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1、第4讲 集成运算放大器及其应用,4.1 集成运放的总体结构,集成运放的基本组成部分,1、集成运算放大器的组成,输入级,低漂移，高共模抑制比，高输入阻抗及低偏置 电流。一般采用差分放大电路。,电压放大级,又称中间级，完成电压放大。为了提高电压放大 倍数， 经常采用复合管做放大管， 用恒流源做有源 负载。,输出级,有一定的带负载能力（即输出电阻小）和一定的 输出电压及电流动态范围。因此输出级多采用射极输 出器、 互补对称电路。,偏置电路,设置集成运放各级放大电路的静态工作点，一 般采用镜像电流源。,2、集成运算放大器符号,国内符号：,国际符号：,“反相”是指输出电压与输入电压相位相反； “同相”
2、是指输出电压与输入电压相位相同。,3、通用型集成运放F007,分析：,偏置电路,T12、R5和T11构成了主偏置电路，产生基准电流：,其他偏置电流都与基准电流有关。 T10、T11和R4组成微电流源，通过T8和T9组成的镜象电流源为差动输入级提供偏置电流。 T12和T13管构成多支路电流源。T13管是多集电极三极管，其集电极电流和的大小比例为3:1。B路作为中间级的有源负载。A路为输出级提供偏置。,输入级,其中T1和T2管作为射极输出器，输入电阻高。T3 和T4管是横向PNP管，发射结反向击穿电压高，可使输入差模信号达到30V以上。,T5 、T6 、T7 和R1 、R2 、R3组成具有基极补偿
3、作用的镜象电流源，作为差动输入级的有源负载，可以提高输入级的增益。它们同时还有单端输出转换为双端增益的功能。,T1 、T2和 T3 、T4管组成共集一共基复合差动输入电路,中间级,T16和T17是复合管组成的共射放大电路，T13B作这一级的集电级有源负载。,T14和T20管组成互补对称输出级，T18、T19和 R8为其提供静态偏置以克服交越失真。 T15和 R9保护T14管，使其在正向电流过大时不致烧坏。 T21、T23、T22管和 R10保护 T20管在负向电流过大时不致烧坏。,输出级,相位分析,用“瞬时极性法”判定，3号腿为同相端；2号腿为反相端。,4、集成运算放大器的主要参数,(1) 开
4、环差模增益Aod,用分贝（dB）表示， 其分贝数为 。,(2) 差模输入电阻,输入差模信号时，集成运放的输入电阻。,(3) 共模抑制比,差模电压增益 与共模电压增益 之比，,(4) 输入失调电压,输入电压为零时，将输出电压除以电压增益， 即为折算到输入端的失调电压。,(5) 输入失调电压温漂,(6) 输入失调电流,在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，,(7) 输入失调电流的温漂,(8) 输入偏置电流,输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平 均值,(9) 最大差模输入电压,运放两输入端能承受的最大差模输入电压。,(10) 最大共模输入电压,(11) 带宽 和单位增益带宽,是 在高频
5、段下降 时的带宽。 是 下 降到零分贝时的信号频率。,(12) 转换速率SR (压摆率),反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。,5、特殊集成运算放大器,差模输入电阻往往大于 ，输入偏置电流通 常为pA数量级。,如 5G28、LF356、AD515、LF0052等。,高输入阻抗型,高精度、低漂移型,一般要求,如 LH0044、AD707、OP-77、OPA177、ICL7650、AD508、OP-27等。,高速型,转换速率SR大于几十伏微秒，单位增益带宽BW 10MHZ。如 uA715、LH002、AD845、AD9618、SL541等。,低功耗型,功耗为微瓦数量级。电流几十微安，电源电压
6、 在几伏以下。如 CA3078、uPC253、ICL7641等。,大功率型,电源电压为正负几十伏，输出电流几十安培， 输出功率为几十瓦左右。 如 LH0021、MCEL165、 HA2645、LM143、ICH8515等。,6、理想运算放大器,技术指标,输入失调电压、输入失调电流以及它们的温漂为零；输入偏置电流为零等。,开环差模增益 ；,差模输入电阻 ；,共模抑制比 ；,输出电阻 ；,-3dB带宽 ；,线性工作区的特点,非线性工作区的特点,非线性工作区有两个重要特点：,（1）输出电压uo的值只有两种可能：,当u+u-时，uo=UoH；当u+u-时，uo=UoL,4.2 集成运放的基本应用,1、
7、比例运算电路,反相比例运算电路,反相比例运算电路,根据理想运放工作在线性区的特点：,由 ，可知 ，所以,又 ， 故,输出电阻,深度电压反馈，且,特点：,电压放大倍数为,共模输入电压等于零，即 ；输入电阻小， ；常用于信号的相位倒相或极性转换电路。,同相比例运算电路,同相比例运算电路,由“虚短”和“虚断”的概念知，,而“虚断”的特点有， ，因此,电路中引入了深度电压串联负反馈，则,若 （短路）， （开路），则电路图如下,构成了电压跟随器，其,跟随特性比射极输出器好。,电压跟随器,2、加法电路,反相加法器,反相加法器,实际应用：伴音电路,混合前置放大器,同相加法器,其中，,输出电压uo与输入电压之
8、和成正比例，可完成同相加法功能。,同相加法器,减法电路,减法器,为保证运放的两个输入端对地的电阻平衡， 并消除共模信号，通常要求两输入端电阻严格 匹配，即满足,则输出电压为,当 时，有,电路特点：,电路结构简单；,存在两个缺点：, 对于每个信号源来说，输入电阻较小；, 电阻的选取和调整不方便；,高输入阻抗的减法器,推导得,当 时，则,对每个信号源，输入阻抗近似为同相输入端对地 的共模输入电阻，即,全加器,全加器电路如图所示，若,则根据运放的特性可以得到:,全加器,3、积分电路,基本积分器,波形变换电路,功能：波形变换,两种常用积分波形变换,同相输入积分电路,4、微分电路,微分器,波形变换电路,
9、功能：波形变换,5、恒流源电路,根据运放的工作特点知:,当参考电源 为恒定值时， 不随 而变化， 常用于光电转换电路。,恒流源电路,6、窗口比较器,窗口比较器是由两个比较器组成，通过设定窗 口电压的值，判断输入电压是否介于窗口内。,电压比较器,电压比较器,时， ； 时，,电压比较器的电压传输特性,窗口比较器,窗口比较器,窗口比较器的电压传输特性,当 时， ；,当 时， ；,当 时， ；,7、迟滞比较器,运放构成的双稳态触发器及其传输特性,电路结构,传输特性,迟滞比较器又称施密特触发器， 图中R1、R2构 成正反馈网络，输出只有两个状态：UOH和UOL。,(1) 设 ，则经R1、R2分压后，反馈
10、电压,称为上门限电压;,当 时，输出端就始终保持在高电平 状态；,当 时，输出端由高电平 跳变到低电平 ;,(2) 设 ，则经R1、R2分压后，反馈电压,称为下门限电压;,当 时，输出端就始终保持在低电平 状态；,当 时，输出端由低电平 跳变到高电平 ;,图(b)示电路的传输特性曲线。,常将上门限电压 与下门限电压 之差称为回差 。,单门限电压比较器抗干扰模型,迟滞比较器抗干扰模型,作 业,1、已知直流电压Vi1= - 0.2伏，Vi2= - 0.4伏，设计一个 求解二元一次方程组的运算电路：,2、第4版教材P74：4.4.4题 （写出分析过程，重点解释“精密”二字）,8、非正弦波发生器,(a
11、) 方波、 (b) 矩形波、 (c) 三角波、 (d) 锯齿波波形示意图,方波发生器,电路组成与工作原理,方波产生电路,(a) 电路结构,(b) 波形变换,电路结构：反相型施密特触发器和RC支路；,工作原理,由施密特触发器可知，本例中其上、下门限电压为,输出电压 时，电容C开始充电。当 时，输出电压发生跃变，即,输出电压 时，电容C开始放电。当 时，输出电压发生跃变，即,电容C又开始充电过程，这样周而复始形成自激振荡， 输出方波。,主要参数,方波的周期T：,如果 ，则方波的周期T为,放电时间：,充电时间：,矩形波发生器,电路组成与工作原理,图2.48 矩形波产生电路,(a) 电路结构,(b)
12、波形变换,电路结构：二极管VD1和VD2隔离了RC充放电回路；,工作原理,电容C的充电回路：二极管 、电阻 、 、,主要参数,方波的周期T：,电容C的放电回路：二极管 、电阻 、 电容 ；,充电时间：,放电时间：,如果 ，则占空系数为,三角波与锯齿波发生器,图2.49 三角波与锯齿波,(a) 三角波,(b) 锯齿波,，锯齿波：,基本原理：用恒定的电流给电容器充电或放电。,基本的电路结构,图2.50 恒定电流充放电构成三角波发生器,三角波：,三角波发生器,图2.51 三角波发生器及其波形,A1：同相型施密特触发器，输出电压 ；,A2：构成反相积分器，输出电压 为三角波；,A1和A2构成闭环正反馈
13、电路，产生自激振荡。,同相型施密特触发器A1的上、下门限电压分别为,工作原理：,，,UD和UZ分别为稳压管的正向导通电压与反向击穿电压。,根据施密特触发器的特性知,当 时， 就会突跳到高电平 ；,当 时， 就会突跳到低电平 ；,主要参数：,三角波的峰-峰值,三角波的周期,为低电位时的时间T1:,为高电位时的时间T2:,a： 的分压系数；,结论：,锯齿波发生器,电路结构,图2.52 锯齿波发生器及其波形,三角波与锯齿波比较：占空比不同；,电路特点：积分器的充放电回路不同，改变充放电,时间常数，可调节占空比；,工作原理,主要参数,锯齿波的周期T：,锯齿波发生器的积分时间分别为,占空系数q为,结论：
14、,改变电位器的分压系数a或积分电容C，可以调节振 荡周期T；,改变比值 可调节占空系数q，但同时也会影响 振荡周期T。,9、正弦波发生器,电路框图,图2.53 正弦波发生器电路框图,：正反馈和选频；,：起振和幅度放大；,文氏桥正弦波发生器,图2.54 文氏桥正弦波发生器,电路结构,放大电路： 构成主通道放大器；,工作原理,选频网络,放大电路,根据自激振荡的条件，则要求,由相位条件求出振荡频率为,由幅度条件求出两个通道各元件之间的关系为,通常选取 ， 则其频率为,而 。,注意事项,起振：要求 ，即 ；,稳幅措施：热敏电阻稳幅、场效应管稳幅等；,2.3 集成功率放大器及应用,1、LM386集成功率
15、放大器,LM386的特点,LM386的典型应用,方案1：最小增益功率放大器,图2.55 方案1应用电路,：退耦电容；,：交流输出耦合电容；,R1-C3网络：消除高频自激振荡；,：调节输入信号并连接至LM386的同相端；,方案2：最大增益功率放大器,图2.56 方案2应用电路,方案3：增益可调的功率放大器,图2.57 方案3应用电路,若接入电阻 ，则,2、高功率集成功率放大器 TDA2006,图2.58 TDA2006引脚图,TDA2006的性能,5脚单边双列直插式封装；,供电电压： 6 15V,输入阻抗为5M，频带宽度140kHz；,负载时输出功率为12W；,负载时输出功率为8W；,电压增益：开环达75dB，闭环达30dB；,TDA2006的典型应用,方案1：双电源供电,图2.59 方案1应用电路,：输入耦合电容；,R1、R2、C2构成负反馈网络，闭环电压增益为：,R4和C5组成校正网络，用来改善音响效果。,二极管：保护电路，防止电源极性接反和冲击；,图2.60 方案2应用电路,方案2：单电源供电,：输入耦合电容；,：输出耦合电容；,R1、R2、C2构成负反馈网络，闭环电压增益为：,R6和C6组成校正网络，用来改善音响效果。,