模拟电子产品模拟电子产品装配与调试装配与调试第第5章章 集成运放集成运放 集成运算电路输入级输入级 中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路集成运算放大器简介集成运算放大器简介一、集成运算放大器的组成一、集成运算放大器的组成一、集成运算放大器的组成一、集成运算放大器的组成通常由差动放大通常由差动放大电路构成，目的电路构成，目的是为了减小放大是为了减小放大电路的零点漂移、电路的零点漂移、提高输入阻抗。提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。获得较高的电压放大倍数。通常由互补对称通常由互补对称电路构成，目的电路构成，目的是为了减小输出是为了减小输出电阻，提高电路电阻，提高电路的带负载能力。的带负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作用是为一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。流，决定各级的静态工作点。 集成运算电集成运算电路路 集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标标标标“+”“+”“+”“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端的输入端称为同相输入端，输入信号由此端的输入端称为同相输入端，输入信号由此端的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标输入时，输出信号与输入信号相位相同；标输入时，输出信号与输入信号相位相同；标输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“”的的的的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。出信号与输入信号相位相反。出信号与输入信号相位相反。出信号与输入信号相位相反。 A +同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端uouu+ 集成运算电集成运算电路路二、芯片的封装方式二、芯片的封装方式 集成运算电集成运算电路路三、集成运放的主要参数三、集成运放的主要参数1.1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aud ：指集成运放本身（无：指集成运放本身（无外加反馈回路）的差模电压放大倍数。它体现了集外加反馈回路）的差模电压放大倍数。它体现了集成运放的电压放大能力，一般在成运放的电压放大能力，一般在10104 410107 7之间。之间。Aud越大，电路越稳定，运算精度也越高。越大，电路越稳定，运算精度也越高。2.2.开环共模电压放大倍数开环共模电压放大倍数Auc ：它反映集成运放抗温：它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Auc应接应接近于零。近于零。3.3.共模抑制比共模抑制比KCMR ：用来综合衡量集成运放的放大：用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于一能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于一般应大于般应大于80dB80dB。 集成运算电集成运算电路路4. 4. 输入偏置电流输入偏置电流5. 5. 输入失调电流输入失调电流6. 6. 输入失调电压输入失调电压7. 7. 带宽带宽 高增益高增益高输入阻抗高输入阻抗低输出阻抗低输出阻抗理想运放理想运放 集成运算电集成运算电路路集成运放的主要性能指标集成运放的主要性能指标 指标参数指标参数指标参数指标参数 CF741 CF741典型值典型值典型值典型值 理想值理想值理想值理想值l开环差模增益开环差模增益 Aod 106dB l差模输入电阻差模输入电阻 rid 2M l共模抑制比共模抑制比 KCMR 90dB l输入失调电压输入失调电压 UIO 1mV 0lUIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几V/ 0l输入失调电流输入失调电流 IIO ( IB1- IB2 ) 20nA 0lUIO的温漂的温漂d UIO/dT() 几几nA/ 0 l最大共模输入电压最大共模输入电压 UIcmax 13Vl最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax 30Vl-3dB带宽带宽 fH 10Hz 20lgAod使使uO为为0在输入端所加的补偿电压在输入端所加的补偿电压超过此值不能正常放大超过此值不能正常放大差模信号差模信号超过此值输入级放大管击穿超过此值输入级放大管击穿 集成运算电集成运算电路路四、四、集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型集成运放的理想化参数：集成运放的理想化参数：集成运放的理想化参数：集成运放的理想化参数： A Audud=、 r ri id d=、 r ro o=0 =0 、K KCMRCMR=、等、等、等、等非线性区（饱和区）非线性区（饱和区）非线性区（饱和区）非线性区（饱和区）非线性区分析依据：非线性区分析依据：当当i0，即，即时，时，oOM当当i0，即，即时，时，oOM 集成运算电集成运算电路路线性区（放大区）线性区（放大区）线性区（放大区）线性区（放大区） 集成运算电集成运算电路路线性区分析依据：线性区分析依据：（1 1）虚虚断断。由由R Ri id d=，得得i ii i0 0，即即理理想想运运放放两两个个输输入入端端的输入电流为零。的输入电流为零。（2 2）虚虚短短。由由A Adodo=，得得u uu u，即即理理想想运运放放两两个个输输入入端端的的电电位位相相等等。若若信信号号从从反反相相输输入入端端输输入入，而而同同相相输输入入端端接接地地，则则u uu u=0=0，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。，即反相输入端的电位为地电位，通常称为虚地。uo = Aud (u+ u)= Aud uidu+ u = uo/Aud 0i+ = uid / Rid 0同理同理 i 0 集成运算电集成运算电路路运放工作在线性区的分析依据运放工作在线性区的分析依据相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故称相当于两输入端之间短路，但又未真正短路，故称 “虚短虚短” 。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称 “虚断虚断”。2. iP iN 0 1. uP uN输入电阻输入电阻i+所以所以uouP+uNRid， uo 是有限值是有限值， 集成运算电集成运算电路路1、加上、加上负反馈负反馈工作在工作在线性区线性区2、开环开环或加上或加上正反馈正反馈工作在工作在非线性区非线性区理想运放的理想运放的两个工作区两个工作区(2)电信号处理电路电信号处理电路：有源滤波、整流。：有源滤波、整流。(2)整形电路整形电路：比较器：比较器(1)电信号运算电路电信号运算电路：比例、加法、减法、微分、积比例、加法、减法、微分、积分分、对数、反对数、乘法、除法等、对数、反对数、乘法、除法等(1)电信号产生电路电信号产生电路：正弦波、非正弦波：正弦波、非正弦波 集成运算电集成运算电路路1.反相比例运算电路反相比例运算电路闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数平衡电阻平衡电阻若若则则ifR1R2uoRFiiui+反相器反相器重点重点 集成运算电集成运算电路路由运放工作在线性区的依据可得由运放工作在线性区的依据可得:ifR1R2uoRFiiui+Ri特点：特点：1.为深度电压并联负反馈，为深度电压并联负反馈，Auf = Rf / R 12. 输入电阻较小输入电阻较小Ri = R1 集成运算电集成运算电路路应用：电流应用：电流-电压变换器（电压变换器（ I/U ）输出端的负载电流输出端的负载电流iS 集成运算电集成运算电路路2.同相比例运算电路同相比例运算电路闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数ifR1R2uoRFiiui+重点重点 集成运算电集成运算电路路ifR1R2uoRFiiui+1. 为深度为深度电压并联负反馈电压并联负反馈Auf = 1 + Rf /R12. 输入电阻大输入电阻大R if = 由运放工作在线性区的依据得由运放工作在线性区的依据得 集成运算电集成运算电路路特性：特性：1. 电压并联负反馈；电压并联负反馈；2. Ri大，大，Ro小；小；3. Au=1。电压跟随器电压跟随器若若则则或或ifR1R2uoRFiiui+讨论：与射极讨论：与射极输出器的比较？输出器的比较？ 集成运算电集成运算电路路u+ = u- = usio = i1 = us / R11. 输出电流与负载大小无关输出电流与负载大小无关2. 恒压源转换成为恒流源恒压源转换成为恒流源特点：特点：电压电压电流转换器电流转换器 集成运算电集成运算电路路平衡电阻平衡电阻u uo oi if fR R1212R R2 2R RF Fi ii2i2u ui2i2+ +R R1111i ii1i1u ui1i1+ + +3.3.反相加法电路反相加法电路若若 R Rf f = = R R1111= = R R2222 则则 u uO O = = ( (u ui1i1+ + u ui2i2) ) 集成运算电集成运算电路路R R2 2 / / R R3 3 / / R R4 4 = = R R1 1/ / R Rf f若若 R R2 2 = = R R3 3 = = R R4 4 ，则则 u uO O = = u uI1I1+ + u uI2I2 R Rf f = 2= 2R R1 1 4. 4. 同相加法运算同相加法运算平衡电阻平衡电阻 集成运算电集成运算电路路两个输入端都有信号输入两个输入端都有信号输入因为因为i if fR R1 1R R2 2u uo oR RF Fi ii iu ui1i1+ +R R3 3+ +u ui2i2+ + + +平衡电阻平衡电阻5. 5. 减法运算电路减法运算电路 集成运算电集成运算电路路减法运算实际是差分电路减法运算实际是差分电路i if fR R1 1R R2 2u uo oR RF Fi ii iu ui1i1+ +R R3 3+ +u ui2i2+ + + +减法运算电路减法运算电路一般一般R R1 1 = = R R2 2 ； R RF F = = R R3 3u uo o = = R RF F / /R R1 1( ( u ui2 i2 u ui1i1 ) ) 集成运算电集成运算电路路仪表用放大器：仪表用放大器：l输入信号一般比较小，需要较大的输入阻抗。输入信号一般比较小，需要较大的输入阻抗。l信号放大倍数较大，最好是可调。信号放大倍数较大，最好是可调。l抗干扰性能好，也就是有较大的抗干扰性能好，也就是有较大的K KCMRCMR 。 集成运算电集成运算电路路仪表用放大器：三运算放大器仪表用放大器：三运算放大器R1+ +- -+ + + +- -ui1R2ui2uo1uo2R2uoR4+ + + +R4R3R3 集成运算电集成运算电路路R1+ +- -+ + + +- -ui1R2ui2uo1uo2R2仪表用放大器：第一级仪表用放大器：第一级ui2uR1ui1 集成运算电集成运算电路路仪表用放大器：第二级仪表用放大器：第二级uoR4+ + + +R4R3R3uo1uo2 集成运算电集成运算电路路仪表用放大器：三运算放大器仪表用放大器：三运算放大器R1+ +- -+ + + +- -ui1R2ui2uo1uo2R2uoR4+ + + +R4R3R3若若R1可以可以调节，则调节，则能够改变能够改变放大倍数。放大倍数。 集成运算电集成运算电路路 集成运算电集成运算电路路 集成运算电集成运算电路路 集成运算电集成运算电路路实验说明：预习实验说明：预习1、2、4 选作选作3、5Ui0.5V，f1000HzUi（V）U0（V）ui波形波形uO波形波形AV实测值计算算值 集成运算电集成运算电路路步骤步骤4（减法）：输入信号为直流电压信号。（减法）：输入信号为直流电压信号。Ui1(V)0.10.20.512Ui2(V)0.20.10.31.50.5UO(V) 集成运算电集成运算电路路1 1、积分运算、积分运算当当 u ui i = = U UI I 时，时，设设 u uC C(0) = 0(0) = 0 时间常数时间常数 = = R R1 1C Cf f积分电路输出电压：积分电路输出电压：t tu uI IO Ot tu uO OO O积分运算电路积分运算电路 集成运算电集成运算电路路积分电路应用积分电路应用延迟延迟方波方波 三角波三角波移相移相90（超前）（超前） 集成运算电集成运算电路路R R2 2 = = R Rf f虚地虚地虚断虚断R Rf fC C1 1 = = 时间常数时间常数微分电路输出电压微分电路输出电压u uI It tO Ou uO Ot tO O微分运算电路微分运算电路 集成运算电集成运算电路路知识补充：复数及其运算知识补充：复数及其运算1.复数复数A表示形式：表示形式：AbReIma0AbReIma0y y|A| 集成运算电集成运算电路路+j , j , - -1 都可以看成旋转因子。都可以看成旋转因子。ReIm03. 旋转因子旋转因子复数复数 ejy y = cos y y + jsin y y = 1y y A逆时针旋转一个角度逆时针旋转一个角度y y ，模不变。，模不变。2. 复数运算复数运算A1A2=(a1a2)+j(b1b2)(1)加减运算加减运算直角坐标直角坐标(2) 乘除运算乘除运算极坐标极坐标Aejy y 集成运算电集成运算电路路正弦量的相量表示正弦量的相量表示:相量的模表示正弦量的有效值相量的模表示正弦量的有效值相量的幅角表示正弦量的初相位相量的幅角表示正弦量的初相位已知已知例例试用相量表示试用相量表示 i, u 。解解：一、正弦量的相量表示一、正弦量的相量表示 集成运算电集成运算电路路正弦量的相量表示：正弦量的相量表示：y y iy y u 集成运算电集成运算电路路这实际上是一种变换思想，由时域变换到频域这实际上是一种变换思想，由时域变换到频域时域时域：在变量是时间函数条件下研究网络，以时间为自在变量是时间函数条件下研究网络，以时间为自变量分析电路。变量分析电路。频域频域：在变量经过适当变换的条件下研究网络，以频率为在变量经过适当变换的条件下研究网络，以频率为自变量分析电路。自变量分析电路。向量法向量法：将正弦时间函数将正弦时间函数 “变换变换” 为相量后再进行分析为相量后再进行分析, 属于频域分析。属于频域分析。i1 i2 = i3时域时域频域频域 集成运算电集成运算电路路 正弦量的微分，积分运算：正弦量的微分，积分运算： 集成运算电集成运算电路路uo超前超前ui 90 微分微分 集成运算电集成运算电路路 输入信号中包含很多频率输入信号中包含很多频率 f 的信号，的信号， 没用没用的我们称之为的我们称之为噪声噪声，我们只想放大有用的成分，我们只想放大有用的成分，怎么办？怎么办？带宽带宽BW = f H - f L引引 言言Aum0.707AumfOAufLfH上上限截止频率限截止频率下限截止频率下限截止频率 集成运算电集成运算电路路滤波电路滤波电路 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。理想滤波器的频率特性理想滤波器的频率特性ffff通通通通通通 阻阻 通通阻阻 通通 阻阻阻阻阻阻1、什么是滤波电路？、什么是滤波电路？2、理想滤波电路可分为哪几种？、理想滤波电路可分为哪几种？ 集成运算电集成运算电路路一一、RC RC 低通电路的频率特性低通电路的频率特性5.2.1 5.2.1 简单简单 RC RC 低通和高通电路的频率特性低通和高通电路的频率特性1. 1. 频率特性的描述频率特性的描述R RC C令令 1/1/RC RC = H H则则 f fH H = 1/21/2 RCRC 集成运算电集成运算电路路滞后滞后fO|Au |10.707O45 90 fHf幅频特性幅频特性相频特性相频特性 集成运算电集成运算电路路2. 频率特性的频率特性的波特图波特图f / fH020lg|Au |/dB20045 90 fH400.1 1 10 1000.1 1 10f / fH频率特性频率特性波特图波特图90 f0|Au |10.707045 fHf 3 dB最大误差最大误差 20 dB/十倍频十倍频 45 /十倍频十倍频特点：特点：1. 带负载能力差；带负载能力差； 2. 没有放大；没有放大； 3. 过渡带不够陡峭。过渡带不够陡峭。 集成运算电集成运算电路路二二、RC 高通电路的频率特性高通电路的频率特性令令 1/RC = L则则 fL = 1/2 RC超前超前f 10 fL20lg|Au| = 0 dBf = fL20lg|Au| = 20lg0.7071 = - -3 dBf 0.1 fL20lg|Au| = - -20lg f / fHRC 集成运算电集成运算电路路例：例： 求已知一阶低通电路的上限截止频率。求已知一阶低通电路的上限截止频率。0.01 F1k 1k 1/1k 0.01 F例：例： 已知一阶高通电路的已知一阶高通电路的 fL = 300 Hz，求电容，求电容 C。500 C2k 戴维宁定理等效戴维宁定理等效 集成运算电集成运算电路路分类：分类：按处理按处理方法分方法分硬件滤波硬件滤波软件滤波软件滤波按所处理按所处理信号分信号分模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器按构成按构成器件分器件分无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器按频率按频率特性分特性分低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性理想滤波器的频率特性ffff通通通通通通 阻阻 通通阻阻 通通 阻阻阻阻阻阻低通低通高通高通带通带通带阻带阻 按传递按传递函数分函数分一阶滤波器一阶滤波器二阶滤波器二阶滤波器N 阶滤波器阶滤波器: :5.4有源滤波有源滤波电路电路 集成运算电集成运算电路路5.4.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路 (LPFLow Pass Filter) 通频带放大倍数通频带放大倍数一、一阶一、一阶 LPF（同相比例同相比例）Rf8CR1R其中，其中， Auf = 1 + Rf /R1fH = 1/2 RC 上限截止频率上限截止频率 集成运算电集成运算电路路fH幅频特性幅频特性f0- -3- -20 dB /十倍频十倍频特点：特点：1. 与一阶无源低通类似；与一阶无源低通类似； 2. =0时，有放大；时，有放大； 3. 运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。 集成运算电集成运算电路路二、二阶二、二阶 LPF8CR1RfRCRQ = 1 / (3 - - Auf)Q 等效品质因数等效品质因数- -40f / fn0- -3- -10- -2010- -30Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51正反馈提升了正反馈提升了 f n 附近的附近的 Au。Auf = 3 时时 Q 电路产生电路产生自激自激振荡振荡40 dB/十倍频十倍频特征频率：特征频率：当当 Q = 0.707 时，时，fn = fH。 集成运算电集成运算电路路5.3.2 有源高通滤波有源高通滤波电路电路( (HPFHigh Pass Filter) )8CR1RfRCR通带增益：通带增益： Auf = 1 + Rf / R1Q = 1/(3 - - Auf)f / fn0- -3- -10- -2010- -30- -40Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51Auf = 3 时，时，Q ，电路产生电路产生自激自激振荡振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf fL8CR1RfRC1R3R2LPFBPF要求要求 R3 C1 RC中心频率：中心频率：等效品质因素：等效品质因素： Q = 1/(3 - - Auf)通频带：通频带：BW = f0 /Q最大电压增益：最大电压增益： Au0 = Auf /(3 - - Auf)= 2R= C= R低通低通高通高通 集成运算电集成运算电路路5.3.4 有源带阻滤波器有源带阻滤波器 集成运算电集成运算电路路有源带阻滤波电路LPFLPF、HPFHPF 集成运算电路心电信号放大中的带通电路 集成运算电路5.5.2 TD2040 集成功放及其应用集成功放及其应用 特点：特点： 输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护参数：参数： 直流电源：直流电源： 2.5 20 V开环增益：开环增益：80 dB功率带宽：功率带宽：100 kHz输入阻抗：输入阻抗：50 k 输出功率：输出功率：22 W ( (RL = 4 ) )双电源双电源( (OTL) )应用应用电源滤波电源滤波频率补偿频率补偿防自激等防自激等输出功率可输出功率可大于大于 15 W交流电交流电压串联压串联负反馈负反馈R1C2220 k 680 22 FR3R2ui12435C1C7C3C4C5C61 F22 k 220 F220 F0.1 F4 5 +VCC( (16 V) )20400.01 F0.1 F- -VEE(- -16 V)R4大电容滤除低频成分大电容滤除低频成分小电容滤除高频成分小电容滤除高频成分 集成运算电集成运算电路路单电源单电源( (OTL) )应用：应用：交流电压串联交流电压串联负反馈负反馈使使 U1 = 0.5VCCC2680 22 FR4ui435C1C6C3C4C5C71 F22 k 2.2 F220 F0.1 F4 5 +VCC( (16 V) )0.01 FR6R522 k 22 k 22 k R2R321R1204035430 dB 集成运算电集成运算电路路