集成運(yùn)算放大電路

1、集成運(yùn)算放大電路集成運(yùn)算放大電路2將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上集成電路優(yōu)點(diǎn)集成電路優(yōu)點(diǎn)： 工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小集成電路分類集成電路分類：模擬、數(shù)字集成電路；單極型、雙極型集成電路；模擬、數(shù)字集成電路；單極型、雙極型集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路； 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器集成電路的概念集成電路的概念集集 成成 電電 路路: :1. 電路一般采用直接耦合的電路結(jié)構(gòu)，而不采用阻容耦合結(jié)構(gòu)。電路一般采用直接耦合的電路結(jié)構(gòu)，而不采用阻容耦合結(jié)構(gòu)。2. 輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，目的是克

2、服直接耦合電路的零漂。輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路，目的是克服直接耦合電路的零漂。3. NPNPNP管配合使用，從而改進(jìn)單管的性能。管配合使用，從而改進(jìn)單管的性能。4. 大量采用恒流源設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)或做有源負(fù)載，提高電路性能。大量采用恒流源設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)或做有源負(fù)載，提高電路性能。特點(diǎn)：特點(diǎn)：HOME集成運(yùn)算放大電路3集成運(yùn)算放大器的原理電路集成運(yùn)算放大器的原理電路T3T4T5T1T2IS與與uo反相反相 u+ u反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端與與uo同相同相輸輸入入級(jí)級(jí)中中間間級(jí)級(jí)輸輸出出級(jí)級(jí)對(duì)輸入級(jí)要求對(duì)輸入級(jí)要求：盡量減小零漂盡量減小零漂, ,提高提高KCMRR，輸入阻抗輸入阻抗ri

3、 盡可能大盡可能大對(duì)中間級(jí)要求對(duì)中間級(jí)要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。 對(duì)輸出級(jí)要求：帶負(fù)載能力強(qiáng),有足夠的輸出電流io .輸出阻抗ro小8.3.18.3.1HOME集成運(yùn)算放大電路4集成運(yùn)放芯片集成運(yùn)放芯片uu+ uo uo國(guó)際符號(hào)國(guó)際符號(hào)國(guó)內(nèi)符號(hào)國(guó)內(nèi)符號(hào)三種封裝形式：圓外殼封裝、扁平管封裝、雙列直插式封裝三種封裝形式：圓外殼封裝、扁平管封裝、雙列直插式封裝已經(jīng)不用已經(jīng)不用正在使用正在使用外外形形符符號(hào)號(hào)反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端u+ u- u0 均為對(duì)地電壓均為對(duì)地電壓 u- u+ u+u-uo8.318.31HOME集成運(yùn)算放大電路5uiuo+

4、UOM-UOMuiuo_+AoCoOMEuUmax例：若例：若Ec=12V，Ao=106， 則則|ui| u- 則輸出為則輸出為+Uom， 反之輸出為反之輸出為-UomHOME集成運(yùn)算放大電路47uoui0+UOM-UOM+uoui1.1.信號(hào)幅度比較電路信號(hào)幅度比較電路+uouiuoui0+UOM-UOM（1）電壓比較器電壓比較器傳輸特性曲線傳輸特性曲線ui0則輸出為正，反之為負(fù)。則輸出為正，反之為負(fù)。ui0則輸出為正，反之為負(fù)。則輸出為正，反之為負(fù)。過(guò)零比較過(guò)零比較HOME集成運(yùn)算放大電路48+uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = -Uom 單閾值比較

5、單閾值比較反相輸入反相輸入（UR不為零）不為零）傳輸特性傳輸特性HOME集成運(yùn)算放大電路49uoui0+Uom-UomUR傳輸特性傳輸特性UR：參考電壓：參考電壓 ui ：被比較信號(hào)：被比較信號(hào) +uouiUR特點(diǎn)：運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)。特點(diǎn)：運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = +Uom當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = -Uom 同相端輸入同相端輸入HOME集成運(yùn)算放大電路50+uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲āot+Uom-Uom方波與正弦波同相。方波與正弦波同相。問(wèn)：若反相輸入則如何？問(wèn)：若反相輸入則如何？可實(shí)現(xiàn)過(guò)零檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)過(guò)零檢測(cè)HOME集成運(yùn)算放大電路5

6、1+uiuoui0+UZ-UZ電路改進(jìn)：電路改進(jìn)：用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅。用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅。+uiuo UZRR 電壓比較器的另一種形式 將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上uo UZR注意此注意此電阻不可少電阻不可少此電路兼有線性與此電路兼有線性與非線性兩種工作狀態(tài)非線性兩種工作狀態(tài)HOME集成運(yùn)算放大電路52單閾值比較器的特點(diǎn)單閾值比較器的特點(diǎn)1. 電路簡(jiǎn)單。電路簡(jiǎn)單。2. 當(dāng)Ao不夠大時(shí)， 輸出邊沿不陡。3. 容易引入干擾。容易引入干擾。tuiuot過(guò)零附近仍過(guò)零附近仍處于放大區(qū)處于放大區(qū)uiuo飽和區(qū)飽和區(qū)線性放大區(qū)線性放大區(qū)+UOM-UOMHOME集成運(yùn)算放大電路53(2) (2) 滯回比較器滯回

7、比較器8.39 8.39 滯回比較器滯回比較器 HOME集成運(yùn)算放大電路54)(322322ZOURRRuRRRuTZUURRRu322TZUURRRu322由圖由圖8.39(a)可知可知當(dāng)輸出為當(dāng)輸出為+UZ時(shí)，時(shí)，當(dāng)輸出為當(dāng)輸出為-UZ時(shí)，時(shí)，稱為下限閾值電壓稱為下限閾值電壓 稱為上限閾值電壓稱為上限閾值電壓 HOME集成運(yùn)算放大電路55OIIdOuuuuuu)(TTUUU注意 由于該電路存在正反饋，因而輸出高、由于該電路存在正反饋，因而輸出高、 低電平轉(zhuǎn)換很快。低電平轉(zhuǎn)換很快。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R2、R3的比值，可改變回差電壓值?；夭铍妷旱谋戎担筛淖兓夭铍妷褐?。回差電壓大，抗干擾能力強(qiáng)，延時(shí)增加

8、。實(shí)用中，就是通過(guò)調(diào)整大，抗干擾能力強(qiáng)，延時(shí)增加。實(shí)用中，就是通過(guò)調(diào)整回差電壓來(lái)改變電路某些性能的?；夭铍妷簛?lái)改變電路某些性能的。 兩個(gè)閾值的差稱為回差電壓，兩個(gè)閾值的差稱為回差電壓，即即這個(gè)正反饋過(guò)程很快使輸出這個(gè)正反饋過(guò)程很快使輸出uO由由UZ跳轉(zhuǎn)到跳轉(zhuǎn)到-UZ。例如，設(shè)開始時(shí)例如，設(shè)開始時(shí)uO=UZ，當(dāng)，當(dāng)uI增加到增加到UT+，使，使uO 有下降趨勢(shì)時(shí)，正反饋過(guò)程為：有下降趨勢(shì)時(shí)，正反饋過(guò)程為：HOME集成運(yùn)算放大電路56 還可以在同相端再加一個(gè)固定值的參考電還可以在同相端再加一個(gè)固定值的參考電壓壓UREF。此時(shí)，回差電壓不受影響，改變的只。此時(shí)，回差電壓不受影響，改變的只是閾值，在電

9、壓傳輸特性上表現(xiàn)為特性曲線沿是閾值，在電壓傳輸特性上表現(xiàn)為特性曲線沿uI前后平移。因此，抗干擾能力不受影響，但前后平移。因此，抗干擾能力不受影響，但越限保護(hù)電路的門限發(fā)生了改變。越限保護(hù)電路的門限發(fā)生了改變。 目前有專門設(shè)計(jì)的集成比較器供選用。目前有專門設(shè)計(jì)的集成比較器供選用。常用的單電壓集成比較器常用的單電壓集成比較器J631、四電壓集、四電壓集成比較器成比較器CB75339引腳圖如圖所示。引腳圖如圖所示。 HOME集成運(yùn)算放大電路57（a）單電壓集成比較器 （b）四電壓集成比較器 圖8.40 常用電壓比較器引腳圖 HOME集成運(yùn)算放大電路58電路如圖（電路如圖（a a）所示，試求上、下限閾

10、值電壓，并）所示，試求上、下限閾值電壓，并畫出電壓傳輸特性。畫出電壓傳輸特性。（a a）電路圖）電路圖 （b b）電壓傳輸特性）電壓傳輸特性圖圖HOME例例集成運(yùn)算放大電路59VUT5 . 16103010VVUT5 . 1)6(103010 故當(dāng)反相輸入端電壓故當(dāng)反相輸入端電壓ui -1.5 V時(shí)，輸出電壓由高電平時(shí)，輸出電壓由高電平6V跳變?yōu)楸浑p向跳變?yōu)楸浑p向穩(wěn)壓管箝位的低電平穩(wěn)壓管箝位的低電平V。此時(shí)，同相輸入端電壓跳變?yōu)橄孪揲撝惦妷捍藭r(shí)，同相輸入端電壓跳變?yōu)橄孪揲撝惦妷篐OME集成運(yùn)算放大電路60圖圖8.42 8.42 窗口比較器窗口比較器 (3) (3) 窗口比較器窗口比較器 窗口比

11、較器的電路圖和電壓傳輸特性如圖所示，窗口比較器的電路圖和電壓傳輸特性如圖所示， 主主要用來(lái)檢測(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)電平之間。要用來(lái)檢測(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)電平之間。HOME集成運(yùn)算放大電路612 2信號(hào)幅度的采樣保持信號(hào)幅度的采樣保持圖圖8.43 8.43 基本采樣保持電路基本采樣保持電路HOME集成運(yùn)算放大電路62圖圖LF198/298/398LF198/298/398采樣保持電路采樣保持電路 HOME集成運(yùn)算放大電路633. 有源濾波器主要用作測(cè)量信號(hào)的低通濾波。主要用作測(cè)量信號(hào)的低通濾波。(a) (a) 反相比例放大反相比例放大LPF LPF （b b）同相比例放大）同相比例放大LPFLPF

12、 圖圖8.45 8.45 低通濾波器（低通濾波器（LPFLPF）HOME集成運(yùn)算放大電路64RCfC21kCfRC9 .151001. 0101212163kR16kRRRF16/1試確定圖試確定圖8.45(b)所示的低通濾波器的電阻和電容值。所示的低通濾波器的電阻和電容值。要求要求fc=1kHz ，Au=2。解解 已知已知 fc=1kHz，先取，先取C，由，由 根據(jù)集成運(yùn)放同相和反相兩個(gè)輸入端直流通路電根據(jù)集成運(yùn)放同相和反相兩個(gè)輸入端直流通路電阻平衡要求，有阻平衡要求，有取用標(biāo)稱值取用標(biāo)稱值求取求取R值，故值，故HOME例例集成運(yùn)算放大電路65211RRAFu11RRFkRRF321已知已知

13、但標(biāo)稱值無(wú)但標(biāo)稱值無(wú) 32k ，則，則R1、RF均可采用二個(gè)標(biāo)稱均可采用二個(gè)標(biāo)稱值為值為10k和和22 k 的精密電阻串聯(lián)來(lái)代替。的精密電阻串聯(lián)來(lái)代替。故故HOME集成運(yùn)算放大電路668.3.5 8.3.5 波形產(chǎn)生電路波形產(chǎn)生電路1.1.正弦信號(hào)產(chǎn)生電路正弦信號(hào)產(chǎn)生電路（1）. 產(chǎn)生自激振蕩的原理產(chǎn)生自激振蕩的原理fidXXX改成正反饋改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfXHOME集成運(yùn)算放大電路67如果：如果：,ifXX則去掉則去掉,iX仍有信號(hào)輸出。仍有信號(hào)輸出?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐?/p>

14、Ao反饋電路反饋電路FdXoXfX反饋信號(hào)代替了放大反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。電路的輸入信號(hào)?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FiX+ +dXoXfXHOME集成運(yùn)算放大電路68自激振蕩條件的推導(dǎo)自激振蕩條件的推導(dǎo)fidofdooXXXXFXXAXFAAXXAooioF1基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfXHOME集成運(yùn)算放大電路69FAo=1自激振蕩的條件自激振蕩的條件基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FdXoXfXoffdXFXXX,oodooXFAXAXHOME集成運(yùn)算放大電路70FAAAooF1如果：如果：FoAFA:01則(

15、1) 正反饋?zhàn)銐驈?qiáng),輸入信號(hào)為 0 時(shí)仍有信號(hào)輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。(2) 要獲得非正弦自激振蕩,反饋回路中必須有RC充放電電路。例如：前面介紹的方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器等。)()(FA、(3) 要獲得正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成：HOME集成運(yùn)算放大電路71自激振蕩的條件：自激振蕩的條件：1)()(FA因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篈AA|)(FFF|)(所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成：（1）振幅條件：）振幅條件：1|AF（2）相位條件：）相位條件：nFA2n是整數(shù)是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過(guò)

16、調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。HOME集成運(yùn)算放大電路72問(wèn)題問(wèn)題1：如何啟振？：如何啟振？Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|1，且A+ B =2n，即可起振。HOME集成運(yùn)算放大電路73問(wèn)題問(wèn)題2：如何穩(wěn)幅？：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若時(shí)若|AF|仍大于仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。，則輸出將會(huì)飽和失真。達(dá)到需要的幅值后

17、，將參數(shù)調(diào)整為達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。即可穩(wěn)幅。具體方法將在后面具體電路中介紹。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：111AFBUAFBUAFBUooo時(shí)，時(shí)，時(shí)，HOME集成運(yùn)算放大電路74（2）. RC振蕩電路振蕩電路用RC 電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的 RC振蕩電路，可選用的 RC 選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2iUoU一、選頻電路一、選頻電路HOME集成運(yùn)算放大電路75HOME集成運(yùn)算放大電路76)1()1 (112211221CRCRjCCRRUUio1221212CRfCRfoo

18、時(shí)，相移為時(shí)，相移為0 0。R1C1R2C2iUoUHOME集成運(yùn)算放大電路77212121CCRRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：，則：RCfo21)(31ffffjUUooio)(31ffffarctgoo22)(31ffffUUooio傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：相頻特性：相頻特性：幅頻特性：幅頻特性：fofioUU31+90 90 f0HOME集成運(yùn)算放大電路78二、用運(yùn)放組成的二、用運(yùn)放組成的RC振蕩器振蕩器0A所以，要滿足相位所以，要滿足相位條件，只有在條件，只有在 fo 處處0F因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?AF122RR uo_+ + R2RCRCR1121RRA31112FRRA

19、圖圖8.47 RC文氏橋振蕩器文氏橋振蕩器HOME集成運(yùn)算放大電路79kRnFCkR20,100,100102求得由式振蕩電路的頻率范圍可RCf2109 .15101001010014. 321219301RCf15910100101014. 321219302RCf在圖中，在圖中，試求試求 該振蕩電路的頻率范圍？該振蕩電路的頻率范圍？ 該采用多大的、什么樣的電阻才能得到較該采用多大的、什么樣的電阻才能得到較理想的正弦波輸出電壓？理想的正弦波輸出電壓？解：解：下限頻率為下限頻率為上限頻率為上限頻率為HOME例例集成運(yùn)算放大電路803112RRAufkRR102201321 電阻電阻R1由同相比

20、例運(yùn)算電路的放大倍數(shù)為由同相比例運(yùn)算電路的放大倍數(shù)為3求得求得 因：因：故故：為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，R1 應(yīng)采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻應(yīng)采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻。 HOME集成運(yùn)算放大電路81能自行啟動(dòng)的電路（能自行啟動(dòng)的電路（1）uotRtA半導(dǎo)體半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻起振時(shí)，起振時(shí)，RT略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；_+ + RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐漸增大則逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出逐漸減小，使得輸出uo為某值時(shí)，為某值時(shí)，|AF|=1，從，從而穩(wěn)幅。而穩(wěn)幅。HOME集成運(yùn)算放大電路82能自行啟動(dòng)的電路（能自行啟動(dòng)的電路（2）R22為

21、一小電阻，為一小電阻，使使(R21+R22)略大于略大于2R1，|AF|1，以，以便起振；便起振；_+ + R21RCCR1R22D1D2隨著隨著uo的增加，的增加，R22逐漸被短接，逐漸被短接，A自動(dòng)自動(dòng)下降到使下降到使|AF|=1，使，使得輸出得輸出uo穩(wěn)定在某值。穩(wěn)定在某值。HOME集成運(yùn)算放大電路83輸出頻率的調(diào)整：輸出頻率的調(diào)整：RCfo21通過(guò)調(diào)整通過(guò)調(diào)整R或或/和和C來(lái)調(diào)整頻率。來(lái)調(diào)整頻率。_+ + RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。HOME集成運(yùn)算放大電路84電子琴的振蕩電路：電子

22、琴的振蕩電路：2121RRCfo_+ + RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21HOME集成運(yùn)算放大電路85+-RR3R1R2VDZCucuoA 圖圖 8.48 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路電路組成電路組成(1)(1)方波發(fā)生器方波發(fā)生器2.2.非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路HOME集成運(yùn)算放大電路86工作原理工作原理ZTZTURRRUURRRU211211HOME集成運(yùn)算放大電路87振蕩周期振蕩周期2121RRlRCTnk21212RRlRCTnkkTTTHOME集成運(yùn)算放大電路88RCucR2R1R3Rw RwRwVDZuoA+-圖圖 8.49 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路HOME集成運(yùn)算放大電路89占空比可調(diào)的占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路和波形矩形波發(fā)生電路和波形HOME集成運(yùn)算放大電路90(2)(2)鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路(A2)起延時(shí)作用。起延時(shí)作用。電路的主要特點(diǎn)電路的主要特點(diǎn):（a a）電路圖）電路圖 （b b）波形圖）波形圖 圖圖8.50 8.50 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器 同相輸入滯回比較器（同相輸入滯回比較器（A1）起開關(guān)作用；）起開