集成運算放大電路

1、1 集成運算放大電路集成運算放大電路 1 集成運算放大器集成運算放大器 1.1 集成運算放大器的組成框圖集成運算放大器的組成框圖 1.2 理想集成運算放大器理想集成運算放大器 1.3 集成運算放大器的電壓傳輸特性集成運算放大器的電壓傳輸特性 2 基本運算電路基本運算電路 2.1 反相輸入式比例運算放大電路反相輸入式比例運算放大電路 2.2 同相輸入式放大電路同相輸入式放大電路 2.3 加法、減法運算加法、減法運算 2.4 積分、微分運算積分、微分運算 3 電壓比較器電壓比較器 4 集成運算放大器在應(yīng)用中的實際問題集成運算放大器在應(yīng)用中的實際問題 2 1 集成運算放大器集成運算放大器 1.1 集

2、成運算放大器的組成框圖集成運算放大器的組成框圖 集成運算放大器內(nèi)部實際上是一個高增益的直接耦合放大器，其內(nèi)部組成集成運算放大器內(nèi)部實際上是一個高增益的直接耦合放大器，其內(nèi)部組成 原理框圖如圖原理框圖如圖3.1所示，它由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路等所示，它由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路等4部分組成。部分組成。 圖3.1 集成運算放大器內(nèi)部組成原理框圖 （1）輸入級。要求其輸入電阻高。為了能減小零點漂移和抑制共模干擾信）輸入級。要求其輸入電阻高。為了能減小零點漂移和抑制共模干擾信 號，輸入級都采用具有恒流源的差動放大電路，也稱為差動輸入級。號，輸入級都采用具有恒流源的差動放大電路，也稱為

3、差動輸入級。 （2）中間級。要求中間級本身具有較高的電壓增益。）中間級。要求中間級本身具有較高的電壓增益。 （3）輸出級。主要作用是輸出足夠的電流以滿足負載的需要，同時還需要）輸出級。主要作用是輸出足夠的電流以滿足負載的需要，同時還需要 有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻，以起到將放大級和負載隔離的作用。有較低的輸出電阻和較高的輸入電阻，以起到將放大級和負載隔離的作用。 （4）偏置電路。為各級提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。）偏置電路。為各級提供合適的工作電流，一般由各種恒流源電路組成。 3 2集成運算放大器的符號集成運算放大器的符號 圖3.2 集成運算放大器的符號 限定符號讀解：

4、限定符號讀解： 表示放大（驅(qū)動）能力，表示放大（驅(qū)動）能力， 表示放大倍數(shù)為表示放大倍數(shù)為。 “”表示同相輸入端；表示同相輸入端；“”表示反相輸入端。若反相輸入端接地，表示反相輸入端。若反相輸入端接地， 信號由同相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號的相位相同；若將同相輸入信號由同相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號的相位相同；若將同相輸入 端接地，信號從反相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號相位相反。集成運端接地，信號從反相輸入端輸入，則輸出信號和輸入信號相位相反。集成運 放的引腳除輸入、輸出端外，還有正、負電源端，有的集成運算放大器有調(diào)放的引腳除輸入、輸出端外，還有正、負電源端，有的集成運算放大器

5、有調(diào) 零端，如零端，如A741等。等。 4 1.2 理想集成運算放大器理想集成運算放大器 滿足下列條件的運算放大器稱為理想集成運算放大器。滿足下列條件的運算放大器稱為理想集成運算放大器。 （1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud ； （2）差模輸入電阻）差模輸入電阻 Rid； （3）輸出電阻）輸出電阻 RO0； （4）共模抑制比）共模抑制比； （5）輸入偏置電流）輸入偏置電流0； （6）失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為）失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫漂為0。 利用理想集成運算放大器分析電路時，由于集成運算放大器接近利用理想集成運算放大器分析電路時，由于集成運算放大器接近 于理想運算放大器，所以

6、造成的誤差很小，本章若無特別說明，集成于理想運算放大器，所以造成的誤差很小，本章若無特別說明，集成 運算放大器均按理想運算放大器對待。運算放大器均按理想運算放大器對待。 5 1.3 集成運算放大器的電壓傳輸特性集成運算放大器的電壓傳輸特性 1電壓傳輸特性電壓傳輸特性 實際電路中集成運算放大器的傳輸特性如圖實際電路中集成運算放大器的傳輸特性如圖3.3所示。圖中曲線上升部分的所示。圖中曲線上升部分的 斜率為開環(huán)電壓放大倍數(shù)斜率為開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud，以，以A741為例，其開環(huán)電壓放大倍數(shù)為例，其開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud可達可達105， 最大輸出電壓受到電源電壓的限制，不超過最大輸出電壓受到電源電壓

7、的限制，不超過18V，此時，輸入端的電壓，此時，輸入端的電壓uid =uod/Aud，不超過，不超過0.18mV。也就是說，當(dāng)。也就是說，當(dāng) 在在 00.18mV之間時之間時 ，uod與與 uid呈線性放大關(guān)系，稱為線性工作區(qū)。呈線性放大關(guān)系，稱為線性工作區(qū)。若若 超過超過0.18mV，則集成運算放大器內(nèi)，則集成運算放大器內(nèi) 部的輸出級晶體管進入飽和區(qū)工作，輸出電壓部的輸出級晶體管進入飽和區(qū)工作，輸出電壓uod的值近似等于電源電壓，的值近似等于電源電壓，與與uid不再呈不再呈 線性關(guān)系，故稱為非線性工作區(qū)。線性關(guān)系，故稱為非線性工作區(qū)。 id u id u 圖3.3集成運算放大器的電壓傳輸特性

8、曲線 6 2集成運算放大器的線性應(yīng)用集成運算放大器的線性應(yīng)用 集成運算放大器工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負反饋。當(dāng)集成集成運算放大器工作在線性區(qū)的必要條件是引入深度負反饋。當(dāng)集成 運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出電壓在有限值之間變化，而集成運算放運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出電壓在有限值之間變化，而集成運算放 大器的大器的Aud，則，則uiduod / Aud0，由由 uid u+u ，得 ，得u+u ，此式 ，此式 說明，同相端和反相端電壓幾乎相等，稱為虛假短路，簡稱說明，同相端和反相端電壓幾乎相等，稱為虛假短路，簡稱“虛短虛短”。由。由 集成運算放大器的輸入電阻集成運算放大器的輸入電阻

9、rid，得，得i+i-0。此式說明，流入集成運算。此式說明，流入集成運算 放大器同相端和反相端的電流幾乎為放大器同相端和反相端的電流幾乎為0，稱為虛假斷路，簡稱，稱為虛假斷路，簡稱“虛斷虛斷”。 3集成運算放大器的非線性應(yīng)用集成運算放大器的非線性應(yīng)用 當(dāng)集成運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反饋時，由于集成運算放大器當(dāng)集成運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)或外接正反饋時，由于集成運算放大器 的的Aud很大，只要有微小的電壓信號輸入，集成運算放大器就一定工作在非線很大，只要有微小的電壓信號輸入，集成運算放大器就一定工作在非線 性區(qū)。其特點是：輸出電壓只有兩種狀態(tài)，不是正飽和電壓性區(qū)。其特點是：輸出電壓只有兩

10、種狀態(tài)，不是正飽和電壓Uom，就是負飽，就是負飽 和電壓和電壓Uom。 （1）當(dāng)同相端電壓大于反相端電壓，即）當(dāng)同相端電壓大于反相端電壓，即u u 時， 時，uoUom。 （2）當(dāng)反相端電壓大于同相端電壓，即）當(dāng)反相端電壓大于同相端電壓，即u u 時， 時，uoUom。 7 2 基本運算電路基本運算電路 2.1 反相輸入式比例運算放大電路反相輸入式比例運算放大電路 1. 虛地虛地”的概念的概念 U+ U ， ，Ii+ Ii 0,即流過 即流過R2的電流為的電流為0。U+ 0，則，則U+ U 0說明反相端雖然沒有直接 說明反相端雖然沒有直接 接地，但其電位為地電位，相當(dāng)于接地，是接地，但其電位為

11、地電位，相當(dāng)于接地，是 “虛假接地虛假接地”，簡稱，簡稱“虛地虛地”。 圖3.4 反相輸入式放大電路 2電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) 在圖3.4中，If f o R UU f o R U Ii 1 i R UU 1 i R U 由于由于I Ii0，因此，因此IfIi，即，即 1 i R U f o R U Auf i o U U 1 f R R Auf 1 f R R 為比例系數(shù)為比例系數(shù) 。 8 RfR1時，時，Auf1，即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相，即輸出電壓和輸入電壓的大小相等，相 位相反，此電路稱為反相器。位相反，此電路稱為反相器。 同相輸入端電阻同相輸入端電阻R2用于保持運算放大器

12、的靜態(tài)平衡，要求用于保持運算放大器的靜態(tài)平衡，要求R2R1Rf ， 故故R2稱為平衡電阻。稱為平衡電阻。 3輸入電阻、輸出電阻輸入電阻、輸出電阻 由于反相輸入式放大電路采用的是并聯(lián)負反饋，所以從輸入端看進由于反相輸入式放大電路采用的是并聯(lián)負反饋，所以從輸入端看進 去的電阻很小，近似等于去的電阻很小，近似等于R1。由于該放大電路采用電壓負反饋，所以其。由于該放大電路采用電壓負反饋，所以其 輸出電阻很小，輸出電阻很小，RO0。 9 2.2 同相輸入式放大電路同相輸入式放大電路 圖3.5同相輸入式放大電路 Rf為反饋電阻，為反饋電阻，R2為平衡電阻為平衡電阻(R2R1Rf)。 1虛短的概念虛短的概念

13、 同相輸入式放大電路，同相輸入式放大電路，U 和 和U 相等，相當(dāng) 相等，相當(dāng) 于短路，稱為于短路，稱為“虛短虛短”。由于。由于U Ui，U Uf， 則則U U UiUf。又由于。又由于U U 0，所以， ，所以， 在運算放大器的兩端引入了共模電壓，其大小在運算放大器的兩端引入了共模電壓，其大小 接近于接近于Ui。 2電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) R1和和Rf組成分壓器，反饋電壓：組成分壓器，反饋電壓： UfUo 1f 1 RR R 由于由于UiUf，因此因此 UiUo 1f 1 RR R 得到得到 Uo 1 1f R RR Ui 1 f 1 R R Ui 由上式可得電壓放大倍數(shù)（比例系數(shù)）由上式

14、可得電壓放大倍數(shù)（比例系數(shù)） Auf i o U U 1 1 f R R 10 在圖在圖3.5中，如果把中，如果把Rf短路短路(Rf0)，把，把R1斷開（斷開（R1），則），則Auf1， 即輸入信號即輸入信號Ui和輸出信號和輸出信號Uo大小相等、相位相同。我們把這種電路稱為電大小相等、相位相同。我們把這種電路稱為電 壓跟隨器，如圖壓跟隨器，如圖3.6所示。由集成運算放大器組成的電壓跟隨器比由射極輸所示。由集成運算放大器組成的電壓跟隨器比由射極輸 出器組成的電壓跟隨器性能好，其輸入電阻更高，輸出電阻更小，性能更出器組成的電壓跟隨器性能好，其輸入電阻更高，輸出電阻更小，性能更 穩(wěn)定。穩(wěn)定。 圖3.

15、6 電壓跟隨器 同相輸入式放大電路中輸出電壓與輸入電壓的相位相同，大小成比同相輸入式放大電路中輸出電壓與輸入電壓的相位相同，大小成比 例關(guān)系，比例系數(shù)等于例關(guān)系，比例系數(shù)等于(1Rf /R1)，此值與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān)。，此值與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān)。 3輸入電阻，輸出電阻輸入電阻，輸出電阻 由于采用了深度電壓串聯(lián)負反饋，該電路具有由于采用了深度電壓串聯(lián)負反饋，該電路具有 很高的輸入電阻和很低的輸出電阻很高的輸入電阻和很低的輸出電阻(Rif，Ro0)， 這是同相輸入式放大電路的重要特點。這是同相輸入式放大電路的重要特點。 11 2.3 加法、減法運算加法、減法運算 1. 加法運算加法運

16、算 同相輸入端的平衡電阻同相輸入端的平衡電阻 f321 /RRRR R4 圖3.7 反相加法器 根據(jù)疊加原理可得到：根據(jù)疊加原理可得到： Uo i3 3 f i2 2 f i1 1 f U R R U R R U R R 當(dāng)R1R2R3R時，Uo R Rf (Ui1Ui2Ui3) 當(dāng)當(dāng)RfR時，時，Uo(Ui1Ui2Ui3) 上式中比例系數(shù)為上式中比例系數(shù)為1，實現(xiàn)了加法運算。，實現(xiàn)了加法運算。 12 2. 差動輸入與減法運算差動輸入與減法運算 兩個輸入端都有信號輸入，稱為差動輸入。兩個輸入端都有信號輸入，稱為差動輸入。 電壓放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)： 圖3-9差動減法運算電路 112 R R

17、u u uu u A F id o ii o uf 當(dāng)RF = R1，則得 uo= ui2 ui1 13 2.4 積分、微分運算積分、微分運算 1積分運算積分運算 圖3.10 積分運算電路 在反相輸入式放大電路中，將反饋電阻在反相輸入式放大電路中，將反饋電阻Rf換成電容換成電容C，就成了積分，就成了積分 運算電路。運算電路。 UC tI C d 1 C UoUC I1IfIC 1 i R U Uo tU CR d 1 i 1 14 2微分運算微分運算 微分運算是積分運算的逆運算。將積分運算電路中的電阻、電容互換微分運算是積分運算的逆運算。將積分運算電路中的電阻、電容互換 位置就可以實現(xiàn)微分運算

18、，如圖位置就可以實現(xiàn)微分運算，如圖3.11所示。所示。 圖3.11 微分運算電路 由于由于U+0，Ii0，則，則 ICIf ， IfIC t U C d d C UoIfRfICRf Rf i d d U C t i d d U C t 由此可以看出，輸入信號由此可以看出，輸入信號Ui與輸出信號與輸出信號Uo 有微分關(guān)系，即實現(xiàn)了微分運算。負號表示輸有微分關(guān)系，即實現(xiàn)了微分運算。負號表示輸 出信號與輸入信號反相，出信號與輸入信號反相，RfC為微分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)， 其值越大，微分作用越強。其值越大，微分作用越強。 15 3 電壓比較器電壓比較器 如圖如圖3.12（a）所示電路為簡單的單

19、限電壓比較器。圖中反相輸入端接）所示電路為簡單的單限電壓比較器。圖中反相輸入端接 輸入信號輸入信號Ui，同相輸入端接基準(zhǔn)電壓，同相輸入端接基準(zhǔn)電壓UR。集成運算放大器處于開環(huán)工作狀態(tài)，。集成運算放大器處于開環(huán)工作狀態(tài)， 當(dāng)當(dāng)UiUR時，輸出為高電位時，輸出為高電位Uom，當(dāng)，當(dāng)UiUR時，輸出為低電位時，輸出為低電位Uom，其，其 傳輸特性如圖傳輸特性如圖3.12（b）所示。）所示。 由圖可見，只要輸入電壓相對于基準(zhǔn)電壓由圖可見，只要輸入電壓相對于基準(zhǔn)電壓UR發(fā)生微小的正負變化時，發(fā)生微小的正負變化時， 輸出電壓輸出電壓Uo就在負的最大值到正的最大值之間作相應(yīng)的變化。就在負的最大值到正的最大值

20、之間作相應(yīng)的變化。 圖3.12 簡單的電壓比較器 16 比較器也可以用于波形變換。例如，比較器的輸入電壓比較器也可以用于波形變換。例如，比較器的輸入電壓Ui是正弦波信號，是正弦波信號， 若若UR0，則每過，則每過0一次，輸出狀態(tài)就要翻轉(zhuǎn)一次，如圖一次，輸出狀態(tài)就要翻轉(zhuǎn)一次，如圖3.13（a）所示。對）所示。對 于如圖于如圖3.13所示的簡單的電壓比較器，若所示的簡單的電壓比較器，若UR0，當(dāng)，當(dāng)Ui在正半周時，由于在正半周時，由于Ui 0，則，則UoUom，負半周時，負半周時Ui0，則，則UoUom。若。若UR為一恒壓為一恒壓U，只要輸入，只要輸入 電壓在基準(zhǔn)電壓電壓在基準(zhǔn)電壓UR處稍有正負變

21、化，輸出電壓處稍有正負變化，輸出電壓Uo就在負的最大值到正的最大就在負的最大值到正的最大 值之間作相應(yīng)的變化，如圖值之間作相應(yīng)的變化，如圖3.13（b）所示。）所示。 圖3.13 正弦波變換方波 17 4 集成運算放大器在應(yīng)用中的實際問題集成運算放大器在應(yīng)用中的實際問題 1調(diào)零調(diào)零 實際運算放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電流都不為零，因此，當(dāng)輸入信號實際運算放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電流都不為零，因此，當(dāng)輸入信號 為零時，輸出信號不為零。有些運算放大器沒有調(diào)零端子，需接上調(diào)零為零時，輸出信號不為零。有些運算放大器沒有調(diào)零端子，需接上調(diào)零 電位器電位器RP進行調(diào)零，如圖進行調(diào)零，如圖3.14所示。所示。 圖3.14 輔助調(diào)零措施 18 2. 消除自激消除自激 集成運算放大器內(nèi)部