集成运算放大器的应用

uo
ui= 0
直接耦合
u+o
放大电路
-0
t
温度变化→晶体管参数变化→工作点偏移
→虚假信号。
Au越大 零点漂移影响越严重。
第一级 放大器产生的 零点漂移影响最严重。
抑制零点漂移首先从第一级 放大电路(输入级)着手。
2020/4/20
4
一.基本差分放大电路的组成和抑制零点漂移的原理 （一）基本差分放大电路的组成
IC1 RC
RC IC2
+ uo --
RB
RB
+
V1
V2
+
ui1
ui2
--
IE1
IE2
--
RE
UCC UEE
电路的左、右两部分对称。
双端输入、双端输出。
双电源供电。
2020/4/20
5
IC1 RC
RC IC2
+ uo --
RB
RB
+
V1
V2
+
ui1
ui2
--
IE1
IE2
RE
--
UCC UEE
UEE为V1、V2提供偏流，建立合适· 的静态工作点。
8 空脚
Aod
u--
-
同相输入端
单端输入
u+
+ + uo 反相输入端
输出 uo=Aod·(u+ - u--)
u 输出2020/4o/2正0 比于两个输入端信号电压之差
差模输入。19
Aod
u--
-
输出
u+
++
uo
uo=Aod·(u+ - u--)
输出uo正比于两个输入端信号电压之差。 Aod 开环差模电压放大倍数。
叠加求和后，形成运放的 净输入信号。
+
-
uf
+u-+d
－
+
+
+ uO
以图示电路为例
ui R2
－
输入信号 ui 反馈电压 uf
－
净输入信号 ud
反馈信号与外加输入信号叠加求和后，使净输入信号增 强，从而使放大电路的放大倍数增大，称为正反馈。
若反馈信号与外加输入信号叠加求和后，使净输入信号 减202小0/4/，20 从而使放大电路的放大倍数减小，称为负反馈30。
uf
R1
∞
－
信号采样的不同分为电压反馈 +
+ +
和电流反馈。
输入u+≠u--,虚短不再存在。
uo
+Uo（sat）
输出电压只有两种数值±UO(Sat)。
ui
（2）“虚断”仍然存在。
理想运放rid→∞
0 --Uo（sat）
i ≈i ≈0 + 2020/4/20
--
27
8-3 放大电路中的负反馈
为确保集成运放工作在线性区必须加入负反馈,以减小
其电压放大倍数。
由不同元、器件组成的负反馈电路使运放完成不同的
运算功能。
Rf
R1
∞
－
+
+
+
+
uO
ui R2
－
－
一.反馈的基本概念
R1
∞
- uf + － +
+
+
+
uO
ui R2
－
－
信号的正向传送 开环系
2020/4/20
统
28
将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部，通 过某种电路（反馈电路）反送回输入端，即为反馈。
Rf
输出信号可为电压或电流 (xo)。
静态
ui
=
·
0。
UEE正极→地→V1、V2基极输入端→RB→发射结→
→RE→UEE负极。
2020/4/20
6
+
RC RB
IC1 IC2
+ -uo
RC RB
V1 V2
+
UCC
ui1
--
IE1 + URE
IE2
RE
ui2
--
UEE
-- IRE
（二）抑制零点漂移的原理
1.电路的对称性 V1、V2放大电路静态工作点相同
线性区直线的倾斜程度取决于Aod, Aod越大,直线越陡直，
线性区越狭窄。
A( 理想2020运/4/2放0 线性区直线与纵轴重合 od→∞)。
23
理想运放在线性区工作有两个重要特点
∞
u--
--
+
uo
u+
+
（1）虚短
uo = Aod·ui =Aod· (u+-u- u u
输出uo是一个-有) 限值,而理想运放Aod→∞
11
差模电压放大倍数
Ad
uO ui
差分放大电路在差模信号作用下，充分利用两个晶体
管的放大作用，有较高的差模电压放大倍数。
（二）共模输入信号和共模电压放大倍数
共模信号 两个极性相同、大小相等的电信号 。
共模电压放大倍数:衡量电路对称程度,抑制零漂效果的 技术指标。
零点漂移就相当于V1、V1加入共模信号所产生的效果。
晶体管V1 、 V2加入差模信号（双端输入）。
差模信号 V1 、 V2基极分别加入大小相等、极性相反 的电信号。
相对于接地点 2020/4/20
ui1= -ui2= （1／2）ui
10
+UCC
++
ui --
ui1-ui2+--
v v RC + -- RC
RB c1
uo
c2
V1
V2
R
R
RE
RB
--UEE
一.集成运放的主要性能指标
(一)开环差模电压放大倍数
Aod
uo ui
uo u u
A202o0d/4越/20 大,运放的运算精度越高。
20
(二)差模输入电阻rid
rid越大，取用的信号电流越小。
u--
(三)输出电阻rod
rid u+
rod越小，运放带负载能力越强。
互补对称功放(射极输出器)。
Aod
uo
uo = f (ui) = f (u+ -
1.线性工作u区--)
0
ui
输出电压uo与输入电压ui
之间2020存/4/2在0 线性正比关系。
线性区
22
uo = Aod·ui =Aod· (u+ -
uo +Uo(sat）
u--)
uo
+Uo（sat）
0
ui
-Uo（sat）
ui
0 --Uo（sat）
线性区
+UCC
++
ui --
ui1-ui2--
+
v v RC + -- RC
RB c1
uo
c2
V1
V2
R
R
RE
RB
--UEE
优点：差模电压放大倍数Ad较高。
抑制零漂效果好，KCMR高。
缺点：输入端和输出端均不得接地。
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15
(二)双端输入、单端输出
++
ui --
ui1-ui2+--
RC
+ + RC
如果差分放大电路完全对称，在共模信号作用下，双端输 出电压为零。这时，差分放大电路对共模信号无放大作用。
2020/4/20
12
共模电压放大倍数AC
衡量差分放大电路对称程度，对称程度越好，共模电压
放大倍数AC越小，抑制零漂效果越好。理想情况下AC=0。
（三）共模抑制比
综合表示差分放大电路放大差模信号能力和抑制零点 漂移能力的技术指标。
--
+
uo
+
rod
(四)共模抑制比KCMR KCMR越大越好。
表明其Aod大、抑制零点漂移效果好。
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21
二.理想运算放大器
（一）理想运放的主要性能指标
开环差模电压放大倍数Aod→∞
差模输入电阻rid→∞
u--
输出电阻rod = 0
u+
∞
--
+
uo
+
共模抑制比KCMR→∞
（二）理想运放的电压传输特性
RB R
V1 uo1 uo2 V2 -- --
R
RE
特点
RB
--UEE
+UCC
差模电压放大倍数Ad是双端输出的一半(uo1 、 uo2)。
抑制零漂效果较好。
2输020出/4/20端可以有接地点。
16
(三)单端输入、双端输出
+UCC
RC + uo -- RC
RB
RB
+
V1
V2
ui
--
RE
单端输入
--UEE
差模电压放大倍数:衡量放大有用信号能力的技术指标。
在差模信号作用下，V1 、 V1的集电极电位vc1 、 vc1
向相反方向变化。
V1的输出
uo1= vC1 V2的输出 uo2= vC2= --
差分放大电路的输出 uov=C1vC1--vC2= 2vC1 = 2uo1
差202分0/4/2放0 大电路的输出是每管输出的2倍。
调零电位器 图8-1-3
调零电位器 RP
调零操作
2020/4/20
8
2.射极公共电阻RE的负反馈作用
RC RB
IC1 IC2 + --
RC
uo
RB
+UCC
+
V1 V2
+
ui1
--
ui2
IE1
IE2 IRE +
--
－UEE
RE URE
－
→IC1↑→
T↑→
→IRE↑↑→URE↑→VE↑→
→IC2↑→
↓IC1←↓UBE1←
集成运放的组成框图
输入ui
信号源
输入级
中间级
输出级
输出uo
负载
偏置电路
输入级
零点飘移小、输入电阻ri高。
差分放大电路。
中间级 路 输。出级
电压放大倍数高 共射极放大电
输出功率大、ro小、带负载能力强。
互补对称功放电路。
偏置电路 2态020/工4/20作点。
为上述电路提供偏流，设置合适的静
3
零点漂移
uo Aod
u u
uo Aod
0
u u 2020/4/20
虚短(路)
24
（2）虚断
i
i
ui rid
+
i- - ∞
ui
-
+
uo
rid
i+ +
r 理想运放 id→∞
i+≈i-≈0
同相输入端和反相输入端之间如同断开。
202虚0/4/断20 (路)
25
例题8-1
运放CF741的正、负电源电压是±15V，输出电压的饱和
第八章 集成运算放大器的应用
集成电路 模拟集成电路
集成运算放大器。
数字集成电路
集成运算放大器 制作在一块硅半导体基片上的具
有极高电压放大倍数的直接耦合放大电路。
多级放大器 增加放大倍数。
ui 输入级 中间级
ri高
Au大
直接耦合 零点漂
2020/4/20
移
… 输出级 uo
ro小 带负载能力强
1
集成运放的输入级 差分放大电路。
输出 uo=VC1--VC2=0
IC1=IC2 VC1=VC2
当温度变化时，IC1、IC2和VC1、VC2 相同变化，且变化量
u 相2等020。/4/20保持 o=VC1--VC2=0。
7
例如:T↑→
IC1↑→ VC1↓→ IC2↑→ VC2↓→
保持
uo=VC1--VC2=0
二者变化量相等。
由于电路的对称性,采用双端输出方式,使每一个管子存在 的零漂电压在输出端相互抵消。
依靠RE的耦合（RE阻值足够大），可形成差模信号分别 加入V1、V2的基极。故单端输入效果与双端输入相同。
特点：同双端输入、双端输出方式。
2020/4/20
但允许输入端有一端接
17
(四)单端输入、单端输出
+UCC
RC
RC
+ ui
RB
++ V1uo-1 - V2
R·B
·
--
RE
·
--UEE
特点：同双端输入、单端输出方式。
反馈信号可为电压或电流 (xf)。
R1
∞
反馈系数
F xf xo
－
- uf +
+
+
+
+ uO
ui R2
－
F 表示反馈的强弱或深度。 －
以图示电路为例
输出信号 输出电压uo 反馈信号 反馈电压uf
F uf uo
开202环0/4/2系0 统与闭环系统
29
Rf
正反馈和负反馈
反馈信号与外加输入信号
R1
∞
26
2.非线性工作区
uo +Uo(sat）
输出电压正饱和值
U+ O(Sat)
负饱和值
--UO(Sat)
0
ui
理想运放在非线性区工作
--Uo（sat）
的两个重要特点
非线性区
非线性区
线性区
(1)当u+＞u--, ui＞0,输出uO = +UO(Sat)。
当u+＜u--, ui＜0,输出uO = -UO(Sat)。
值 ±Uo（sat）= ±13V，开环差模电压放大倍数 Aod = 2105 。计算其最大差模输入电压 (u u ) 。
解:运放工作在线性区允许加
入的最大差模输入电压
u
u
U o(sat) Aod
u-
+-
ui
--
-∞
+
uo
+
13
u+
65μV
2 105
运放的线性工作区非常狭窄。
202同0/4/2相0 输入端与反相输入端近似虚短。
共模抑制比
KCMR
Ad Ac
共模抑制比越大越好，通常可达 106 107 。
2020/4/20
13
用分贝（db）表示
K CMR
20lg
Ad Ac
106 107 相当于120—140db
理想情况下，KCMR→∞
2020/4/20
14
三.差分放大电路的输入方式和输出方 式(一)双端输入、双端输出
二.反馈极性的判别---瞬时极性法
Rf
瞬时极性法
应用举例
uf
∞
+
R1 u-d- －
++
+
ui
R2
－
净输入 ud = u+--u--= ui--uf
反馈电压
uf
Rf
R1
R1
uo
ui↑→u+↑→ud↑→uo↑→ uf ↑→ ↓ud
2020/4/20
+ uO
－
负反馈
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三.负反馈的四种组态
Rf
(一)电压反馈和电流反馈 按照反馈电路在输出端对输出
← ↓IC2←↓UBE2←
抑制每一个管子的零漂,在各种输入、输出情况下都起
作20用20/4。/20 RE阻值大些,抑制零漂效果更好。
9
二.差模输入、共模输入和共模抑制比
+UCC
++
ui --
ui1-ui2+--
v v RC + -- RC
RB c1
uo
c2
V1
V2
R
R
RE ·
RB
--UEE
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(一)差模输入信号与差模电压放大倍数
地。 2020/4/20
允许输入端和输出端均有一端接
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8-2 集成运放的性能指标和理想运算放大器
集成运放典型产品举例 CF741
V+ OUT OA2
8
5
μA741
1
4
OA1 IN-- IN+ V--
1 调零端 2 反相输入端 3 同相输入端
4 电源端(-VEE)
5 调零端 6 输出端
7 电源端(+VCC)
本 章
集成运放的性能指标和理想运算放大器。
主 放大电路中的负反馈。
要 内
集成运放在信号运算方面的应用(线性应用)。
容 电压比较器(非线性应用)。
RC桥式正弦波振荡器。
差分放大电路
抑制零点漂移效果好。 用于多级放大器的输入级。
u1 两个输入端 u2
差分放 大电路
uo
2020/4/20
2
8-1 集成运放的输入级—差分放大电路