集成运算放大器及其应用.ppt

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1、返回返回第第第第9 9 9 9章章章章 集成运算放大器及其集成运算放大器及其集成运算放大器及其集成运算放大器及其应应用用用用开始开始本本章章首首先先介介绍集集成成运运算算放放大大器器的的基基本本知知识，给出出理理想想运运算算放放大大器器的的电路路模模型型。结合合各各种种实用用运运算算放放大大器器应用用电路路，着着重重介介绍了了含含运运算算放放大大器器电路路的的分分析析、设计方方法法，最最后后，介介绍了了几几种常种常见的运算放大器的运算放大器应用用电路。路。目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大

2、大器器及及其其应用用按空格按空格键继续本章目录本章目录9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介9.2 模拟信号的运算电路模拟信号的运算电路9.3 信号处理电路信号处理电路返回返回总目目录2目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介集集成成电路路是是相相对于于分分立立元元件件而而指指的的一一类半半导体体器器件件，它它将将元元件件和和电路路“集集成成”在在一一个个半半导体体芯芯片片内内，完完成成一一定定的的功功能能，

3、由由于于电路路和和元元件件是是同同时制制作作完完成成的的，所所以以，具具有有很很好好的的元元件件一一致致性性；另另一一方方面面，组成成电路路的的各各元元件件之之间空空间距距离离非非常常小小，因因此此，构构成成电路路有有一一套套特特殊殊的的理理论、方方法法和和工工艺。不不能能用用分分立立元元件件电路路的的理理论来来解解释集集成成电路路的的内内部部工工作作情情况况。在在电子子电路路中中，集集成成电路路已已经作作为一一种种功功能能模模块器器件件得得到到广广泛泛应用用，使使用用集集成成电路路需需要要了了解解它它的的外外部部特特性性，但但对内内部部结构构一一般般没没有必要也不可能仔有必要也不可能仔细分析

4、。分析。本本章章主主要要介介绍最最常常用用的的集集成成运运算算放放大大器器在在电子子电路路中中的的应用及分析方法。用及分析方法。3目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续1）n集成电路的分类集成电路的分类n按功能分按功能分n数字集成电路：门电路；触发器；存储器；微处理器；数字集成电路：门电路；触发器；存储器；微处理器；n模拟集成电路模拟集成电路n线性电路线性电路n非线性电路非线性电路n按按导电类型分型分n双极型

5、双极型n单极型（单极型（MOS）n混合型混合型n 按集成度分按集成度分n小规模小规模(10100元件元件/片片)SSIn中规模中规模(1001000元件元件/片片)MSIn大大 规规 模模(100010万万 元元 件件/片片)LSIn超大规模超大规模(10万元件万元件/片片)VLSI4目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续2）n国产集成电路的命名国产集成电路的命名器件的封装器件的封装允允许工作温度工作温度器件

6、系列和品种代号器件系列和品种代号器件的器件的类型型CF007CS是否符合国家是否符合国家标准准(C-符合，无符合，无-非非标准准)n 集成集成电路的特点路的特点体体积小、重量小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本。、功耗低、高可靠、低成本。5目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续3）n 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成运算放大器属集成运算放大器属线性模性模拟集成集成电路，它是多路，它是多级直接耦合直接

7、耦合放大放大电路路组成的、成的、带有深度有深度负反反馈的、具有极高放大倍数的的、具有极高放大倍数的一种放大器件。一种放大器件。根据功能，集成运算放大器内部由五个部分根据功能，集成运算放大器内部由五个部分组成成:输入入级中中间级输出出级偏置偏置电路路保保护电路路同相同相输入端入端反相反相输入端入端输出端出端-+直流直流电源源+VS VS6目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续4）n输入入级：尽量减小零点漂移尽量

8、减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR,输入阻抗尽可入阻抗尽可能大。一般采用双端能大。一般采用双端输入差入差动放大放大电路路结构。构。n中中间级：提供足提供足够大的大的电压放大倍数；同放大倍数；同时把双端把双端输入入变换为单端端输出。采用共射（源）或共基极出。采用共射（源）或共基极电压放大放大电路。路。n输出出级：主要提高主要提高带负载能力，能力，给出足出足够的的输出出电流，流，输出出阻抗小。采用直接耦合推挽功率放大阻抗小。采用直接耦合推挽功率放大电路。路。n偏置偏置电路：路：提供直流低提供直流低电阻、交流高阻抗，阻、交流高阻抗，给放大放大电路作路作为偏置偏置电路，提高放大路，提高放大电路的

9、放大能力和共模抑制能力，采用路的放大能力和共模抑制能力，采用镜像恒流源像恒流源电路。路。n保保护电路：路：提供提供过流、流、过压保保护，避免，避免电路受到路受到损坏。坏。7目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续5）n 集成运算放大器内部组成特点：集成运算放大器内部组成特点：无无电感、无大容量感、无大容量电容、无大阻容、无大阻值电阻、由三极管代替二阻、由三极管代替二极管。极管。n 集成运算放大器的电路符号及器件

10、外形集成运算放大器的电路符号及器件外形AuoAuou-u+u-u+uououo=Auo(u+-u-)uo=Auo(u+-u-)Auo开开环电压放大倍数放大倍数反相反相输入端入端同相同相输入端入端 输出端出端8目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续6）87654321-VCC+VCCuou+u-调调零零调零调零空空双列直插式双列直插式单运放外部引脚（运放外部引脚（A741）标志志9目目录 前一前一页下一下一页

11、结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续7）n集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标n差模特性差模特性n开环电压增益开环电压增益Auo：80140dB（104107）n差模输入电阻差模输入电阻Rid：BJT100kW W,FET109W Wn差模输入电阻差模输入电阻Rid：BJT100kW W,FET109W Wn开开环带宽环带宽BW：010kHz（通用型）（通用型）n单单位增益位增益带宽带宽BWG：01MHz（通用型）（

12、通用型）n共模特性共模特性n共模抑制比共模抑制比KCMR：80120dBn共模共模输输入入电电阻阻Ric：100MW Wn最大共模最大共模输输入入电压电压或共模或共模电压输电压输入范入范围围10目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续8）n集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标(2)n输入入误差特性差特性n输入偏置电流输入偏置电流IiB BJT：10100nA；FET：110pAn输入失调电压

13、输入失调电压Uio (110)mVn输入失调电流输入失调电流Iio 0.050.1 IiBn大信号特性大信号特性n最大输出电压最大输出电压UOM 一般比电源电压低一般比电源电压低 2 4 V左右（输出左右（输出管饱和电压）。管饱和电压）。n最大输出电流最大输出电流IOM 受保护电路和器件允许功耗限制，通用受保护电路和器件允许功耗限制，通用器件约数十器件约数十mAn最大差模输入电压最大差模输入电压UidM 最大允许输入差模电压，受电路结最大允许输入差模电压，受电路结构限制构限制11目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章

14、 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续9）n集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的主要技术指标(3)n大信号特性（大信号特性（续）n转换速率（压摆率）转换速率（压摆率）SR s 10kV/s n满功率带宽满功率带宽BWP SR/2 Uomn电源特性源特性n静态功耗静态功耗PDn电源电压允许变化范围电源电压允许变化范围n电源电压抑制比电源电压抑制比KSVR12目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按

15、空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续10）n集成运算放大器的电压转移特性集成运算放大器的电压转移特性uou-u+0线性工作范性工作范围正正饱和和负饱和和Auou-u+uo输入差模入差模电压的的线性工作范性工作范围很小（小于很小（小于 1 mV），），电压转移特性要分成三段移特性要分成三段讨论。我我们来来观看看实验测试情况情况13目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续11）运算放大器

16、特性仿真运算放大器特性仿真测试14目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续12）n 集成运算放大器的等效电路模型集成运算放大器的等效电路模型n线性工作区性工作区Auou-u+uou-u+uoAuo(u+-u-)15目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器

17、简介集成运算放大器简介（续13）n集成运算放大器的等效电路模型集成运算放大器的等效电路模型(2)n饱和工作区（非和工作区（非线性）性）u-u+uoUOMu-u+uo-UOM正饱和正饱和负饱和负饱和16目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续14）n理想运算放大器的条件与特征理想运算放大器的条件与特征n理想条件理想条件nAuo=n输入电阻输入电阻Rid、Ricn输出电阻输出电阻Ro=0n共模抑制比共模抑制比KCM

18、R=n理想运算放大器工作特征理想运算放大器工作特征nu+=u(虚短虚短)线性工作区线性工作区n输入电流为输入电流为0，i+=i=0n输出端呈电压源特性输出端呈电压源特性:线性工作线性工作 受控源受控源,饱和工作饱和工作 恒压恒压源源n无共模信号输出无共模信号输出n 理想运算放大器理想运算放大器电路符号路符号u-u+uoi-i+17目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续15）n集成运算放大器的应用集成运算放大器

19、的应用n线性性应用用电路路结构上存在从构上存在从输出端到反向出端到反向输入端的入端的负反反馈支路支路输入入信号幅度足信号幅度足够小，以保小，以保证集成运算放大器的集成运算放大器的输出出处于最大于最大输出出电压的范的范围内。内。n非非线性性应用用电路路结构上，集成运算放大器构上，集成运算放大器处于开于开环（无反（无反馈）或存在）或存在从从输出端到同相出端到同相输入端的正反入端的正反馈支路，支路，输出出总是是处于于饱和和状状态，即，即输出在正、出在正、负最大最大值之之间变化。化。n集成运算放大器电路分析的方法集成运算放大器电路分析的方法 首先判断首先判断应用用类型，然后利用理想运算放大器的特征型，

20、然后利用理想运算放大器的特征对电路路进行分析。行分析。18目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续16）n集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用n运算放大器运算放大器线性工作的保障性工作的保障运算放大器的运算放大器的输出幅度有限（比出幅度有限（比电源源电压低低 24V左右），左右），而运算放大器的开而运算放大器的开环电压增益一般增益一般10000，因此，两个，因此，两个输入端的入端的电压必必须非常接近

21、，才能保障运算放大器工作在非常接近，才能保障运算放大器工作在线性范性范围内，否内，否则，运算放大器将，运算放大器将进入入饱和状和状态。在。在电路路组成成时，一般是靠从，一般是靠从输出端到反相出端到反相输入端之入端之间引入引入负反反馈来来强制两制两输入端入端电压一致。所以，在运算放大器一致。所以，在运算放大器应用用电路中，路中，负反反馈是判断是否是判断是否线性性应用的主要用的主要电路路标志。志。n线性性应用的理想运算放大器特征用的理想运算放大器特征1.u+=u(虚短虚短)；2.无无输入入电流，流，i+=i=0；3.输出端呈受控出端呈受控电压源特性源特性19目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回

22、返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续17）n线性性应用用电路一般路一般结构构u-u+uoFABi1if其其中中A、B、F分分别为一一部部分分电路路（包包括括信信号号源源）。分分析析目的是找出目的是找出输出出电压。n 线性性应用用电路的分析方法路的分析方法 判判断断电路路组成成是是否否具具有有从从输出出端端引引至至反反相相输入入端端的的“反反馈通通路路”（初初步步判判断断运运算算放放大大器器工工作作在在线性性工工作作区区），若存在，若存在，则按下述

23、（按下述（线性性应用用电路的）六个步路的）六个步骤进行分析。行分析。20目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.1 集成运算放大器简介集成运算放大器简介（续18）n 集成运算放大器的集成运算放大器的线性性应用用电路的六步分析法路的六步分析法Step 1.利用利用 i+=0，由，由B电路求出同路求出同输入端入端电压 u+Step 2.利用利用 u+=u-，确定反相，确定反相输入端入端电压 u-=u+Step 3.利用已知利用已知电压 u-，由，由A电路求出

24、路求出电流流 i1Step 4.利用利用i-=0，求出，求出电流流 if =i1Step 5.由由电路路F的特性和的特性和u-确定确定输出出电压：uo=u-F(if)Step 6.检验输出出电压是否在是否在线性范性范围内。内。|uo|u uo=UOH ；u+UR 时，uo=UoL当当ui0 时，uo=UoL当当u-Uth 时，uo=UoL当当uiUR 时，uo=UoH当当ui0 时，uo=UoH当当u+Uth 时，uo=UoH当当uiu-，继续维持持uo=UOH如果如果u+u-，继续维持持uo=UOH如果如果u+u-，输出出变为uo=UOLu-=UR输出从出从UOH变为UOL的的输入入门限限电

25、压：设输出初始状出初始状态为uo=UoL同同样可分析得可分析得输出从出从UoL变为UoH的的输入入门限限电压：uoui0URuiuoRfR150目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.3.1 信号比较电路信号比较电路（9）施密特施密特Schmidt触触发器器 仿真仿真实验51目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.

26、3.2 采样保持电路采样保持电路（1）在在计算机算机实时控制和非控制和非电量的量的测量系量系统中，通常要中，通常要将模将模拟量量转换为数字量（参考第数字量（参考第11章）。但因章）。但因转换不能不能瞬瞬间完成，需要一定的完成，需要一定的时间，所以不能将随，所以不能将随时间连续变化的模化的模拟量的每一个瞬量的每一个瞬间都都转换为数字量，而只能将某数字量，而只能将某些些选定定时刻的模刻的模拟量量值进行行转换。这就需要就需要对连续变化化的模的模拟量量进行跟踪采行跟踪采样，并将采集到的量，并将采集到的量值保持一定的保持一定的时间，以便在此，以便在此时间内完成模内完成模拟量到数字量的量到数字量的转换，这

27、就是采就是采样保持保持电路的功能。路的功能。52目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.3.2 采样保持电路采样保持电路（2）基本的采基本的采样保持保持电路如路如图 电子开关子开关 控制端低控制端低电平平导通，通，ui 向向电容容C充充电，uO跟随跟随ui采采样阶段段控制端高控制端高电平截止，平截止，电容容C电压保持，保持，uO保持不保持不变保持保持阶段段53目目录 前一前一页下一下一页 结束束返回返回高等学校高等学校电子教案子教案：电路与模路与模拟电子技子技术第第九九章章 集集成成运运算算放放大大器器及及其其应用用按空格按空格键继续9.3.2 采样保持电路采样保持电路（3）采采采采样样保持保持保持保持电电路仿真路仿真路仿真路仿真实验实验54第九章第九章第九章第九章结结束束束束55