：差模信号交流通路如图： 差模输入差模输入ui1 = ui2电路输入电压电路输入电压uid = ui1 ui2= 2ui1 = ui2差模信号交流通路差模信号交流通路ic1ic2uo1 = uo2电路输出电压电路输出电压uod = uC1 uC2= uo1 ( uo2) = 2uo1idodduuAu beCd1rRAu 差模电压放大倍数差模电压放大倍数大小相同大小相同 极性相反极性相反ui1V1+VCCV2RCRCuodui2uo1uo2ui1V1+VCCV2VEERCRCREEuodui2uC1uC2i1o122uu 差动电路双端输入双端输出结构的电压放大倍数和单管共射差动电路双
7、端输入双端输出结构的电压放大倍数和单管共射电路的放大倍数相同。电路的放大倍数相同。电路两输出端电压：电路两输出端电压：Rid = 2rbeRod = 2RC例例 已知：已知： = 80，r bb = 200 ，UBEQ = 0.6 V，试求：，试求：( (1) )静态工作点静态工作点ICQ,UCQ； ( (2) )差模电压放大倍数差模电压放大倍数 Aud，差模输入电阻差模输入电阻 Rid，输出电阻输出电阻Rod。 解解 ( (1) ) ICQ1 = ICQ2 (VEE UBEQ) / 2REE= (12 0.6) / 2 20= 0.285 (mA)UCQ1= UCQ2 = VCC ICQ1R
8、C=12 0.285 10= 9.15 (V)( (2) )( 4897285. 0268120026)1(200EQbe Ir beLd rRAu LCL21/RRR = 10 / 10 = 5 (k )7 .5259. 7580 Rid = 2rbe= 2 7.59 = 15.2 (k )Rod = 2RC= 20 (k )ui1V1+12VV212VRCRCREEuodui210 k 10 k 20 k 20 k 例2:差模信号 调零电位器 UO=UO1-UO2=UC1-UC2 当在两个集电极之间接有负载电阻RL时： )(12RrRRAPbeBLuD差模输入电阻差模输入电阻 ：RiD 2
9、(RB +rbe+(1+ ) Rp/2)差模输出电阻差模输出电阻 ：RO=2RC 2LCLRRR/差模地端差模地端练习：图示差分放大电路中，调零电位器Rp的动端处在中点位置，已知 1 = 2 = 50，UBE1 = UBE2 = 0.7 V，其它参数如图所示。（ r bb = 300 ）1求静态工作点(IB、IC、UCE)；2当uS1 = -uS2 = 1 mV时，求uO 。差模差模 共模共模 0.02 1.99 直接直接 零点漂移零点漂移 对称对称 AUD和和AUC 抑制共模信号抑制共模信号 思考题思考题4.1.3 差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式 单端输入方式单端输入方
10、式 单端输入，在单端输入，在REE足够大条件下，与双端输入状态相足够大条件下，与双端输入状态相同，其同，其Aud、Rid、Ro分析结论相同。分析结论相同。 单端输出方式单端输出方式 差模增益：差模增益： 其中其中RL= RC / RL。 beL1id1odid1od1ududr2RU2UUUAA共模增益：共模增益：EELEEbeLic1ocucR2RR)1 (2rRUUAbeid2rR CoRR 输出为双端输出的一半输出为双端输出的一半集成电路简称集成电路简称 IC ( (Integrated Circuit) )集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成
11、电路模拟集成模拟集成电路类型电路类型集成运算放大器；集成运算放大器；集成功率放大器；集成功率放大器；集成高频放大器集成高频放大器；集成中频放大器；集成中频放大器；集成比较器集成比较器；集成乘法器；集成乘法器；集成稳压集成稳压器器；集成数；集成数/模或模模或模/数转换器等。数转换器等。4.2 集成运算放大器的分类集成运算放大器的分类 集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形集成电路的外形( (a) )双列直插式双列直插式( (b) )圆壳式圆壳式( (c) )扁平式扁平式4.3 集成运放组成和主要参数集成运放组成和主要参数 4.3.1 集成运放组成集成运放组成 集成运放符号和组成框图集成运放符
12、号和组成框图 1. . 集成电路的外形：集成电路的外形： 国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。4.3.2 集成运算放大器的外形和符号集成运算放大器的外形和符号 2. 集成运放的型号集成运放的型号 国家标准（国家标准（GB3430-82）规定，由字母和阿拉伯数字表）规定，由字母和阿拉伯数字表示，例如示，例如CF741、CF124等，其中等，其中C表示国家标准，表示国家标准，F表示表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。运算放大器，阿拉伯数字表示品种。4.3.3集成运放主要参数集成运放主要参数 开环差模电压增益开环差模电压增益Aod 共模
13、抑制比共模抑制比KCMR 差模输入电阻差模输入电阻R id 输出电阻输出电阻Ro 输入失调电压输入失调电压UIO 4.3.4 理想化集成运放理想化集成运放 理想化集成运放的参数理想化集成运放的参数 开环电压增益开环电压增益Aod； 共模抑制比共模抑制比KCMR，即无零漂，各种失调，即无零漂，各种失调电压失调电流为电压失调电流为0； 差模输入电阻差模输入电阻Rid； 输出电阻输出电阻Ro0； 理想化集成运放的特点理想化集成运放的特点 虚短虚短 uP = uN 条件：集成运放工作在线性放大状态条件：集成运放工作在线性放大状态 虚断虚断 iI =0 运放线性应用时的“虚短”和“虚断” 运放只有在线性
14、工作区时，才存在运放只有在线性工作区时，才存在“虚短虚短”一、反相输入一、反相输入运算放大器在线性应用运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断时同时存在虚短和虚断0 ii虚断虚断F 1 ii 0ABuu虚地虚地fFORiu1f11fFiofRRRiRiuuAu特点：特点：1. .为深度电压并联负反馈，为深度电压并联负反馈，Auf = Rf / R 12.输出电压与输入电压成反相比例关系。输出电压与输入电压成反相比例关系。3. uIC = 0 ，对，对 KCMR 的要求低的要求低u+ = u = 0虚地虚地虚短和虚断虚短和虚断4.4 集成运放基本运算电集成运放基本运算电路路 4.4.1 基本输入
15、电路基本输入电路 由于，即由于，即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把A端称为端称为“虚地虚地”。 0Au 实际电路同相输入端一般接有电阻R2,称为平衡电阻;为使两输入端对地直流电阻相等：为使两输入端对地直流电阻相等：R2 = R1 / R f I uuuF 1 ii ，fIO1IRuuRuI1fO)1(uRRu1ff1RRAuAuf = 1跟随器跟随器当当 R1 = ，Rf = 0 时，时，特点特点: 为深度电压为深度电压串联串联负反馈，负反馈，Auf = 1 + Rf /R1 同相输入同相输入 结论，同相输入比例运算电路的放
16、大倍数与结论，同相输入比例运算电路的放大倍数与 无关，无关，只取决于只取决于 与与 的比值；输出电压与输入电压同相且成比例的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。关系。VOAfR1R 差动输入差动输入 1I1f2I3231fouRRuRRR)RR1 (u4.4.2 基本运算电路基本运算电路 比例运算比例运算 需要注意的是：需要注意的是： 反相输入能反相，比例系数可大于反相输入能反相，比例系数可大于1、等于、等于1或小于或小于1。 同相输入能同相，比例系数只能大于同相输入能同相，比例系数只能大于1或等于或等于1。 相位要求有出入时，可再加一级集成运放反相。相位要求有出入时，可再加一级集成运放
17、反相。 合理选取比例电阻，一般在几合理选取比例电阻，一般在几k几百几百k之间为宜。之间为宜。 电压跟随器电压跟随器 输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。(1)反相加法运算反相加法运算R3 = R1 / R2 / RfiF i1 + i22I21I1fORuRuRu)(2I21I1fORuRuRu若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2) 加法运算加法运算 R2 / R3 / R4 = R1/ RfuRRu)1(1fO)/)(1(I242342I1432431fOuRRRRRuRRRRRRRuI242342I
18、143243/uRRRRRuRRRRRu若若 R2 = R3 = R4，则则 uO = uI1+ uI2 Rf = 2R1 (2) 同相加法运算同相加法运算法法 1：利用叠加定理：利用叠加定理uI2 = 0 uI1 使：使：I11fO1uRRuuI1 = 0 uI2 使：使：uRRu)1(1fO22If1f1f2O)1(uRRRRRu 一般一般R1 = R 1； Rf = R fuO = uO1 + uO2 = Rf / R1( uI2 uI1 )法法 2：利用虚短、虚断：利用虚短、虚断f1fI1f11ORRRuRRRuuf1fI2RRRuu uuo = Rf /R1( uI2 uI1 )减法
19、运算实际是差分电路减法运算实际是差分电路4、减法运算、减法运算5、积分运算、积分运算1I1Rui tuCiddoF=)0(d1oIf1CutuCRu 当当 uI = UI 时，时，f1IoCRtUu设设 uC(0) = 0 时间常数时间常数 = R1Cf积分电路输出电压：积分电路输出电压：tuIOtuOOtuCiddI11R2 = Rf 0 u虚地虚地foFRuiF 1 ii 虚断虚断tuCRRiuddI1ffFORfC1 = 时间常数时间常数微分电路输出电压：微分电路输出电压：6、微分运算、微分运算 uItOuOtOO11VU 例如：V320302O2 UV2.1)20/30301(30/2
20、03030/201 . 2O3 UV35. 3)20/30301(30/302030/305 . 3O4 UV35. 35.252.131O U练习练习:分别求下图中各输入信号对应的输出信号。分别求下图中各输入信号对应的输出信号。221iiouuu四、计算题四、计算题思考题思考题 0 线性线性 非线性非线性 虚断虚断 虚短虚短 4.下图中图为输入方式比例运算电路 i1iF、uN0;图为输入方式比例运算 电路i1iF、uN0。a 同相 b 反相 本章复习基本差分放大电路的结构、工作原理和相关分析计算；什么是差模信号，什么是共模信号，差分放大电路的作用及改进电路；基本电流源的结构、工作原理以及应用。理想运算放大器的电路结构、工作特点以及相关分析计算；集成运算放大器的电路模型。同相、反相比例运算电路的电路结构、工作原理以及分析计算；求和运算电路的电路结构、工作原理以及分析计算。见例题
