電子技術-chapter3第3章集成運算放大器及其應用

1、下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 電路結構對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對電路結構對稱，在理想的情況下，兩管的特性及對應電阻元件的參數值都相等。應電阻元件的參數值都相等。差動放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結構。差動放大電路是抑制零點漂移最有效的電路結構。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2兩個輸入、兩個輸入、兩個輸出兩個輸出兩管兩管靜態(tài)工靜態(tài)工作點相同作點相同下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一

2、頁uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0靜態(tài)時，靜態(tài)時，ui1 = ui2 = 0當溫度升高時當溫度升高時ICVC （兩管變化量相等）（兩管變化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信號共模信號 需要抑制需要抑制下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信號差模信號 是有用信號是有用信

3、號下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制系統中是常見的。系統中是常見的。 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+穩(wěn)定靜

4、態(tài)工作點，限制每個管子的漂移。穩(wěn)定靜態(tài)工作點，限制每個管子的漂移。EE：用于補償：用于補償RE上的壓降，以獲得合適的工作點。上的壓降，以獲得合適的工作點。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁（Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK ) (lg20(dB)CdCMR分貝AAK 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數 Ac = 0 輸出電壓輸出電壓 若電路不完全對稱，則若電路不完全對稱，則 Ac 0，實際輸出電壓實際輸出電壓 即共模信號對輸出有影

5、響即共模信號對輸出有影響 。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。一種模擬集成電路。Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 幾十幾十 幾百幾百 KCMR高高: 70dB130dBuo+Auou+u。 。+UCCUEE 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁+UCCUEEuu+輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級同相同相輸入端輸

6、入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端 輸入級：輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差放信號，都采用帶恒流源的差放 。 中間級：中間級：要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構成。共發(fā)射極放大電路構成。 輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁3.2.2 集成運算放大器的主要參數集成運算放大器的

7、主要參數1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數。 Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失

8、調電壓輸入失調電壓 UIO4. 輸入失調電流輸入失調電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁1. 理想運算放大器理想運算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+1，稱為，稱為深度負反饋深度負反饋，此時：，此時：FA1f 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁例例：|A|=300

9、，|F|=0.01。7501. 030013001 f AFAA則則：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 則則：下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁Auiufuduo大大略小略小略大略大略小略小略大略大 uoAF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波ui下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁BWFABW)1(of 無負反饋無負反饋f|Au|下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁中頻放大倍數中頻放大倍數 |A0| =10，反饋系數，反饋系數 |F| = 0.0199001010001100

10、01 00f.FAAA 則則：在原上限、下限頻率處在原上限、下限頻率處68770701707000LHf.FA.A.A 、70709630990687fLHf.AA 、下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uiubeib+在同樣的在同樣的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 無負反饋時：無負反饋時：有負反饋時：有負反饋時：biifiur uf+bbeiu 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁FArr0ifi1 ifbbeiiur 無負反饋時：無負反饋時：有負反饋時：有負反饋時：

11、ibeifiur iiibube+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁o0of)1(rFAr FArr0oof1 電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。 電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進器件等構成閉環(huán)

12、電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數、反行比例、加法、減法、微分、積分、對數、反對數、乘法和除法等運算。對數、乘法和除法等運算。 運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和參數，而與運算放大器本身的參數關系不大。參數，而與運算放大器本身的參數關系不大。改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以實現不同的運算。實現不同的運算。下一頁下一頁總目

13、錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁1i1Ruui FofRuui （1）電路組成）電路組成 以后如不加說明，輸入、以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地輸出的另一端均為地( )。（2）電壓放大倍數）電壓放大倍數因因虛短虛短, 所以所以u=u+= 0，稱反相輸入端稱反相輸入端“虛虛地地” 反相輸入的重要反相輸入的重要特點特點因因虛斷，虛斷，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u+、 u 對對地電阻相同，地電阻相同， 所以所以平衡電阻平衡電阻 R2 = R1 / RF動畫動畫

14、下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁i1FouRRu 1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 反饋電路直接從輸反饋電路直接從輸出端引出出端引出電壓反饋電壓反饋輸入信號和反饋信號加在輸入信號和反饋信號加在同一輸入端同一輸入端并聯反饋并聯反饋反饋信號使凈輸入反饋信號使凈輸入信號減小信號減小負反饋負反饋下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁例：例：電路如下圖所示，已知電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求：求：1. Auf 、R2 ； 2. 若若 R1不變，要求不變

15、，要求Auf為為 10，則，則RF 、 R2 應為應為 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁oF11uRRRu 因因虛斷，虛斷，所以所以u+ = ui i1Fo)1(uRRu （1）電路組成）電路組成（2）電壓放大倍數

16、）電壓放大倍數1Fiof1RRuuAu uoRFuiR2R1+ 因因虛短，虛短，所以所以 u = ui ，反相輸入端不反相輸入端不“虛地虛地” 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u+、u 對地對地電阻相同，電阻相同， 所以所以平衡電阻平衡電阻R2=R1/RFu+u下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 輸入信號和反饋信號分別輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端加兩個輸入端串聯反饋串聯反饋反饋電路直接從輸反饋電路直接從輸出端引出出端引出電壓反饋電壓反饋 1Fiof1RRuuAu i1Fo)1(uRRu 反饋信號使凈輸入反饋信號使凈輸入信號減小信號減小負反饋負反饋uoRFuiR2R1+ 動

17、畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 當當 R1= 且且 RF = 0 時，時，uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1+ 由運放構成的電壓跟由運放構成的電壓跟 隨器隨器輸入電阻高、輸出輸入電阻高、輸出 電阻低，電阻低，其跟隨性能比其跟隨性能比 射極輸出器更好。射極輸出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁11LRuii 1xGRUI 1iRu 下一頁下一頁總目錄總目錄

18、 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁因因虛短虛短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故故得得 平衡電阻：平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虛斷虛斷，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if 動畫動畫)(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2單獨作用時單獨作用時 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2

19、i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2

20、uoRFui1Ri2Ri1+ R2+)(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁由虛斷可得：由虛斷可得：2i3 23uRRRu 由虛短可得：由虛短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 則：則： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 則則：R2 / R3 = R1 / RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量常用做測量放大電路放大電路)1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu 1F

21、11io1i RRRuuu 1R1i uuu 動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 由虛短及虛斷性質可得由虛短及虛斷性質可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCt

22、t d1 ooiF10tutuCRtt 動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uitOF1iOM0CRUUt 積分飽和積分飽和線性積分時間線性積分時間線性積分時間線性積分時間Uo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0時，時，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的的信號順利通過，衰減很小，信號順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號不易通過，的信號不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低通階有源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時信號衰減得時信號

23、衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo頻率頻率角角稱為截止稱為截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+設輸入為正弦波信號，則有設輸入為正弦波信號，則有故：故：下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 可見，電路使頻率大于可見

24、，電路使頻率大于 0 的信號通過的信號通過 ，而小于，而小于 0 的信號被阻止，稱為的信號被阻止，稱為有源高通濾波器有源高通濾波器。 ,0時時當當 ,時時當當 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時時當當 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁模擬開關模擬開關模擬輸入信號模擬輸入信號電路電路 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用于模 - 數轉換電路（數轉換電路

25、（A/D）之之前前。由于。由于A/D 轉換需要一定的時間，所以在進行轉換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足存一段時間，以滿足A/D 轉換電路的需要。轉換電路的需要。采樣存儲采樣存儲電容電容控制信號控制信號電壓跟隨器電壓跟隨器下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 uG為高電平，為高電平， S 閉合閉合(場效應管導通場效應管導通)， ui對存儲電容對存儲電容C充電，充電， uo= uC = ui 。 uG為為 0， S 斷開斷開(場效應管截止場效應管截止)，輸出，輸出 保

26、持該階段開始瞬間的值不變。保持該階段開始瞬間的值不變。uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 SuC+ui+uo+ 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。 數模轉換、數字儀表、自動控制和自動檢測等數模轉換、數字

27、儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產生及變換等場合技術領域，以及波形產生及變換等場合 。 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。：輸出躍變所對應的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁ui

28、tOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 當當 ui 單方向變化時，單方向變化時， uo 只變化一次。只變化一次。URuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOUR下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOUR下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOU

29、ROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁URuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat)下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁RF UU門限電壓受輸門限電壓受輸出電壓的控制出電壓的控制R2uoui+ R1+ iuu oF 2 2uRRRu當當 uo = + Uo(sat)， 則則 )(o(sat)F 2 2U

30、RRRUu當當 uo = Uo(sat)， 則則)(o(sat)F 2 2 URRRUu 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U兩次跳變之間具有遲兩次跳變之間具有遲滯特性滯特性滯回比較器滯回比較器RFR2uoui+ R1+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁)(o(sat)F 2 2RF 2FRURRRURRRu 可見：可見：傳輸特性不再對稱于縱軸，傳輸特性不再對稱于縱軸， UU +URRFR2uoui+ R1+ U U下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁o(sat)F 2 2 2URRRUUU 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁V2V6201010 U V 2V6201010 U下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020