第16章運(yùn)算放大電路

1、第16章運(yùn)算放大電路 集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。它是發(fā)展最早、的多級直接耦合放大電路。它是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。運(yùn)放的應(yīng)用領(lǐng)域：信號處理、信號測量運(yùn)放的應(yīng)用領(lǐng)域：信號處理、信號測量 、波、波 形轉(zhuǎn)換、自動控制等。形轉(zhuǎn)換、自動控制等。運(yùn)放的模擬計(jì)算：信號的加、減、乘、除、積運(yùn)放的模擬計(jì)算：信號的加、減、乘、除、積 分、微分、對數(shù)等運(yùn)算。分、微分、對數(shù)等運(yùn)算。輸入級：都采用帶恒流源的差分放大電路，輸入電輸入級：都采用帶恒流源的差分放大電路，輸入電 阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號

2、。阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號。輸入級輸入級 中間級中間級輸出級輸出級輸入端輸入端輸出端輸出端中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的 共發(fā)射極放大電路。共發(fā)射極放大電路。輸出級：要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由輸出級：要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由 互補(bǔ)對稱電路或射極輸出器構(gòu)成?；パa(bǔ)對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。uA741741 8 81 17 72 23 34 45 56 6uo+u+u+UCCUEEuo+u+u uo+u+u 1、Auo 高高: 8080dBdB140dB140dB2、rid 高高: 10: 105 510101

3、111 3、ro 低低: 幾十幾十 幾百幾百 4、KCMR高高: 7070dBdB 130dB130dB1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。使輸出和輸入保持不失真關(guān)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 未接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。未接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，愈高， 所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)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(yùn)放能承受的最大共模輸入電壓。超出此值，運(yùn)運(yùn)放能承受的最大共模輸入電壓。超出此值，運(yùn) 放的共模抑制性能

4、下降，甚至造成器件損壞。放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui) +UOMUOM線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū) u+ u uo Ouo = Auoui= Auo( (u+ u)1、線性區(qū)：、線性區(qū)： uo = Auo( (u+ u)2、非線性區(qū)、非線性區(qū)飽和區(qū)：飽和區(qū)： u+ - - u X 時(shí)，時(shí)，uo = +UOM u+ - - u u 時(shí)，時(shí)， uo = +UOM u+ 0 ui = Ui 0時(shí)，時(shí)，| T(j )| 衰減很快衰減很快

5、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，稱一衰減很大，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(shí)信號衰減得時(shí)信號衰減得更快些，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，組成波環(huán)節(jié)串接起來，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 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(1

6、1Fo頻率頻率角角稱為截止稱為截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+設(shè)設(shè)ui為正弦波信號，則為正弦波信號，則故：故： 可見，電路使頻率大于可見，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，稱為有源高通濾波器。的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。 ,0時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) ,時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O控制信號控制信號模擬開關(guān)模擬開關(guān)模擬輸入信號模擬

7、輸入信號 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路，多用于模采樣保持電路，多用于模- -數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/DA/D）之前。由于之前。由于A/DA/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間, ,所以在所以在A/DA/D轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進(jìn)行瞬間采樣轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進(jìn)行瞬間采樣, ,并把采樣值并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足保存一段時(shí)間，以滿足A/DA/D轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。采樣存儲電容采樣存儲電容電壓跟隨器電壓跟隨器uG為高電平，為高電平，S S閉合閉合( (場效應(yīng)管導(dǎo)通場效應(yīng)管導(dǎo)通) )， ui對存儲電容對存儲電容C C充電，充電，u uo o= u= uC C = u= ui

8、i 。uG為為0 0，S S斷開斷開( (場效應(yīng)管截止場效應(yīng)管截止) )，輸出，輸出 保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+ 電壓比較器用來對兩個(gè)輸入電壓信號的大小進(jìn)電壓比較器用來對兩個(gè)輸入電壓信號的大小進(jìn)行比較。在輸出端顯示比較結(jié)果。行比較。在輸出端顯示比較結(jié)果。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。uiUR 。URuouiR2+ R1+電壓傳

9、輸特性電壓傳輸特性uiuoOUR可見，在可見，在 ui =UR 處輸處輸出電壓出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓稱閾值電壓輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓稱閾值電壓(門限電平門限電平) 。 URuouiR2+ R1+uiuoOURuitOUROuot +UOM UOMt1t2當(dāng)當(dāng) ui 單方向變化時(shí)，單方向變化時(shí)， uo 只變化一次。只變化一次。ui UR，uo=+ UOMui UR，uo= UOMuiuoURR2+ R1+uiuoOURtuiOURt1t2Ouot +UOMUOMUZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UOM +UOMuiuoO

10、URtuituo+UOMUOMUR=0uouiR2+ R1+ uo=UOM T導(dǎo)通導(dǎo)通 KAKA有電有電 停止電加熱停止電加熱URuoR2+ R1uiRTR3R4DKA+UCC控控制制對對象象電加熱器電加熱器KA220VRFiuu R2uoui+ R1+ oFuRRRu 22當(dāng)當(dāng) uo = + UOM， 則則 當(dāng)當(dāng) uo = UOM， 則則門限電壓受輸門限電壓受輸出電壓的控制出電壓的控制RFR2uoui+ R1+)(22OMFuRRRuu)(22OMFuRRRuuuiuoO UOM+UOM U電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UuitOuoOt+UOMUOM U U兩次跳變之間具兩次跳變之間具有遲滯特

11、性有遲滯特性滯回比較器滯回比較器RFR2uoui+ R1+)(OMF 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 UOMF 2 2 2URRRUUU V2V6201010 U V 2V6201010 U V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020 UUuiuoO+UOM電壓傳輸特性電壓傳輸特性HULUuoui+ + UHULD1D2 o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)F 2 2RURRRU 動畫動畫 RCtCCCCeuuutu 0RU RU

12、o(sat)F 2 2R2o(sat)o(sat)F 2 2 R0URRRUtuUuURRRUuCCC o(sat)F 2 2R3o(sat)o(sat)F 2 2R0URRRUtuUuURRRUuCCC F 22121ln2RRRCTTT F 221ln211RRRCTf = RC A1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u- = 0 ，所以當(dāng)，所以當(dāng) u+ = 0時(shí)，時(shí)，A1狀態(tài)狀態(tài)改變改變0o2111o2121 uRRRuRRRu當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)，即即當(dāng)當(dāng) Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uoR5R4+ A2A1R1動畫動畫TT1T2T = T1+ T2 = 2T1 =

13、 2T2RCRRTf2141 tRCUuiouo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改變比較器的輸出改變比較器的輸出 uo1、電阻、電阻R1 、R2 即可改即可改變?nèi)遣ǖ姆?。變?nèi)遣ǖ姆怠?(2) 改變積分常數(shù)改變積分常數(shù)RC 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。即可改變?nèi)遣ǖ念l率。動畫動畫Z12URRZ12URR O動畫動畫1.1.分類分類按按 技技 術(shù)術(shù) 指指 標(biāo)標(biāo) 分分 ：通用型：通用型、高速型高速型、高阻型高阻型、低功低功 耗型耗型、大功率型大功率型、高精度型等高精度型等。按按 內(nèi)內(nèi) 部部 電電 路路 分分 ：雙極型（晶體管）、：雙極型（晶

14、體管）、 單極型（場效晶體管）單極型（場效晶體管）按集成運(yùn)放數(shù)目分：單運(yùn)放、雙運(yùn)放、四運(yùn)放。按集成運(yùn)放數(shù)目分：單運(yùn)放、雙運(yùn)放、四運(yùn)放。2.2.根據(jù)實(shí)際要求選用根據(jù)實(shí)際要求選用輸入信號微弱：第一級應(yīng)選用高輸入信號微弱：第一級應(yīng)選用高r ridid、高、高K KCMRCMR、高、高A Au uo o、 低失調(diào)電壓、低溫度漂移的運(yùn)放。低失調(diào)電壓、低溫度漂移的運(yùn)放。 由于運(yùn)放內(nèi)部由于運(yùn)放內(nèi)部T T的極間電容和其他寄生電容易產(chǎn)的極間電容和其他寄生電容易產(chǎn)生自激振蕩，破壞正常工作。生自激振蕩，破壞正常工作。外接外接RCRC電路或消振電容，破壞自激振蕩的條件。電路或消振電容，破壞自激振蕩的條件。將輸入端接地

15、，用示波器觀察輸出，將輸入端接地，用示波器觀察輸出， 有無振蕩。有無振蕩。目前運(yùn)放內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振。目前運(yùn)放內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振。1.1.消振方法消振方法2.2.判別消振方法判別消振方法 由于運(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不完全對稱，輸入信號為零由于運(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不完全對稱，輸入信號為零時(shí)，輸出信號不為零。時(shí)，輸出信號不為零。調(diào)零電路由：調(diào)零電路由：-V-VEE EE 、 R(1K)R(1K)、 調(diào)零電位器調(diào)零電位器(10K)(10K) 組成。組成。將兩輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使輸出等于零。將兩輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使輸出等于零。1.1.調(diào)零電路調(diào)零電路2.2.調(diào)零方法調(diào)零方法+UCCUEEuo+u+u 1. 輸入端保護(hù)輸入端保護(hù)防止輸入差?；蚬材ｋ妷哼^高損壞輸入級晶體管。防止輸入差?；蚬材ｋ妷哼^高損壞輸入級晶體管。 在輸入端接入反向并聯(lián)的二極管，將輸入電壓在輸入端接入反向并聯(lián)的二極管，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以下。限制在二極管的正向壓降以下。uoRFuiR2R1+ D1D22.2.輸出端保護(hù)輸出端保護(hù)作用：防止作用：防止uo過大過大方法：利用穩(wěn)壓二方法