4-集成运算放大电路
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第四章 运算放大电路
第四章 运算放大电路
§4.1 集成运算放大器概述 §4.2 运算放大电路中的反馈 §4.3 基本运算电路 §4.4 运算放大电路在信号处理方面的应用
第四章 运算放大电路
§4.1 概述
一、集成运放的特点
二、集成运放电路的组成
三、集成运放的电压传输特性
集成电路： 以半导体单晶硅为芯片，把晶体管、场效应管、电阻、 电容等器件集装在一起的电路。
4.高速型
性能特点： 大信号工作状态下具有优良的频率特性， 转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至 高达 1 000 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。
第四章 运算放大电路
常用在A / D 和 D / A 转换器、有源滤波 器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和 精度比较器等电路中。（F3554）
高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。
三、输入失调电压温漂 UIO
定义：
UIO
dU IO dT
一般运放为 每度 10 ~ 20 V； 高质量运放低于每度 0.5 V 以下；
第四章 运算Baidu Nhomakorabea大电路
四、输入失调电流 IIO
定义： 当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流 之差，即
I IO I B1 I B2
第四章 运算放大电路
四、集成运放的主要性能指标
• • • • • • • • • • 指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 20lg│Aod│ 106dB ∞ 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 使uO为0在输入端所加的补偿电压 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0 超过此值不能正常放大 IIO的温漂d IIO/dT(℃) 几 nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 差模信号 最大差模输入电压 UIdmax ±30V 超过此值输入级放大管击穿 -3dB带宽 fH 10Hz ∞
第四章 运算放大电路
二、集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
第四章 运算放大电路
三、集成运放的电压传输特性
uO=f(uP-uN)
在线性区： uO＝Aod(uP－uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。 (uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是 ＋UOM , 就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。
性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑 制比很高，误差小。（F5037）
2.低功耗型
性能特点： 静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数 量级 ( 不超过毫瓦级 ) ，要求电压很低， 有较高的开环差模增益和共模抑制比。 （TLC2552）
第四章 运算放大电路
3.高阻型
性能特点： 通常利用场效应管组成差分输入级，输 入电阻高达 1012 。 高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持 电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些 信号源内阻很高的电路中。（F3130）
第四章 运算放大电路
一、集成运放的特点
集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接 耦合多级放大电路。 （1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用
差分放大电路和电流源电路。 （2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂 化并不带来工艺的复杂性。 （3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作 的大电阻。 （4）采用复合管。
第四章 运算放大电路
四、集成运放的主要性能指标
一、开环差模电压增益 Aod
Δ UO Aod 20 lg Δ U- Δ U
单位：dB
理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。
第四章 运算放大电路
二、输入失调电压 UIO
定义： 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的 补偿电压。 一般运放：UIO 为 1 ~ 10 mV；
十三、 转换速率 SR
额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时， 输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。 在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集 成运放的 SR 值。 其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输 出电阻等。
第四章 运算放大电路
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1
4.5.2
集成运放的发展概况
集成运放的种类 二、按可控性分类 1.可变增益运放 2.选通运放
一、按工作原理分类 1.电压放大型F007、F324
2.电流放大型LM3900、F1900
3.跨导型LM3080、F3080
4.互阻型AD8009、AD8011
第四章 运算放大电路
三、按性能指标分类
1.高精度型
十、最大差模输入电压 UIdm
反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。
十一、 - 3 dB带宽 fH
表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只 有几赫至几千赫。
第四章 运算放大电路
十二、 单位增益带宽 fc
Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大 倍数等于 1 。
5.高压型
性能特点： 输出电压动态范围大，电源电压高， 功耗大。
6.大功率型
性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电 流，负载上可得到较大的输出功率。
一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。
五、输入失调电流温漂 IIO dI IO 定义： IIO dT
一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。
第四章 运算放大电路
六、输入偏置电流 IIB
定义： 输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的 平均值。 1 I IB ( I B1 I B2 ) 2
七、差模输入电阻 rid Δ U Id 定义： rid 一般集成运放为几兆欧。 Δ I Id 八、共模抑制比 KCMR
定义：
K CM R Aod 20 lg Aoc
多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。
第四章 运算放大电路
九、最大共模输入电压 UIcm
输入端所能承受的最大共模电压。
第四章 运算放大电路
§4.1 集成运算放大器概述 §4.2 运算放大电路中的反馈 §4.3 基本运算电路 §4.4 运算放大电路在信号处理方面的应用
第四章 运算放大电路
§4.1 概述
一、集成运放的特点
二、集成运放电路的组成
三、集成运放的电压传输特性
集成电路： 以半导体单晶硅为芯片，把晶体管、场效应管、电阻、 电容等器件集装在一起的电路。
4.高速型
性能特点： 大信号工作状态下具有优良的频率特性， 转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至 高达 1 000 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。
第四章 运算放大电路
常用在A / D 和 D / A 转换器、有源滤波 器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和 精度比较器等电路中。（F3554）
高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。
三、输入失调电压温漂 UIO
定义：
UIO
dU IO dT
一般运放为 每度 10 ~ 20 V； 高质量运放低于每度 0.5 V 以下；
第四章 运算Baidu Nhomakorabea大电路
四、输入失调电流 IIO
定义： 当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流 之差，即
I IO I B1 I B2
第四章 运算放大电路
四、集成运放的主要性能指标
• • • • • • • • • • 指标参数 F007典型值 理想值 开环差模增益 20lg│Aod│ 106dB ∞ 差模输入电阻 rid 2MΩ ∞ 使uO为0在输入端所加的补偿电压 共模抑制比 KCMR 90dB ∞ 输入失调电压 UIO 1mV 0 UIO的温漂d UIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0 超过此值不能正常放大 IIO的温漂d IIO/dT(℃) 几 nA/ ℃ 0 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 差模信号 最大差模输入电压 UIdmax ±30V 超过此值输入级放大管击穿 -3dB带宽 fH 10Hz ∞
第四章 运算放大电路
二、集成运放电路的组成
两个 输入端 一个 输出端
可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
第四章 运算放大电路
三、集成运放的电压传输特性
uO=f(uP-uN)
在线性区： uO＝Aod(uP－uN) Aod是开环差模放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。 (uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是 ＋UOM , 就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。
性能特点： 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑 制比很高，误差小。（F5037）
2.低功耗型
性能特点： 静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数 量级 ( 不超过毫瓦级 ) ，要求电压很低， 有较高的开环差模增益和共模抑制比。 （TLC2552）
第四章 运算放大电路
3.高阻型
性能特点： 通常利用场效应管组成差分输入级，输 入电阻高达 1012 。 高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持 电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些 信号源内阻很高的电路中。（F3130）
第四章 运算放大电路
一、集成运放的特点
集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接 耦合多级放大电路。 （1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用
差分放大电路和电流源电路。 （2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂 化并不带来工艺的复杂性。 （3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作 的大电阻。 （4）采用复合管。
第四章 运算放大电路
四、集成运放的主要性能指标
一、开环差模电压增益 Aod
Δ UO Aod 20 lg Δ U- Δ U
单位：dB
理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。
第四章 运算放大电路
二、输入失调电压 UIO
定义： 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的 补偿电压。 一般运放：UIO 为 1 ~ 10 mV；
十三、 转换速率 SR
额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时， 输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。 在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集 成运放的 SR 值。 其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输 出电阻等。
第四章 运算放大电路
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1
4.5.2
集成运放的发展概况
集成运放的种类 二、按可控性分类 1.可变增益运放 2.选通运放
一、按工作原理分类 1.电压放大型F007、F324
2.电流放大型LM3900、F1900
3.跨导型LM3080、F3080
4.互阻型AD8009、AD8011
第四章 运算放大电路
三、按性能指标分类
1.高精度型
十、最大差模输入电压 UIdm
反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。
十一、 - 3 dB带宽 fH
表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只 有几赫至几千赫。
第四章 运算放大电路
十二、 单位增益带宽 fc
Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大 倍数等于 1 。
5.高压型
性能特点： 输出电压动态范围大，电源电压高， 功耗大。
6.大功率型
性能特点：可提供较高的输出电压较大的输出电 流，负载上可得到较大的输出功率。
一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。
五、输入失调电流温漂 IIO dI IO 定义： IIO dT
一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。
第四章 运算放大电路
六、输入偏置电流 IIB
定义： 输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的 平均值。 1 I IB ( I B1 I B2 ) 2
七、差模输入电阻 rid Δ U Id 定义： rid 一般集成运放为几兆欧。 Δ I Id 八、共模抑制比 KCMR
定义：
K CM R Aod 20 lg Aoc
多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。
第四章 运算放大电路
九、最大共模输入电压 UIcm
输入端所能承受的最大共模电压。