模拟电子技术,第3章 集成运算放大器的基础,第3章 集成运算放大器的基础,3.1 本章任务的导入 3.2 相关的理论知识 3.3 相关的基本技能 本 章 小 结,3.2 相关的理论知识,3.2.1 差动放大电路 3.2.1.1 直接耦合放大电路中需要解决的问题,图3-2 基本差动放大电路,一是各级静态工作点互相影响、互相牵制问题，二是零点漂移问题。,所谓的零点漂移，是指当输入信号为零时，在放大器输出端出现一个变化不定（时大时小，时快时慢）的输出信号的现象，简称零漂。,产生零漂的原因有：温度变化、电源电压波动、晶体管参数变化等，但主要是温度变化引起的，所以零漂又称为温漂。,3.2 相关的理论知识,3.2.1.2 基本差动放大电路 1.基本差动放大电路的组成,如图3-2所示为基本差动放大电路，它由两个完全相同的共射极单管放大器连在一起，电路接入两个电源 和 。由于两个三管 、 的特性完全一样，外接电阻也完全对称相等，两边各元件的温度特性也都一样，因此两边电路完全对称。输入信号从两管的基极输入，输出信号从两管的集电极之间输出。,,,,,2.静态分析,当输入信号为零时，即,。由于电路完全对称，即,，,或,，故输出电压为,。由此可知，输入信号为零时，,也为零。,基本差动放大器的输出信号电压,静态工作点的求法：,3.2 相关的理论知识,由于,所以,,,,,,,的作用是引入直流负反馈。当温度升高时，两管的,和,同时增大，引入,后，稳定静态工作、抑制零漂的过程如下,,3.抑制零漂的原理,当电源波动或温度变化时，两管集电极电位将同时发生变化。当温度升高时，两管的集电极电流同步增加，相应地，集电极电位同步下降。由于电路对称，两管变化量相等，即 因此输出电压为 ，可见，两管各自的零漂电压在输出端可以互相抵消，因而使零漂被抑制掉。,,,3.2 相关的理论知识,4.动态分析 (1)共模输入信号与差模输入信号 差动放大电路的输入信号可以分为两种，即共模输入信号和差模输入信号。,图3-3 差动放大电路的输入方式,(2)共模输入,在放大器的两个输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即 时，这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模（输入）信号。共模输入信号常用 来表示，即 。在放大器的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即 时这种输入方式为差模输入，所输入的信号称为差模输入信号。差模输入信号常用 来表示，即,,,,,,,,3.2 相关的理论知识,如图3-3（a）所示为共模输入方式，由图中可以看出，当差动放大器输入共模信号时，由于电路对称，两管的集电极电位变化相同，因而输出电压,恒为零。,可见，在理想情况下（电路完全对称），差动放大器在输入共模信号时不产生输出电压，也就是说，理想差动放大器的共模电压放大倍数为零，或者说，差动放大器对共模信号没有放大作用，而是有抑制作用。,(3)差模输入 差模输入方式如图3-3b所示，由图中可以看出，当差动放大电路输入差模信号时，由于电路对称，其两管输出电位的变化也是大小相等、极性相反。,设两管的电压放大倍数均为 ，则两管输出电压分别为 ， ，则,,,,,,总电路的输出为,,差模电压放大倍数为,,3.2 相关的理论知识,可见，差动放大器的差模电压放大倍数等于组成该差动放大器的半边电路的电压放大倍数。,由单管共射放大器的电压放大倍数计算式，可得,,当两个集电极接有负载,时，则：,,,输入电阻为,,输出电阻为,,5.共模抑制比,,,3.2 相关的理论知识,3.2.1.3 差动放大电路的四种接法 (1)双端输入、双端输出 图3-3b所示电路即为这种接法。 如图3-3（b）所示，即为这种接法。电压放大倍数的计算式见（3-1）式，输入/输出电阻计算式见（3-3）、（3-4）式。,(2)双端输入、单端输出 如图3-4a所示，输出只从一个管子VT1的集电极与地之间引出。,3.2 相关的理论知识,(3)单端输入、双端输出 如图3-4b所示，输入信号只从一个管子VT1的基极引入，另一管子VT2的基极接地。 (４)单端输入、单端输出 如图3-4c所示，这种接法，它既有图3-4a所示电路的单端输出的特点，又具有图3-4b所示电路的单端输入的特点。 3.2.1.4 差动放大电路的改进,图3-5 改进后的差动放大电路,3.2 相关的理论知识,思 考 题 1.什么是零点漂移？什么是差模信号？什么是共模信号？ 2.差动放大电路是如何抑制零漂的？ 3.带恒流源的差动放大电路是如何提高共模抑制比的？ 3.2.2 集成运算放大器的简介 集成运算放大电路按集成度不同，可分为小规模、中规模、大规模和超大规模集成运算放大电路；按导电类型分，有晶体管集成运算放大电路和场效应晶体管集成运算放大电路或两者兼有。 3.２.2.1 集成运算放大器的电路结构,3.2 相关的理论知识,图3-6 集成运放的内部电路,3.2 相关的理论知识,图3-7 集成运放的符号及引脚连接图,3.2.2.2 集成运算放大器的符号与引脚,3.2 相关的理论知识,3.2.2.3 集成运算放大器的主要参数 (1)开环差模电压放大倍数Auo Auo是集成运放在开环时输出电压与输入差模信号电压之比，常用分贝表示。 (2)差模输入电阻Rid Rid是集成运放两输入端之间的动态电阻，它是衡量差动对管从差模输入信号源索取电流大小的标志，一般为MΩ级。 (3)输出电阻Ro Ro是集成运放开环工作时，从输出端向里看进去的等效电阻，其值越小，说明集成运放带负载的能力越强。 (4)共模抑制比KCMR 集成运放开环差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数之比就是集成运放的共模抑制比，常用分贝表示。 (5)最大差模输入电压Uidm Uidm是指同相输入端和反相输入端之间所能承受的最大电压值。,3.2 相关的理论知识,(6)最大共模输入电压Uicm Uicm是集成运放在线性工作范围内所能承受的最大共模输入电压。 3.2.3 集成运算放大器的基本运算电路 3.2.3.1 理想运算放大器 1.集成运放的理想化条件 １)开环差模电压放大倍数：Auo=∞。 ２)输入电阻：Rid=∞。 ３)输出电阻：Ro=0。 ４)共模抑制比：KCMR=∞。 ５)失调电压、失调电流均为零。 ６)上限频率：fH=∞。 2.理想运算放大器的特点,3.2 相关的理论知识,(１)线性区 1)由于理想运放的Rid=∞，可知其两个输入端的电流都为零，即ii+=ii-=0 这一特点为“虚断”?！靶槎稀敝皇侵甘淙攵说缌髑鹘诹?，而不是输入端真的断开。 2)由于Auo=∞，而输出电压总为有限值，则有 我们把集成运放两个输入端电位相等称为“虚短”。但两点并非真正短路。 (２)非线性区 由于集成运放的开环增益Auo很大，当它工作于开环状态或加有正反馈时，只要有差模信号输入，哪怕是微小的信号，集成运放都将进入非线性区，其输出电压将立即达到正向饱和值(Uom)或负向饱和值(-Uom)(Uom或-Uom在数值上接近正负电压源)。理想运放工作在非线性区时，有以下两条特点： 1)只要输入电压u+与u-不相等，输出电压就饱和。当 时， ；当 时， 2)虚断仍然成立，即ii+=ii-=0。,,,,,,3.2 相关的理论知识,图3-8 反相比例运算电路,3.2.3.2 比例运算电路 1.反相比例运算电路,如图3-8所示，为反相比例运算电路。输入信号从反相输入端输入，同相端通过电阻接地。由,，可知，,上无压降，所以得,，再由,，得,但反相端并没有真正接地，称它为“虚地”。,。即，反相端也，,为地电位,分析电路可得,,,=,输出电压与输入电压的关系式,,电压放大倍数,,当,＝１时，,，,这样的反相比例电路，又称为反相器。,为平衡电阻，,同相端与地之间的电阻,大小为,,3.2 相关的理论知识,图3-9 同相比例运算电路,2.同相比例电路,如图3-9所示，为同相比例运算电路。输入信号从同相端加入集成运算放大器，反相端经电阻接地，并引入负反馈。平衡电阻,,各电流的参考方向如图3-9所示，由虚断,虚短,可得,,,=,整理上式得输出电压与输入电压的关系式及电压放大倍数,,,在同相比例电路中，当,,（反馈电阻短路）或,,（反相输入端电阻开路）时，,,这时,,，输出电压等于输入电压，所以，把这种运放电路称为电压跟随器。,3.2 相关的理论知识,3.2.3.3 加法运算电路 1.反相加法运算电路,图3-10 反相加法运算电路,如图3-10所示，为三个输入信号的反相加法运算电路。信号由反相输入端引入，同相输入端通过一个电阻接地。它能实现输出电压正比于三个输入电压之和的运算功能。与前面讲到的反相比例电路相比，它只是增加了二个输入端。平衡电阻,,各电流的参考方向如图3-10所示，由虚断,,、虚地,,概念可得,,,3.2 相关的理论知识,图3-11 同相加法运算电路,2.同相加法运算电路,如图3-11所示，为两个输入信号的同相加法运算电路，信号由同相输入端引入，与前面讲到的同相比例电路相比，它只是增加了一个输入端。电路中,,各电流的参考方向如图3-11所示，由虚短和虚断可得,,,+,=,+,=,整理后得电路输入与输出的关系为,,3.2 相关的理论知识,3.2.3.4 减法运算电路,图3-12 减法运算电路,如图3-12所示，为差动输入时能实现减法运算的电路， 和 分别加在运放的反相和同相输入端，输出信号仍由反馈电阻 经分压后,,,和,加在反相输入端。电路中，,,各电流的参考方向如图3-12所示 ，由虚短和虚断可得,,,,,=,经整理后得电路输入与输出的关系为,,当,时,,,,3.2 相关的理论知识,3.2.3.5 积分运算电路与微分运算电路 1.积分运算电路,如图3-14所示为积分运算电路，与反相比例运算电路相比较，接在输出端与反相输入端之间的反馈电阻 ，用电容 来代替。,,,电流参考方向如图3-14所示，由虚地概念，则有,,,图3-14 积分运算电路,3.2 相关的理论知识,图3-15 微分运算电路,2.微分运算电路,如图3-15所示为微分运算电路。微分运算是积分运算的逆运算，在电路结构上只要将反馈电容和输入端的电阻位置互调便构成微分电路。,电流参考方向如图3-15所示，,由虚短和虚断可得,,,3.2 相关的理论知识,思 考 题 1.理想集成运放的主要条件有哪些？ 2.什么是虚短、虚断、虚地？同相输入电路是否存在虚地？ 3.理想集成运放工作在线性区或非线性区时，各有什么特点？ ４.画出集成运放实现加、减、积分、微分运算的基本电路，写出运算关系式。,3.3 相关的基本技能,3.3.1 集成电路的识图、读图方法 在无线电设备中，集成电路的应用愈来愈广泛，对集成电路的应用电路图的识图是电路分析中的一个重点，也是难点之一。 1.集成电路的应用电路图功能 1)它表达了集成电路各引脚外电路结构、元器件参数等，从而表示某一集成电路的完整工作情况。 2)有些集成电路的应用电路图中，画出了集成电路的内电路框图，这对分析集成电路的应用电路是相当有利的，但这种表示方式不多。,3.3 相关的基本技能,3)集成电路的应用电路图有典型应用电路图和实际应用电路图两种，前者在集成电路手册中可以查到，后者出现在实际电路中，这两种应用电路图相差不大，根据这一特点，在没有实际应用电路图时可以用典型应用电路图作参考，这一方法在集成电路修理中常常采用。 4)一般情况下，集成电路的应用电路图表达了一个完整的单元电路，或一个电路系统，但有些情况下一个完整的电路系统要用到两个或更多的集成电路。 2.集成电路的应用电路图特点 1)大部分应用电路图不画出内电路框图，这对识图不利，尤其对初学者进行电路工作分析时更为不利。,3.3 相关的基本技能,2)对初学者而言，分析集成电路的应用电路图比分析分立元器件的电路更为困难，这是对集成电路内部电路不了解的缘故，实际上识图也好、修理也好，集成电路比分立元器件电路更为简便。 3)对集成电路应用电路图而言，在大致了解集成电路内部电路和详细了解各引脚作用的情况下，识图是比较方便的。 3.集成电路的应用电路图识图方法和注意事项 (1)了解各引脚的作用是识图的关键 查阅有关集成电路应用手册可以了解各引脚的作用。 (2)了解集成电路各引脚作用的三种方法 了解集成电路各引脚作用有三种方法：一是查阅有关资料；二是根据集成电路的内电路框图分析；三是根据集成电路的应用电路中各引脚外电路特征进行分析。,3.3 相关的基本技能,(3)电路分析步骤 1)直流电路分析。 2)信号传输分析。 3)其他引脚外电路分析。 (4)注意事项 1)有了一定的识图能力后，要学会总结各种功能集成电路的引脚外电路规律，并要掌握这种规律，这对提高识图速度是有用的。 2)分析集成电路的内电路对信号放大、处理过程时，最好是查阅该集成电路的内电路框图。 3)了解集成电路的一些关键测试点及引脚直流电压规律对检修电路是十分有用的。,3.3 相关的基本技能,4)一般情况下不要去分析集成电路的内电路工作原理，这是相当复杂的。 3.3.2 集成运算放大器仿真实验 1.实验目的 1)熟练掌握Multisim9.0的仿真方法。 2)加深理解各种运算放大电路的工作原理。 3)掌握由集成运放构成的各种运算放大电路的分析方法。 2.实验原理及内容 (1)集成运放检测电路的仿真 连接集成运放检测电路，如图3-16所示，运行仿真电路，按空格键可使集成运放的同相输入端接地或接入7.5V，若电压表分别测得值为0V或7.5V，则说明该器件是好的。,3.3 相关的基本技能,(2)反相比例运算电路 连接反相比例运算电路，如图3-17所示，反相输入端输入直流电压为2V，电压表为直流电压表，运行仿真电路，电压表显示为-3.997V。,图3-16 集成运放检测电路,3.3 相关的基本技能,图3-17 反相比例运算电路,3.3 相关的基本技能,(3)同相比例运算电路 连接同相比例运算电路，如图3-19所示，同相输入端输入直流电压为2V，电压表为直流电压表，运行仿真电路，电压表显示为6.003V。,图3-18 反相器电路,3.3 相关的基本技能,图3-19 同相比例运算电路,3.3 相关的基本技能,图3-20 电压跟随器,3.3 相关的基本技能,(4)反相加法运算电路 连接反相加法运算电路，如图3-21所示，两个反相输入端输入直流电压都为2V，电压表为直流电压表， 运行仿真电路，电压表显示为-7.995V。 (5)同相加法运算电路 连接同相加法运算电路，如图3-22所示，两个同相输入端输入直流电压都为2V，电压表为直流电压表，运行仿真电路，电压表显示为4.003V。,图3-21 反相加法运算电路,3.3 相关的基本技能,图3-22 同相加法运算电路,3.3 相关的基本技能,(6)减法运算电路 连接减法运算电路，如图3-23所示，同相输入端输入直流电压为2V，反相端输入电压为4V，电压表为直流电压表，运行仿真电路，电压表显示为。,图3-23 减法运算电路,3.3 相关的基本技能,图3-24 积分运算电路,(7)积分运算电路,3.3 相关的基本技能,图3-25 积分电路中示波器的显示波形,本 章 小 结,1)差动放大电路是集成运算放大器的重要组成部分。 2)集成运放由输入级、中间级和输出级构成。 3)常见的理想集成运放组成的运算电路有：反相比例运算电路、同相比例运算电路、加减法电路、积分微分电路等。,