電力電子技術(shù)---集成運(yùn)算放大器

1、(16-1)第第1616章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器(16-2)集成電路集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。片上。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。功耗小。集成電路的分類：集成電路的分類：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；1 集成運(yùn)放的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)放的簡(jiǎn)單介紹(16-3)一、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)一、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn) 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：模擬計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)、信號(hào)運(yùn)算信

2、號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理信號(hào)處理、信信號(hào)測(cè)量號(hào)測(cè)量及及波形產(chǎn)生波形產(chǎn)生等方面。等方面。 與制造工藝有關(guān)與制造工藝有關(guān)（1）在集成電路工藝中還難于制造）在集成電路工藝中還難于制造電感電感元件；制造元件；制造大于大于200pF的的電容電容也比較困難；也比較困難；（2）運(yùn)放的輸入級(jí)都采用）運(yùn)放的輸入級(jí)都采用差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路；（3）集成電路中的）集成電路中的合適阻值為合適阻值為100 30k ，高阻值，高阻值的電阻往往用晶體管的電阻往往用晶體管恒流源恒流源代替；代替；（4）集成電路中的）集成電路中的二極管二極管都采用都采用晶體管晶體管構(gòu)成。構(gòu)成。(16-4)UEE+UCC u+uo u反相反相輸入端輸

3、入端同相同相輸入端輸入端T3T4T5T1T2IS二、電路的簡(jiǎn)單說明二、電路的簡(jiǎn)單說明輸輸入入級(jí)級(jí)中中間間級(jí)級(jí)輸輸出出級(jí)級(jí)與與uo反相反相與與uo同相同相對(duì)輸入級(jí)的要求：對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移盡量減小零點(diǎn)漂移, ,盡量提高盡量提高 KCMRR , , 輸輸入阻抗入阻抗 ri 盡可能大盡可能大。對(duì)中間級(jí)的要求：對(duì)中間級(jí)的要求：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)的要求：對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流流io 。即輸出阻抗。即輸出阻抗 ro小。小。(16-5)運(yùn)放舉例：運(yùn)放舉例：F007F007（5G245G24）2

4、 2反相輸入端反相輸入端6 6輸出端輸出端3 3同相輸入端同相輸入端4 4負(fù)電源端負(fù)電源端7 7正電源端正電源端8 8空腳空腳（NC）1 1、5 5接調(diào)零電位器接調(diào)零電位器 F007 1 2 3 48 7 6 5三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)（1） 最大輸出電壓最大輸出電壓U op-p（2）開環(huán)電壓放大倍數(shù)）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo 希望希望Auo大大。Auo越高，所構(gòu)越高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。精度也越高。（3）輸入失調(diào)電壓）輸入失調(diào)電壓UIO 要求要求愈小愈好愈小愈好（4）輸入失調(diào)電流）輸入失調(diào)電流IIO 要求要求愈小愈好愈小愈好（5）輸入偏置電流）輸入偏

5、置電流IIB 要求要求愈小愈好愈小愈好（6）共模輸入電壓范圍）共模輸入電壓范圍U ICM(16-6)四、理想運(yùn)放及其分析依據(jù)四、理想運(yùn)放及其分析依據(jù)理想運(yùn)放：理想運(yùn)放： rid KCMRR ro 0 0Auo 運(yùn)放符號(hào)運(yùn)放符號(hào)uu+ uo u u+ 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)(16-7)u+u-uo+UO（sat）-UO（sat）實(shí)際特性實(shí)際特性理想特性理想特性線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)ooAUuu由于由于Ao=，因而有，因而有 0uu（1）由于）由于rid ， 故認(rèn)為故認(rèn)為i+ i-=0， “虛斷虛斷”； uu ， “虛短虛短”。即即 )( uuAuuoo（2） 工作在線性區(qū)工作在線

6、性區(qū) 工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)當(dāng)當(dāng)u+u-時(shí)，時(shí)，uo=+Uo（sat）；當(dāng)當(dāng)u+u-時(shí)，時(shí)，uo=-Uo（sat）；(16-8)虛短路虛短路虛斷路虛斷路放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)， 可以分開分析可以分開分析。0iIuuu+uo_+ uIi信號(hào)的放大、運(yùn)算信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路有源濾波電路運(yùn)放線運(yùn)放線性應(yīng)用性應(yīng)用(16-9) 2 運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用1、比例運(yùn)算、比例運(yùn)算（1）反相輸入）反相輸入+-+uoRFifi1R1 R2ui+-+FoFofRuRuui 1i1iRuRuui 1fii 1Fo1iRuRu 1FioufRRuuA 根

7、據(jù)根據(jù)兩條兩條分析依據(jù)分析依據(jù)虛斷、虛短虛斷、虛短可知：可知： uu=0當(dāng)當(dāng)RF=R1時(shí)，時(shí)，uo=-ui，Auf= -1，反相器反相器平衡電阻平衡電阻 R2=R1/RF(16-10)+-+uoRFifii1K R2ui+-+1K 1K 10K ii例例1、電路如下圖所示，試分別計(jì)算開關(guān)、電路如下圖所示，試分別計(jì)算開關(guān)S斷開和閉斷開和閉合時(shí)的電壓放大倍數(shù)合時(shí)的電壓放大倍數(shù)Auf。S(16-11)(2)同相輸入同相輸入 +-+uoRFifi1R1 R2ui+-+ 1i1R-uRui 1fii 1 uu=ui根據(jù)根據(jù)兩條兩條分析依據(jù)分析依據(jù)虛斷、虛斷、虛短虛短可知：可知：FofRuui FoRuu

8、 iou=（1+FR1R）ui1FioufRRuuA11 當(dāng)當(dāng)R1=或或RF=0時(shí)，時(shí)，Auf=1，電壓跟隨器電壓跟隨器(16-12)例例1、電路如下圖所示，求、電路如下圖所示，求uo+-uo15K -+15K 7.5K +15Vuo只電源電壓和分壓電阻有關(guān)，其精度和穩(wěn)定性較只電源電壓和分壓電阻有關(guān)，其精度和穩(wěn)定性較高，可作為基準(zhǔn)電壓。高，可作為基準(zhǔn)電壓。(16-13)例例2、電路如下圖所示，求、電路如下圖所示，求uo+-+ui1R1uo1+-+ui2R2uo2+-+uoR3R4(16-14)2、加法運(yùn)算、加法運(yùn)算+-+uoRFifi11R11R2R12i12ui1ui2ui3i13R13+-

9、13fiiii 1211 13i3FoRuRuRuRu 12i211i1 1313FoRuRuRuRu12i211i1uo= -（ui1+ ui2+ui3）如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)uo=ui1+ ui2+ui3？當(dāng)當(dāng)R11=R12 =R13 =RF時(shí)，時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)uo= -（4ui1+2 ui2+0.5ui3）？設(shè)）？設(shè)RF=100K 平衡電阻平衡電阻 R2=R11/R12 /R13 /RF(16-15)3、減法運(yùn)算、減法運(yùn)算+-+uoRFifi1R1 R2ui2+-+ui1+-R31-Ruui1FoRuu-uu根據(jù)3R3Rui22R +ou=（1+FR1R）ui11FRR-+u=3R3Rui

10、22R+當(dāng)R1=R2和RF=R3時(shí)，ui2ouFR1Rui1-=（）ui2ouui1-=當(dāng)RF=R1時(shí)，(16-16)+-+uoF+-+ui1R1uo1Rui2R2例例1、電路如下圖所示，求、電路如下圖所示，求uo(16-17)4、積分運(yùn)算、積分運(yùn)算+-+uocFifi1R1 R2ui+-+-uc uu=0i11iRu i fcFducdtfii 1duo -cFdt uo= -1R1CFuidt積分電路除用于信號(hào)運(yùn)算外，在控制和測(cè)量中也廣泛應(yīng)用積分電路除用于信號(hào)運(yùn)算外，在控制和測(cè)量中也廣泛應(yīng)用(16-18) uo= -1R1CFuidtuitUi0uot-Uo(sat)0uit0uo積分運(yùn)算

11、的波形變換作用積分運(yùn)算的波形變換作用(16-19)+-+uocFifi1R1 R2ui+-+-ucRF 例例1、電路如下圖所示，求、電路如下圖所示，求uo與與ui的關(guān)系式的關(guān)系式比例比例-積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要有調(diào)節(jié)器（或稱校正電路），在自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要有調(diào)節(jié)器（或稱校正電路），以保證系統(tǒng)的以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性和和控制的精度控制的精度。(16-20)5、微分運(yùn)算、微分運(yùn)算+-+uoifi1RF R2ui+-+c1+-cui 1c1ducdt c1duidtifFoRu uoc1duidt= -RFuitUi0uot0(16-21)+-+uo

12、ifiRR1 R2ui+-+RF c1iC例例1、電路如下圖所示，求、電路如下圖所示，求uo與與ui的關(guān)系式。的關(guān)系式。比例比例-微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PD調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 也用于控制系統(tǒng)中，使調(diào)節(jié)過程起也用于控制系統(tǒng)中，使調(diào)節(jié)過程起加速加速作用。作用。(16-22) 3 運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用1、有源濾波器、有源濾波器2、采樣保持電路、采樣保持電路+-+uo-+Cui-+RS控控制制信信號(hào)號(hào)uo控制信號(hào)控制信號(hào)采樣采樣 保持保持 保持保持 保持保持 采樣采樣 采樣采樣 該電路在該電路在數(shù)字電路數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)及程計(jì)算機(jī)及程序控制序控制等裝置中都得到

13、應(yīng)用等裝置中都得到應(yīng)用(16-23)3、電壓比較器（開環(huán)狀態(tài)）、電壓比較器（開環(huán)狀態(tài)）+-+uoi1R1 R2uR+-+ui+-UR0+Uo（sat）-Uo（sat）uoui(16-24)過零比較器過零比較器+-+uoi1R1 R2-+ui+-+Uo（sat）-Uo（sat）uoui0ouitUo(sat)-Uo(sat)ouot比較器將正弦波電壓變換為矩形波電壓(16-25)例1、電路如圖所示，ui是一正弦電壓，試分析并畫出u”o，uo，uo的波形。ouitUo(sat)-Uo(sat)ou”otCRDRLuo+-+u”oR1 R2uiuotououotoUo(sat)(16-26)DZuo

14、+-+R1 R2ui+UZ-UZuoui0有限幅的過零比較器有限幅的過零比較器(16-27) 5 使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題1、選用元件、選用元件 按按技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)可分為：通用型、高速型、高阻型、低功耗型、可分為：通用型、高速型、高阻型、低功耗型、大功率型、高精度型等；大功率型、高精度型等； 按其按其內(nèi)部電路內(nèi)部電路可分為：雙極型和單極型；可分為：雙極型和單極型； 按每一集成片中按每一集成片中運(yùn)算放大器的數(shù)目運(yùn)算放大器的數(shù)目可分為：?jiǎn)芜\(yùn)放、雙運(yùn)放可分為：?jiǎn)芜\(yùn)放、雙運(yùn)放和四運(yùn)放。和四運(yùn)放。通常根據(jù)通常根據(jù)實(shí)際要求實(shí)際要求來選用運(yùn)算放大器。來選用運(yùn)算放大器。如有些放大器的輸入信號(hào)微弱，應(yīng)如何來選用運(yùn)算放大器？如有些放大器的輸入信號(hào)微弱，應(yīng)如何來選用運(yùn)算放大器？(16-28)2、消振、消振（1）什么是自激振蕩？）什么是自激振蕩？（2）如何消振？）如何消振？（3）如何檢驗(yàn)是否已消振？）如何檢驗(yàn)是否已消振？3、調(diào)零、調(diào)零（1）為什么要調(diào)零？）為什么要調(diào)零？（2）如何調(diào)零？）