集成運(yùn)算放大器資料

1、電氣信息學(xué)院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室集成運(yùn)算放大器資料2007年11月目 錄一：零點(diǎn)漂移1二：差動(dòng)放大電路11、差動(dòng)放大電路的基本形式12：長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路2三：集成運(yùn)放的組成4四：集成運(yùn)放的性能指標(biāo)41、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod42、最大輸出電壓 Uop-p43、差模輸入電阻rid44、輸出電阻 rO45、共模抑制比 CMRR4五：低頻等效電路4六：理想集成運(yùn)放4七：集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特性5八：集成運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)5九：比例運(yùn)算電路51、反相比例電路52、同相比例電路63、差動(dòng)比例電路6十 ：和、差電路61、反相求和電路62、同相求和電路7

2、3、和差電路7十一：積分電路和微分電路81、積分電路82、微分電路8十二：對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路81、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路82、指數(shù)運(yùn)算電路9十三：濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)9十四：有源濾波電路91、低通濾波電路92、高通濾波電路103、帶通濾波電路和帶阻濾波電路11十五：電壓比較器的基礎(chǔ)知識(shí)111、簡(jiǎn)單電壓比較器11集成運(yùn)算放大器資料一：零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移可描述為：輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化，它又被簡(jiǎn)稱為：零漂。零點(diǎn)漂移是怎樣形成的： 運(yùn)算放大器均是采用直接耦合的方式，我們知道直接耦合式放大電路的各級(jí)的Q點(diǎn)是相互影響的，由于各級(jí)的放大作用，第一級(jí)的微弱變化，會(huì)使輸出級(jí)產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路

3、時(shí)（由于一些原因使輸入級(jí)的Q點(diǎn)發(fā)生微弱變化，如：溫度），輸出將隨時(shí)間緩慢變化，這樣就形成了零點(diǎn)漂移。  產(chǎn)生零漂的原因是：晶體三極管的參數(shù)受溫度的影響。解決零漂最有效的措施是：采用差動(dòng)電路。二：差動(dòng)放大電路 1、差動(dòng)放大電路的基本形式差動(dòng)放大電路如圖（1）所示：基本形式對(duì)電路的要求是：兩個(gè)電路的參數(shù)完全對(duì)稱兩個(gè)管子的溫度特性也完全對(duì)稱。它的工作原理是：當(dāng)輸入信號(hào)Ui=0時(shí)，則兩管的電流相等，兩管的集點(diǎn)極電位也相等，所以輸出電壓Uo=UC1-UC2=0。溫度上升時(shí)，兩管電流均增加，則集電極電位均下降，由于它們處于同一溫度環(huán)境，因此兩管的電流和電壓變化量均相等，其輸出

4、電壓仍然為零。它的放大作用（輸入信號(hào)有兩種類型）。（1）共模信號(hào)及共模電壓的放大倍數(shù) Auc共模信號(hào)-在差動(dòng)放大管T1和T2的基極接入幅度相等、極性相同的信號(hào)。如圖（2）所示 。共模信號(hào)的作用，對(duì)兩管的作用是同向的，將引起兩管電流同量的增加，集電極電位也同量減小，因此兩管集電極輸出共模電壓Uoc為零。因此：于是差動(dòng)電路對(duì)稱時(shí)，對(duì)共模信號(hào)的抑制能力強(qiáng)。（2）差模信號(hào)及差模電壓放大倍數(shù) Aud差模信號(hào)-在差動(dòng)放大管T1和T2的基極分別加入幅度相等而極性相反的信號(hào)。如圖（3）所示 。差模信號(hào)的作用，由于信號(hào)的極性相反，因此T1管集電極電壓下降，T2管的集電極電

5、壓上升，且二者的變化量的絕對(duì)值相等，因此： 此時(shí)的兩管基極的信號(hào)為：所以：基本差動(dòng)電路存在如下問(wèn)題： 電路難于絕對(duì)對(duì)稱，因此輸出仍然存在零漂；管子沒(méi)有采取消除零漂的措施，有時(shí)會(huì)使電路失去放大能力；它要對(duì)地輸出，此時(shí)的零漂與單管放大電路一樣。 為此我們要學(xué)習(xí)另一種差動(dòng)放大電路-長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路2：長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路它又被稱為射極耦合差動(dòng)放大電路，如下圖所示：圖中的兩個(gè)管子通過(guò)射極電阻Re和Uee耦合。 下面我們來(lái)學(xué)習(xí)它的一些指標(biāo)：(1)靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)時(shí)，輸入短路，由于流過(guò)電阻Re的電流為IE1和IE2之和，且電路對(duì)稱，IE1=IE2， 因此：&

6、#160;      (2)對(duì)共模信號(hào)的抑制作用在這里我們只學(xué)習(xí)共模信號(hào)對(duì)長(zhǎng)尾電路中的Re的作用。由于是同向變化的，因此流過(guò)Re的共模信號(hào)電流是Ie1+Ie2=2Ie，對(duì)每一管來(lái)說(shuō)，可視為在射極接入電阻為2Re。 它的共模放大倍數(shù)為：由此式我們可以看出Re的接入，使每管的共模放大倍數(shù)下降了很多（對(duì)零漂具有很強(qiáng)的抑制作用）。(3)對(duì)差模信號(hào)的放大作用差模信號(hào)引起兩管電流的反向變化（一管電流上升，一管電流下降），流過(guò)射極電阻Re的差模電流為Ie1-Ie2，由于電路對(duì)稱，所以流過(guò)Re的差模電流為零，Re上的差模信號(hào)電壓也為零，因此

7、射極視為地電位，此處“地”稱為“虛地”。因此差模信號(hào)時(shí)，Re不產(chǎn)生影響。由于Re對(duì)差模信號(hào)不產(chǎn)生影響，故雙端輸出的差模放大倍數(shù)仍為單管放大倍數(shù)：(4)共模抑制比(CMRR) 我們一般用共模抑制比來(lái)衡量差動(dòng)放大電路性能的優(yōu)劣。CMRR定義如下：它的值越大，表明電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力越好。有時(shí)還用對(duì)數(shù)的形式表示共模抑制比，即：其中為差模增益。CMR的單位為：分貝（dB）(5)一般輸入信號(hào)情況 如果差動(dòng)電路的輸入信號(hào)，即不是共模也不是差模信號(hào)時(shí)：我們要把輸入信號(hào)分解為一對(duì)共模信號(hào)和一對(duì)差模信號(hào)，它們共同作用在差動(dòng)電路的輸入端。例1：如右圖所示電路，已知差模增益為48dB，共模抑

8、制比為67dB，Ui1=5V，Ui2=5.01V， 試求輸出電壓Uo 解：=48dB，Aud-251， 又CMR=67dB   CMRR2239 Auc=Aud/CMRR0.11 則輸出電壓為：三：集成運(yùn)放的組成它由四部分組成：1、偏置電路；2、輸入級(jí)：為了抑制零漂，采用差動(dòng)放大電路3、中間級(jí)：為了提高放大倍數(shù)，一般采用有源負(fù)載的共射放大電路。4、輸出級(jí)：為了提高電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，一般采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)電路四：集成運(yùn)放的性能指標(biāo)1、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù) Aod 它是指集成運(yùn)放在無(wú)外加反饋回路的

9、情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。2、最大輸出電壓 Uop-p 它是指一定電壓下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。3、差模輸入電阻rid 它的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向差模輸入信號(hào)源索取電流的大小。要求它愈大愈好。4、輸出電阻 rO 它的大小反映了集成運(yùn)放在小信號(hào)輸出時(shí)的負(fù)載能力。5、共模抑制比 CMRR它放映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，其定義同差動(dòng)放大電路。CMRR越大越好。五：低頻等效電路在電路中集成運(yùn)放作為一個(gè)完整的獨(dú)立的器件來(lái)對(duì)待。于是在分析、計(jì)算時(shí)我們用等效電路來(lái)代替集成運(yùn)放。 由于集成運(yùn)放主要用于頻率不

10、高的場(chǎng)合，因此我們只學(xué)習(xí)低頻率時(shí)的等效電路。下圖所示為集成運(yùn)放的符號(hào)，它有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。其中：標(biāo)有+的為同相輸入端(輸出電壓的相位與該輸入電壓的相位相同)標(biāo)有-的為反相輸入端(輸出電壓的相位與該輸入電壓的相位相反)。六：理想集成運(yùn)放一般我們是把集成運(yùn)放視為理想的（將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化） 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)：輸入電阻：輸入偏置電流：共模抑制比：輸出電阻：-3dB帶寬：無(wú)干擾無(wú)噪聲失調(diào)電壓、失調(diào)電流 及它們的溫漂均為零。七：集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特性當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性放大區(qū)時(shí)的條件是： (1)    (2)&

11、#160;注：(1)即:同相輸入端與反相輸入端的電位相等，但不是短路。我們把滿足這個(gè)條件稱為"虛短" (2)即:理想運(yùn)放的輸入電阻為,因此集成運(yùn)放輸入端不取電流。我們?cè)谟?jì)算電路時(shí)，只要是線性應(yīng)用，均可以應(yīng)用以上的兩個(gè)結(jié)論，因此我們要掌握好！ 當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，它的輸入、輸出的關(guān)系式為：。八：集成運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)當(dāng)集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的條件是：集成運(yùn)放在非線性工作區(qū)內(nèi)一般是開(kāi)環(huán)運(yùn)用或加正反饋。它的輸入輸出關(guān)系是： 它的輸出電壓有兩種形態(tài)：（1）當(dāng)時(shí)， （2）當(dāng)時(shí)， 它的輸入電流仍為零（因?yàn)椋┘矗杭蛇\(yùn)放工作在

12、不同區(qū)域時(shí)，近似條件不同，我們?cè)诜治黾蛇\(yùn)放時(shí)，應(yīng)先判斷它工作在什麼區(qū)域，然后再用上述公式對(duì)集成運(yùn)放進(jìn)行分析、計(jì)算。九：比例運(yùn)算電路 定義：將輸入信號(hào)按比例放大的電路，稱為比例運(yùn)算電路。 分類：反向比例電路、同相比例電路、差動(dòng)比例電路。（按輸入信號(hào)加入不同的輸入端分）。  比例放大電路是集成運(yùn)算放大電路的三種主要放大形式：1、反相比例電路輸入信號(hào)加入反相輸入端,電路如圖(1)所示:  輸出特性：因?yàn)椋海?#160;          &

13、#160; 所以：                   從上式我們可以看出：Uo與Ui是比例關(guān)系，改變比例系數(shù)，即可改變Uo的數(shù)值。負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓極性相反。反向比例電路的特點(diǎn)：(1)反向比例電路由于存在"虛地"，因此它的共模輸入電壓為零。即：它對(duì)集成運(yùn)放的共模抑制比要求低(2)輸入電阻低：ri=R1。因此對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)載能力有一定的要求。2、同相比例電路輸入信號(hào)加入

14、同相輸入端,電路如圖(2)所示: 輸出特性：因?yàn)椋海ㄌ摱痰皇翘摰兀?#160;              所以：      改變Rf/R1即可改變Uo的值，輸入、輸出電壓的極性相同同相比例電路的特點(diǎn)： (1)輸入電阻高；(2)由于(電路的共模輸入信號(hào)高)，因此集成運(yùn)放的共模抑制比要求高3、差動(dòng)比例電路 輸入信號(hào)分別加之反相輸入端和同相輸入端,電路圖如圖(3)所示：

15、它的輸出電壓為： 由此我們可以看出它實(shí)際完成的是：對(duì)輸入兩信號(hào)的差運(yùn)算。十 ：和、差電路1、反相求和電路 它的電路圖如圖(1)所示:輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，其中電阻R'為：它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：它的特點(diǎn)與反相比例電路相同。它可十分方便的某一電路的輸入電阻，來(lái)改變電路的比例關(guān)系，而不影響其它路的比例關(guān)系。2、同相求和電路 它的電路圖如圖（2）所示：輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：它的調(diào)節(jié)不如反相求和電路，而且它的共模輸入信號(hào)大，因此它的應(yīng)用不很廣泛。3、和差電路它的電路圖如圖(3)所示：此電路的功能是對(duì)Ui1、Ui2進(jìn)

16、行反相求和，對(duì)Ui3、Ui4進(jìn)行同相求和，然后進(jìn)行的疊加即得和差結(jié)果。它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：。 由于該電路用一只集成運(yùn)放，它的電阻計(jì)算和電路調(diào)整均不方便，因此我們常用二級(jí)集成運(yùn)放組成和差電路。它的電路圖如圖（4）所示它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：它的后級(jí)對(duì)前級(jí)沒(méi)有影響（采用的是理想的集成運(yùn)放），它的計(jì)算十分方便。十一：積分電路和微分電路1、積分電路 它可實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算及產(chǎn)生三角波形等。積分運(yùn)算是：輸出電壓與輸入電壓呈積分關(guān)系。它的電路圖如圖(1)所示：它是利用電容的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算。它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為： 其中： 表示電容兩端的初始電壓值.如果電路輸入的電壓波形是方

17、形，則產(chǎn)生三角波形輸出。2、微分電路微分是積分的逆運(yùn)算，它的輸出電壓與輸入電壓呈微分關(guān)系。電路圖如圖（2）所示： 它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：十二：對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路1、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路就是是輸出電壓與輸入電壓呈對(duì)數(shù)函數(shù)。我們把反相比例電路中Rf用二極管或三級(jí)管代替級(jí)組成了對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。電路圖如圖（3）所示： 它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：也可以用三級(jí)管代替二極管。2、指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路是對(duì)數(shù)運(yùn)算的逆運(yùn)算，將指數(shù)運(yùn)算電路的二極管(三級(jí)管)與電阻R對(duì)換即可。電路圖如(4)所示：它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：利用對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算以及比例，和差運(yùn)算電路，可組成乘法或除法

18、運(yùn)算電路和其它非線性運(yùn)算電路十三：濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)；而使規(guī)定范圍之外的信號(hào)不能通過(guò)。 濾波電路的分類：（按工作頻率的不同） 低通濾波器：允許低頻率的信號(hào)通過(guò)，將高頻信號(hào)衰減。 高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過(guò)，將低頻信號(hào)衰減。 帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻帶外的信號(hào)衰減。 帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而允許此頻帶以外的信號(hào)衰減。 我們?cè)陔娐贩治稣n程中已學(xué)習(xí)了，利用電阻、電容等無(wú)源器件構(gòu)成的濾波電路，但它有很大的缺陷如：電路增益小；驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力差等。為此我們要學(xué)習(xí)有

19、源濾波電路。十四：有源濾波電路 1、低通濾波電路它的電路圖如圖(1)所示：(我們以無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)RC接至集成運(yùn)放的同相輸入端為例)它的幅頻特性如圖(2)所示：   它的傳輸函數(shù)為：其中：Aup為通帶電壓放大被數(shù)：通帶截止角頻率：對(duì)于低有源濾波電路，我們可以通過(guò)改變電阻Rf和R1的阻值來(lái)調(diào)節(jié)通帶電壓的放大被數(shù)。2、高通濾波電路 它的電路圖如圖(3)所示：(我們以無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)接至集成運(yùn)放的反相輸入端為例) 同樣我們可以得到它的幅頻特定如圖(4)所示:   它的傳輸函數(shù)為：其中：通帶電壓放大被數(shù)通帶截止角頻率3、帶通濾波電路和帶阻濾波電路將低通濾波電路和高通濾波電路進(jìn)行不同組合，即可的獲得帶通濾波電路和帶阻濾波電路，它們的電路圖分別為：如圖（5）所示帶通濾波電路；如圖（6）所示帶阻濾波電路：十五：電壓比較器的基礎(chǔ)知識(shí) 電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系) 電壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數(shù)字電路的接口，還可以用作波形產(chǎn)生和變換