電工學(xué)》第5章運(yùn)算放大器(簡)ppt課件

1、第第5 5章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 集成運(yùn)放本質(zhì)上是一種雙端輸入、單端輸出的集成運(yùn)放本質(zhì)上是一種雙端輸入、單端輸出的具有高電壓放大倍數(shù)，高輸入阻抗、低輸出阻抗的具有高電壓放大倍數(shù)，高輸入阻抗、低輸出阻抗的多級直接耦合放大器。它主要用來實(shí)現(xiàn)模擬信號的多級直接耦合放大器。它主要用來實(shí)現(xiàn)模擬信號的運(yùn)算及處置，在模擬電子線路中得到了廣泛的運(yùn)用。運(yùn)算及處置，在模擬電子線路中得到了廣泛的運(yùn)用。 LM741 1 2 3 48 7 6 5 7417614325822反相輸入端反相輸入端66輸出端輸出端33同相輸入端同相輸入端44正電源端正電源端77負(fù)電源端負(fù)電源端88閑置端閑置端NCNC1 1、55

2、接調(diào)零電位器接調(diào)零電位器運(yùn)放舉例：運(yùn)放舉例：LM741LM741集集 成成 度度 分分 類：類：SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI5.1 5.1 概述概述集成運(yùn)放器的內(nèi)部電路構(gòu)成集成運(yùn)放器的內(nèi)部電路構(gòu)成 集成運(yùn)算放大器的輸入級都采用差動放大電集成運(yùn)算放大器的輸入級都采用差動放大電路雙端輸出，中間級普通都是共發(fā)射極路雙端輸出，中間級普通都是共發(fā)射極電壓放大電路，輸出級由互補(bǔ)對稱功放電路電壓放大電路，輸出級由互補(bǔ)對稱功放電路和射極輸出器組成。和射極輸出器組成。unA2uA1uAiuou21iouu32iouu輸入級輸入級中間級中間級鼓勵級鼓勵級輸出級輸出級前置級前置級集成運(yùn)

3、算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)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)Auo Auo是決議運(yùn)放電路穩(wěn)定是決議運(yùn)放電路穩(wěn)定性和運(yùn)算精度的重要要素，希性和運(yùn)算精度的重要要素，希望望Auo越大越好。越大越好。dBUUAiouolg20 2. 最大輸出電壓最大輸出電壓UoPP 在一定電源電壓下，集成運(yùn)放輸出電壓和輸入電壓堅(jiān)持不在一定電源電壓下，集成運(yùn)放輸出電壓和輸入電壓堅(jiān)持不失真關(guān)系的最大輸出電壓峰值。其值比電源電壓小。如電源電失真關(guān)系的最大輸出電壓峰值。其值比電源電壓小。如電源電壓為壓為15V，該值約為，該值約為12V左右。左右。3. 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓Uidmax

4、Uidmax是指集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端之間是指集成運(yùn)放的反相輸入端和同相輸入端之間所能接受的最大電壓。所能接受的最大電壓。4. 最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓Uicmax Uicmax是指集成運(yùn)放所能接受的最大共模輸入電壓，超越這個是指集成運(yùn)放所能接受的最大共模輸入電壓，超越這個值，共模抑制比明顯下降，甚至呵斥器件損壞。值，共模抑制比明顯下降，甚至呵斥器件損壞。5. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid rid是指集成運(yùn)放兩個輸入端之間的電阻值。是指集成運(yùn)放兩個輸入端之間的電阻值。rid越大越好，越大越好，它標(biāo)志集成運(yùn)放輸入端向差模信號源索取信號才干的大小。它標(biāo)志集成運(yùn)放輸入端向差模信號

5、源索取信號才干的大小。6. 輸出電阻輸出電阻ro ro是指集成運(yùn)放輸出級的輸出電阻。是指集成運(yùn)放輸出級的輸出電阻。它反響了運(yùn)放帶負(fù)載的才干。它反響了運(yùn)放帶負(fù)載的才干。7. 共模抑制比共模抑制比KCMRR KCMRR是指集成運(yùn)放的開環(huán)差模輸入電壓放大倍數(shù)與共模輸入電是指集成運(yùn)放的開環(huán)差模輸入電壓放大倍數(shù)與共模輸入電壓放大倍數(shù)之比值，用來衡量輸入級各參數(shù)的對稱程度。壓放大倍數(shù)之比值，用來衡量輸入級各參數(shù)的對稱程度。 KCMRR越大，運(yùn)放抑制共模信號的才干就越強(qiáng)。越大，運(yùn)放抑制共模信號的才干就越強(qiáng)。理想集成運(yùn)算放大器理想集成運(yùn)算放大器 理想集成運(yùn)放的電路模型理想集成運(yùn)放的電路模型uuou 理想集成運(yùn)

6、放及其分析根據(jù)理想集成運(yùn)放及其分析根據(jù)uoA :) 1 ( 開環(huán)差模放大倍數(shù)理想集成運(yùn)放的傳輸特性是指輸出電理想集成運(yùn)放的傳輸特性是指輸出電壓與凈輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線。壓與凈輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線。如右圖所示：如右圖所示： 理想集成運(yùn)放的傳輸特性理想集成運(yùn)放的傳輸特性實(shí)踐特性實(shí)踐特性理想特性理想特性 uuou0o(sat)Uo(sat)Uid :)2(r差模輸入電阻CMRR :) 3(K共模抑制比0 :)4(or開環(huán)輸出電阻傳輸特性的特點(diǎn)傳輸特性的特點(diǎn) 傳輸特性可分為線性區(qū)和非線性區(qū)。傳輸特性可分為線性區(qū)和非線性區(qū)。所以，運(yùn)算放大器可任務(wù)在線性區(qū)也可所以，運(yùn)算放大器可任務(wù)在線性區(qū)也可

7、任務(wù)在非線性區(qū)，但是，其分析方法不任務(wù)在非線性區(qū)，但是，其分析方法不一樣。一樣。線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)當(dāng)理想運(yùn)放任務(wù)在線性區(qū)時：當(dāng)理想運(yùn)放任務(wù)在線性區(qū)時： uu1.理想運(yùn)放的兩個輸入端的電位相等理想運(yùn)放的兩個輸入端的電位相等虛短虛短0 uA而)( 0uuAuuo00uoAuuu有限值有限值uuou uuou0o(sat)Uo(sat)U教材教材P207P207例例2.理想運(yùn)放的兩個輸入端的輸入電流為零。理想運(yùn)放的兩個輸入端的輸入電流為零。0ii虛斷虛斷idruuouiiidr當(dāng)理想運(yùn)放任務(wù)在非線性區(qū)時：當(dāng)理想運(yùn)放任務(wù)在非線性區(qū)時：1.理想運(yùn)放的兩個輸入端的輸入電流為零。理

8、想運(yùn)放的兩個輸入端的輸入電流為零。0ii虛斷虛斷2.輸出電壓有兩種取值能夠輸出電壓有兩種取值能夠uuou當(dāng)當(dāng))(satooUuuu )(satooUuuu uu只是兩種形狀的轉(zhuǎn)換點(diǎn)只是兩種形狀的轉(zhuǎn)換點(diǎn)正飽和值正飽和值負(fù)飽和值負(fù)飽和值0 uuouo(sat)Uo(sat)U概述：利用運(yùn)放器的線性任務(wù)區(qū)可實(shí)概述：利用運(yùn)放器的線性任務(wù)區(qū)可實(shí)現(xiàn)輸出、輸入信號之間的線性運(yùn)算關(guān)現(xiàn)輸出、輸入信號之間的線性運(yùn)算關(guān)系：如比例、加減、積分與微分等運(yùn)系：如比例、加減、積分與微分等運(yùn)算，它們都是運(yùn)放器的線性運(yùn)用，且算，它們都是運(yùn)放器的線性運(yùn)用，且都適用于疊加原理。都適用于疊加原理。要保證運(yùn)放器任務(wù)在線性區(qū)，在運(yùn)放器構(gòu)

9、成要保證運(yùn)放器任務(wù)在線性區(qū)，在運(yùn)放器構(gòu)成的各種運(yùn)算電路中，就必需引入深度負(fù)反響，以的各種運(yùn)算電路中，就必需引入深度負(fù)反響，以降低整個放大電路的放大倍數(shù)，從而擴(kuò)展輸入信降低整個放大電路的放大倍數(shù)，從而擴(kuò)展輸入信號的范圍。號的范圍。 5.2 集成運(yùn)放的線性運(yùn)用比例運(yùn)算比例運(yùn)算 反相比例運(yùn)算反相比例運(yùn)算ouiufu2R1RfR1ifi uuii0 由于輸入信號從反相輸入端輸入，所以，由于輸入信號從反相輸入端輸入，所以，稱為反相運(yùn)算電路。稱為反相運(yùn)算電路。Rf Rf 反響電阻反響電阻 R2 R2 平衡電阻用平衡電阻用于消除靜態(tài)基極電流對于消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響輸出電壓的影響 R2= R2=

10、R1Rf R1Rf 運(yùn)放在信號運(yùn)算方面的運(yùn)用運(yùn)放在信號運(yùn)算方面的運(yùn)用001 uuuiiffofofiiRuRuuiRuRuui 1111RRuuAfiouf ifouRRu1 ouiufu2R1RfR1ifi當(dāng)當(dāng)R1= Rf時時1ufAiouu 反響類型反響類型 電壓并聯(lián)負(fù)反響電壓并聯(lián)負(fù)反響反相器與運(yùn)放本身的參與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)，保證了數(shù)無關(guān)，保證了比例運(yùn)算的精度比例運(yùn)算的精度和穩(wěn)定性。和穩(wěn)定性。輸入電阻降低，輸輸入電阻降低，輸出電阻降低。出電阻降低。 同相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算ouiufu2R1RfR1ifiiifuuuuuii 1foifofiiRuuRuuiRuRui1110ifouRR

11、u)1 (1 )1 (1RRuuAfiouf 反響類型反響類型 電壓串聯(lián)負(fù)反響電壓串聯(lián)負(fù)反響輸入電阻增高，輸出電阻降低。輸入電阻增高，輸出電阻降低。duouiufu2R1RfR1ifi)1 (1RRuuAfiouf ouiufu2R1R1ifiouiufu2RfRfi1)1 ( fioufRuuA1)01 (1 RuuAiouf電壓跟隨器電壓跟隨器反相比例加法運(yùn)算反相比例加法運(yùn)算i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路 在反相端輸入假設(shè)干路在反相端輸入假設(shè)干路信號，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電信號，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路路 131211fiiii)(313212

12、111oifififuRRuRRuRRufofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR當(dāng)當(dāng)時，時，fRR 1再假設(shè)再假設(shè)，那，那么么)(3211oiiifuuuRRu)(321oiiiuuuu uuii0減法差動運(yùn)算減法差動運(yùn)算 當(dāng)運(yùn)放的兩個輸入當(dāng)運(yùn)放的兩個輸入端都參與信號時稱為差端都參與信號時稱為差動輸入，如圖。動輸入，如圖。2323iuRRRu 11111RuuRuuiii fofofRuuRuui uRRuRRufifo)1 (1112323111)(1 (ififouRRRRRuRRu fRRRR321)(121iifouuRRu uui

13、i0ou2iufu2R1RfR1ifi1iu3R積分運(yùn)算積分運(yùn)算 假設(shè)將反響電阻換成假設(shè)將反響電阻換成電容，那么比例運(yùn)算電路電容，那么比例運(yùn)算電路就變成了積分電路。如圖：就變成了積分電路。如圖：ouiufu2R1RfC1ificu uuii00u11Ruiiif dtuCRdtiCuuifffco111iu0iUt0out)(0 satU負(fù)號表示輸出與輸入反相負(fù)號表示輸出與輸入反相當(dāng)當(dāng)ui為階躍信號時為階躍信號時tCRUufio1最后到達(dá)負(fù)的飽和值最后到達(dá)負(fù)的飽和值 右圖是在控制和丈量右圖是在控制和丈量系統(tǒng)中常用的比例系統(tǒng)中常用的比例- -積分積分調(diào)理器調(diào)理器PIPI調(diào)理器：調(diào)理器：)1(11

14、odtuCRuRRuiFiFui1uo +-R2CFi1R1PI調(diào)理器調(diào)理器ifucRF 可視為反相比例運(yùn)算和積分運(yùn)算的疊加?？梢暈榉聪啾壤\(yùn)算和積分運(yùn)算的疊加。 與前面學(xué)過的與前面學(xué)過的RCRC積分電路相比，運(yùn)放所構(gòu)成的積分電路相比，運(yùn)放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。這是由于有源積分電路其積分曲線的線性度較好。這是由于充電電流根本恒定。充電電流根本恒定。11fRUiii微分運(yùn)算微分運(yùn)算 微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算，所以，假設(shè)將輸入電阻運(yùn)算，所以，假設(shè)將輸入電阻換成電容，那么比例運(yùn)算電路換成電容，那么比例運(yùn)算電路就變成了微分電路。就變成了微分電路。1Coui

15、ufu2RfR1ifi uuii00 uudtduCiiif11 dtduCRiRuifffo1 當(dāng)當(dāng)ui為階躍信號時，為階躍信號時，uo為尖脈沖電壓為尖脈沖電壓輸出電壓與輸入輸出電壓與輸入電壓的一次微分成正比。電壓的一次微分成正比。iu0iUt0out 以下圖是比例以下圖是比例微分調(diào)理器微分調(diào)理器PDPD調(diào)理器。調(diào)理器。iu0iUt0outPD調(diào)理器uiuo+- -R2C1iciRRFifR1iFiFRFFuRRdtduCRiiRiRu11cfo)(-+-+-+R123-+-+-+2R1u0U2=2V23U1=1V2R2R2R2R2Ru02u01例題分析例題分析例例1 1：理想運(yùn)放構(gòu)成的電路

16、如下圖，求輸出：理想運(yùn)放構(gòu)成的電路如下圖，求輸出u0u0解：解：VUu2201VURRuf2)1 (1102VuuRRuf021)1 (020110例例2 2：理想運(yùn)放構(gòu)成的電路如下圖，求輸出電：理想運(yùn)放構(gòu)成的電路如下圖，求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。壓與輸入電壓的關(guān)系。RRRFRRRCuiR1R1RFRRFRA1 A2u0u01ucic解：解：iFiFFFuRRuuRRuRRRRu101011101R)1 (001uudtduRCucc0010udtduRCuRRuiFdtuRCRRuiF10iFuRRdtduRC10 運(yùn)放器除了能完成信號的運(yùn)算，還能完運(yùn)放器除了能完成信號的運(yùn)算，還能完成信號

17、比較、信號濾波等處置任務(wù)。成信號比較、信號濾波等處置任務(wù)。 電壓比較器電壓比較器 有源濾波器有源濾波器運(yùn)放在信號處置方面的運(yùn)用運(yùn)放在信號處置方面的運(yùn)用5.3 集成運(yùn)放的非線性運(yùn)用電壓比較器電壓比較器ouiuRU)()(0satoosatooUuuuUuuuii0RUouiu)(satoU)(satoU 該電路是對輸入該電路是對輸入電壓電壓ui進(jìn)展比較和鑒進(jìn)展比較和鑒別的電路，是集成運(yùn)別的電路，是集成運(yùn)放非線性運(yùn)用的根本放非線性運(yùn)用的根本電路。集成運(yùn)放任務(wù)電路。集成運(yùn)放任務(wù)在開環(huán)或正反響形狀。在開環(huán)或正反響形狀。任務(wù)原理任務(wù)原理1UR為參考電壓，加在同相輸入為參考電壓，加在同相輸入端。輸入電壓端

18、。輸入電壓ui加在反相輸入端。加在反相輸入端。3其電壓傳輸特性如下圖其電壓傳輸特性如下圖:2當(dāng)當(dāng)uiUR時時,輸出電壓輸出電壓uo=-U(sat。假設(shè)輸入信號是正弦信號假設(shè)輸入信號是正弦信號:RU0iutou)(satoU)(satoU0t0RUouiu)(satoU)(satoU 調(diào)理調(diào)理UR的大小的大小,可以改動輸出波形正負(fù)半周的寬度。假可以改動輸出波形正負(fù)半周的寬度。假設(shè)設(shè)UR=0,那么構(gòu)成過零比較器。那么構(gòu)成過零比較器。)()(0satoosatooUuuuUuuuiiouiuRU過零比較器過零比較器: :0ouiu)(satoU)(satoU傳輸特性傳輸特性0iutou)(satoU

19、)(satoU0t 假設(shè)想限制輸出電壓的大小假設(shè)想限制輸出電壓的大小,可以在可以在輸出端接雙向穩(wěn)壓管。輸出端接雙向穩(wěn)壓管。0ouiuzUzUouiu電路電路ZD 滯回比較器滯回比較器: : 在許多運(yùn)用電路中在許多運(yùn)用電路中,要求電壓比較器的傳輸特性具有滯回特性。要求電壓比較器的傳輸特性具有滯回特性。這樣，在輸入信號為變化緩慢的信號或信號幅值較小時，可以消這樣，在輸入信號為變化緩慢的信號或信號幅值較小時，可以消除干擾對輸出電壓的影響。除干擾對輸出電壓的影響。傳輸特性傳輸特性電路的構(gòu)成電路的構(gòu)成ouiufR1R2R3RfuuZD0ouiuzUzUthLuthHu電路電路特點(diǎn)特點(diǎn) R2和和Rf組成正

20、反響電路，輸出電壓必為高、組成正反響電路，輸出電壓必為高、低兩種電平。同時正反響的引入，也加快了電低兩種電平。同時正反響的引入，也加快了電壓比較器形狀的翻轉(zhuǎn)。壓比較器形狀的翻轉(zhuǎn)。任務(wù)過程分析任務(wù)過程分析0:iuIfZoUu iiuuZoUuiiuuZfthHURRRU22022ZfthLURRRUZoUu0ouiuzUzUthLuthHuouiufR1R2R3RfuuZD 可見：輸出電壓的變化總是滯后于輸入電壓的變化，可見：輸出電壓的變化總是滯后于輸入電壓的變化，所以叫滯回比較器。所以叫滯回比較器。0iutZfURRR 22ZfURRR 22ZUouZU0t有源濾波器有源濾波器 濾波器是一種選

21、頻電路。按選擇頻率范圍的不同，濾波器是一種選頻電路。按選擇頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。 將將RCRC組成的無源濾波器再接到運(yùn)放器的同相輸組成的無源濾波器再接到運(yùn)放器的同相輸入端而構(gòu)成有源濾波器因運(yùn)放器是有源器入端而構(gòu)成有源濾波器因運(yùn)放器是有源器件，其性能會得到較大的改善：體積小、效件，其性能會得到較大的改善：體積小、效率高、頻率特性好等。率高、頻率特性好等。 在此僅引見有源低通濾波和有源高通濾波器在此僅引見有源低通濾波和有源高通濾波器有源低通濾波器有源低通濾波器電路的組成電路的組成ouiufR1RCRCu任務(wù)原理任務(wù)原理RCjUU

22、CjRCjUUiiC 111 URRUfo)1 (10111111jRRRCjRRUUffio RC10 截止角頻率0010111)(jARCjRRUUjTuffi電路的頻率特性電路的頻率特性200)(1| )(|)( ufAjTA0arctan)( 畫出其幅頻、相頻特性為：畫出其幅頻、相頻特性為：0)( | )(| 00ufAjT4-)( 2| )(| 000ufAjT2-)( 0| )(| jT|0ufA|210ufA0000)(42001)(jAjTuf有源高通濾波器有源高通濾波器ouiufR1RCR任務(wù)原理任務(wù)原理RCjUUCjRRUUiiR111 URRUfo)1 (101111111jRRRCjRRUUffio RC1000101111)(jARCjRRUUjTuffi200)(1| )(|)( ufAjTA幅頻特性和相頻特性如下：幅頻特性和相頻特性如下：0arctan)( 畫出其幅頻、相頻特性如下：畫出其幅頻、相頻特性如下：ouiufR1RCR| )(|jT|0ufA|210ufA0000)(24運(yùn)放器中的反響運(yùn)放器中的反響 在集成運(yùn)放的線性運(yùn)算電路中，必需參與深在集成運(yùn)放的線性