第3章集成運(yùn)算放大器

1、第3章 集成運(yùn)算放大器3.13.23.33.43.53.6運(yùn)放的結(jié)構(gòu)、特性和分析依據(jù)運(yùn)放在模擬運(yùn)算方面的應(yīng)用放大電路中的負(fù)反饋運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用電壓比較器信號(hào)產(chǎn)生電路1運(yùn)放的結(jié)構(gòu)、特性和分析依據(jù)運(yùn)放的結(jié)構(gòu)1集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。1.集成運(yùn)放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖中間級(jí) 電壓放大器輸入級(jí) 差動(dòng)放大器輸出級(jí) 射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成偏置電路輸出級(jí)中間級(jí)輸入級(jí)2. 集成運(yùn)放 mA741的原理電路圖p+UCCT12T8T9T13T14lk反相輸入T1T2R7+CT15T18輸出同相T3T4R5R8R9u輸入ooT16RT710T17

2、T6T10nT5T19T11T20jR11R12R1R3R2R4-UEEm輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)mA741的引腳排列集成運(yùn)放的電路符號(hào)空腳調(diào)零電位器輸出端實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)信號(hào)傳輸方向+UCC反相輸入端u輸出端uiuo+ u+同相輸入端調(diào)零反相同相輸入ui = u u+ui = u+ uUEE電位器 輸入或A+8765mA7411234運(yùn)放的另一種常用的電路符號(hào)運(yùn)放的等效電路模型運(yùn)放的參數(shù)1運(yùn)放的性能指標(biāo)用以下參數(shù)來(lái)表示，運(yùn)放的參數(shù)繁多。（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo；( Auo > 104 )運(yùn)放線性工作狀態(tài)下的差模電壓放大倍數(shù)（2） 開環(huán)差模輸入電阻 rid；（3） 開環(huán)輸

3、出電阻 ro；（4） 最大輸出電壓 UOM；( rid > 105 W ) ( ro < 102 W )(UOM = UCC (12 )V )運(yùn)放的參數(shù)1集成運(yùn)放的理想化模型1運(yùn)放的理想化模型是一組理想化的參數(shù)，是將實(shí)際運(yùn)放等效為理想運(yùn)放的條件。1. 開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo ®¥ 2. 開環(huán)差模輸入電阻 rid ® ¥3. 開環(huán)輸出電阻 ro ® 0補(bǔ)充知識(shí)：dB的由來(lái)運(yùn)放的參數(shù)1開環(huán)電壓增益典型uA741C的AVOL曲線運(yùn)放的參數(shù)1CMRR Common-Mode Rejection Ratio 共模抑制比典型uA741C的CM

4、RR曲線運(yùn)放的參數(shù)1MPPum Peak-to-Peak Output最大輸出電壓峰峰值供電電壓：+15V和-15V典型uA741C的MPP曲線運(yùn)放的參數(shù)1Slew Rate 擺率或壓擺率運(yùn)放的參數(shù)1Slew Rate 擺率或壓擺率運(yùn)放的參數(shù)1Slew Rate 擺率或壓擺率對(duì)于正弦信號(hào)，極限條件下，即處于擺率失真的邊緣其中SR 是運(yùn)放的壓擺率；SS 是正弦信號(hào)的起始斜率；VP 是正弦信號(hào)的峰值；fmax是未發(fā)生擺率失真情況下所能實(shí)現(xiàn)放大的最高頻率運(yùn)放的參數(shù)1帶寬在分析運(yùn)放電路時(shí)，需要考慮兩種帶寬：由運(yùn)放一階響應(yīng)決定的小信號(hào)帶寬由擺率決定的大信號(hào)帶寬或功率帶寬集成運(yùn)放的電壓傳輸特性11. 運(yùn)放

5、的電壓傳輸特性u(píng)+定義：u = f ( u )，其中 u= u uuiuo+oii uuuo非線性區(qū)oUOMUOM實(shí)際運(yùn)放理想運(yùn)放線性區(qū)Uim0uu0UimiiUOMUOM在開環(huán)條件下，運(yùn)放的線性區(qū)非常窄，Uim為mV量級(jí)。+¥+集成運(yùn)放的分析依據(jù)12. 運(yùn)放工作性區(qū)的分析依據(jù)運(yùn)放性區(qū)符合運(yùn)算關(guān)系 uo= Auo ui（1）“虛斷路”原則= uiiirid對(duì)于理想運(yùn)放有 ii » 0r®¥ id+uiuo相當(dāng)于兩輸入端斷路。（2）“虛短路”原則¥+u+ui=uou =u-uu+-oiAuou» 0對(duì)于理想運(yùn)放 A® 

6、5;，uiuo即 u+ » u相當(dāng)于兩輸入端之間短路。ii+¥+集成運(yùn)放的分析依據(jù)1RF（3） “虛地”的概念當(dāng)同相輸入端接地時(shí)，R1ii由“虛斷路”原則 i = 0，有 u=0 uu_+iiRu_ » u+ = 0uo由“虛短路”原則2u+結(jié)論：反相輸入端為“虛地”。RF注意當(dāng)反相輸入端接地時(shí)，R1ii因?yàn)榇嬖谪?fù)反饋信號(hào)，同相輸入端 不是“虛地”！u_Ruo2uiu+¥+¥+運(yùn)放工作性狀態(tài)的必要條件：運(yùn)放必須加上深度負(fù)反饋。集成運(yùn)放的分析依據(jù)13. 運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)非線性區(qū)：當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，輸出信號(hào)并不隨之變化。ui >

7、Uim 時(shí)，uo = + UOM+uiu < U時(shí)，u= UuiimoOMoUOM = UCC (12 )Vuo分析依據(jù)：“虛斷路”原則仍然成立。非線性區(qū)UOM對(duì)于理想運(yùn)放有i » 0i線性區(qū)相當(dāng)于兩輸入端 斷路。注意: “虛短路”原則不成立！Uim0uUimiUOMii¥+2運(yùn)放在模擬運(yùn)算方面的應(yīng)用比例運(yùn)算電路2ifRF1. 反相比例運(yùn)算電路加上深度負(fù)反饋i1idauiid » 0由虛斷路uR1o對(duì)a點(diǎn)列KCL方程» ii = i+ i1dffR2uii= - uo由虛地i=,1fR1RF代入方程i1= if得輸出與輸入的關(guān)系1. 輸出電壓與輸入

8、電壓反相；2. 比例系數(shù)為 RF / R1。結(jié)論:¥+uo = - RF uiR1比例運(yùn)算電路21. 反相比例運(yùn)算電路ifRFuo = - RF uii1idR1可得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)auiuoR1R2平衡電阻的概念若取R1 = RF在靜態(tài)時(shí)，從運(yùn)放的兩個(gè)輸入端向外看去所接的電阻應(yīng)相等。電路成為反相器放大倍數(shù)uo = uiAuf = 1平衡電阻R= R /R21F¥+Auf = uo = - RFuiR1比例運(yùn)算電路2例: 反相比例運(yùn)算電路如圖，設(shè):解: 由給定條件RF >> R4，可忽略RF在輸出回路RF >>R4 ，求Auf。ifRF對(duì)R4 的分流

9、作用Riid1auiuo¢ =4uo得uR1R3 + R4=i oR3u¢uR= -o RF由虛地2i1,if+R1R4uo'代入i1 = ifæö= uoRR有： AF3= -1 +çè÷ufuRR4 øi1¥+比例運(yùn)算電路22. 同相比例運(yùn)算電路由虛斷路id = 0，有u+ = uiR1RF由分壓關(guān)系 u = u =u-由虛短路 u+ = u-ofR1 + RFuf+uuRR1idu+o1u = u =得uuiifoR1 + RFR2æöRFuo =1 +故有ç&

10、#247;øu+R1èæö= uoRF=1 +閉環(huán)電壓放大倍數(shù)çè÷øAufuiR1平衡電阻R2 = R1 / RF¥+= æ 1 + RF ö uiç÷èR1 ø比例運(yùn)算電路23. 同相跟隨器由虛短路可得u+ = uuo+ui+電壓放大倍數(shù)Auf = 1具有射極輸出器的所有優(yōu)點(diǎn)同相跟隨器的特點(diǎn)1. 輸出電壓uo 與輸入電壓ui同相且相等，故稱為同相跟隨器或電壓跟隨器，而且性能更加優(yōu)良。2. 同相跟隨器的輸入電阻很高（約為運(yùn)放的開環(huán)輸入 電阻），

11、幾乎不從信號(hào)源吸取電流；3. 輸出電阻很低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。uo = ui¥RF4. 差動(dòng)比例運(yùn)算電路利用疊加原理進(jìn)行分析ui1 單獨(dú)作用時(shí)，輸出分量為R1uu+oRuo¢=F-ui1R2R1R3ui2 單獨(dú)作用時(shí)，輸出分量為在改變比例系數(shù)æRF öæRF öR3¢ ¢uo=+÷ u+=+ç1èç1è÷ui 時(shí)，將涉及電路中2+R1 øR1 øR 2R3 所有電阻參數(shù)，故和 ui2 共同作用時(shí)，輸出為 調(diào)整比較。ui1= u¢

12、+¢ =¢uuooo平衡電阻R2/R3 = R1/RFui1 ui2¥+æ1+RF öR3u- RF uçR ÷+R i2Ri1è1 øR 231反相加法運(yùn)算電路加深度負(fù)反饋, 由虛斷路id » 0對(duì)a點(diǎn)列KCL方程i1ifRFui1R1i2idaui2uoR2+ i » ii+ i = i12dff= ui1= ui2i = - uoR3由虛地i,i,12fRRR12F代入方程i1 + i2 = if得輸出與輸入的關(guān)系平衡電阻R3 = R1/ R2 / RF¥+結(jié)論：1)

13、輸出電壓與輸入電壓反相；2) 輸出電壓與輸入電壓的和成比例。u = - æ RF u+ RF uöoç Ri1Ri2 ÷è12ø例：(1) 求輸出uo1與輸入ui的關(guān)系式； (2) 求uo與ui的關(guān)系式。RF1RF2R1ui1R3¥u+A2 +uoo1R2ui2R4= - RF u解： uo1i1R1æRF2 öæRF2 öRF2RF2RF1uo = ç1 +÷ ui2uo1 = ç1 +÷ ui2-+×ui1RRRRRè&#

14、248;èø33331¥A1 +練習(xí)：求輸出與輸入之間的關(guān)系式。Rf1Rf2R11R12uo1+uiR22+uOR23R= -F1uuo1iR11æ RF2öRF2RF1= -Ruo1 - uo1= çR+ 1÷ ×Ruouièø121211¥+¥+ +練習(xí):兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路Rf1Rf2R12R11ui2R13ui1uouo1R22R23RL= Rf1uo1Rf2Rf2uuo = ui2 uo1i1R11R12R13RRf1+Rf2uf2uo = ui2i1RR12R

15、1311¥+¥+ +2小結(jié)：運(yùn)放線性應(yīng)用的分析方法反相輸入利用虛地原則，導(dǎo)出 ui、uo與電流的關(guān)系， 再代入KCL方程，導(dǎo)出 uo與 ui 的關(guān)系同相輸入利用虛斷路原則，導(dǎo)出 ui與u+的關(guān)系，uo與u-的關(guān)系再代入方程 u+= u- ，導(dǎo)出uo與ui的關(guān)系差動(dòng)輸入利用疊加原理，分別求反相輸入的輸出分量 uo'和同相輸入的輸出分量 u"o在輸出端疊加 uo= uo' + u"o1.2.3.以上分析方法不僅可用于比例運(yùn)算, 也可用于其它線性電路.例：測(cè)量放大器電路如圖，推導(dǎo) uo 與輸入的運(yùn)算關(guān)系式。解：第一級(jí)由A1和A2組成同相并聯(lián)差動(dòng)

16、運(yùn)算電路， 有很好的對(duì)稱性，第A3為減法運(yùn)算電路。RFuRui1o1R1ARPBuouA = u1 = ui1 uB = u2 = ui2由虛短路R1uuRFRo2i2RP(uo2 - uo1 )uB - uA = ui2 - ui1 =R1 + RP + R1uo = RF (uo2 - uo1 )RRæö2R()F1u=1 +u- uçè÷øoi2i1RRP¥A2 +¥+ A3+¥A1 +調(diào)整RP , 可改變電路的電壓放大倍數(shù)。電路4由于反相輸入端虛地，且i+ = i- ， 由圖可得：iR = iCC

17、iC= ui= C duC= -C duoi， iRCRdtdtuiRiR由此可得：uoRP+1uo = - RC ò ui dt+輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的成正比。若 ui 為恒定電壓 U，則輸出電壓 uo為：Uu= -toRC電壓比較器的應(yīng)用4模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC（Analog-To-Digital Conversion）運(yùn)算放大器的應(yīng)用4vOCT1T2S1vIRT 2-Avt0-VOREF+開關(guān)S1合到vI一側(cè)T1 (- vI )dt = -T11Cò固定時(shí)間固定斜率，到時(shí)結(jié)束，過(guò)零結(jié)束v=vOIRRC0開關(guān)S 接到-V一側(cè)1REFT1T11CT2 VREF dt = -T

18、1+ VREFT2òT=v= -v += 0vv2IOIIVRCRRCRC0REFT1為常數(shù)，T2與vI成正比在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，有定時(shí)通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)定斜過(guò)程和定斜過(guò)程，故稱為雙過(guò)程持續(xù)的時(shí)間T2進(jìn)行計(jì)數(shù)3放大電路中的負(fù)反饋反饋的基本概念31. 什么是反饋將放大器輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回輸入端。xi 總輸入信號(hào)xd 凈輸入信號(hào)xo 輸出信號(hào)xf 反饋信號(hào)放大電路xixdxoxf±反饋網(wǎng)絡(luò)反饋框圖x 既可以是電壓，也可以是電流。2. 開環(huán)和閉環(huán)開環(huán)：信號(hào)只有正向傳輸閉環(huán)：信號(hào)既有正向傳輸，也有反向傳輸，即存在反饋。FA反饋的基本概念33. 正反饋和負(fù)反饋正反饋負(fù)反饋xd

19、= xi + xfxd = xi xf加強(qiáng)了輸入信號(hào)削弱了輸入信號(hào)4. 負(fù)反饋放大器的一般分析xoxixdxoA =開環(huán)放大倍數(shù)xd xf±xf反饋系數(shù)F =xo閉環(huán)放大倍數(shù)的一般表達(dá)式= xoxoxo / xd A1 + AF=Afxd + xfxixd /dAF 稱為環(huán)路增益1+ AF 稱為反饋深度FA反饋放大器的一般分析34. 負(fù)反饋放大器的一般分析xixdxoA = xo開環(huán)放大倍數(shù)xd F = xfx±f反饋系數(shù)xo閉環(huán)放大倍數(shù)的一般表達(dá)式AF 稱為環(huán)路增益1+ AF 稱為反饋深度深度負(fù)反饋時(shí)的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng) 1+ AF >>1 時(shí)，（即深度負(fù)反饋）=

20、A» A »Af1 + AFAF 1F用來(lái)估算放大倍數(shù)A = xo =Afxi1 + AFFA負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響3負(fù)反饋降低了放大倍數(shù)，但也帶來(lái)放大器性能的。1.提高放大器放大倍數(shù)的穩(wěn)定性負(fù)反饋的引入穩(wěn)定了放大器的輸出信號(hào)，在輸入信 號(hào)不變的情況下，提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。通常用相對(duì)變化率 dAf和 dA 衡量放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。AfA=A中的 A求導(dǎo)：對(duì)閉環(huán)放大倍數(shù)Af1 + AFdAf1(1 + AF )21× 1 ×A1× Af=1 + AFA 1 + AF1 + AFAdA 11 + AFdAf =1× dA整理得相對(duì)變

21、化率減小為1 + AFAAf閉環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性比開環(huán)時(shí)提高了(1+ AF)倍。負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響32. 擴(kuò)展通頻帶定性解釋為： 當(dāng)輸出信號(hào)減小，放大器的幅頻特性AufAu無(wú)負(fù)反饋Au0 反饋信號(hào)也隨之減小，凈輸入信號(hào)相對(duì)增大，使放大器輸出信號(hào)0.707Au0fBW有負(fù)反饋Auf0 0.707Auf0fBWff0fHfHf的下降程度減小，放大倍數(shù)相應(yīng)提高。結(jié)論：加入負(fù)反饋使放大器的通頻帶展寬。fBWf » (1+ AF ) fBW負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響33. 減小非線性失真設(shè) ui 為正弦波，開環(huán)放大器發(fā)生非線性失真。加入負(fù)反饋以后，放大倍數(shù)下降，使輸出信號(hào)進(jìn)入非線性區(qū)的

22、部分無(wú)負(fù)反饋uiuo加入負(fù)反饋減少，從而削弱了非線性失真。失真的效果取決于失真的嚴(yán)重程度和反饋深度的大小。uiuudouiufufF結(jié)論：負(fù)反饋了波形失真。AA負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響3ii4. 負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響（1）串聯(lián)負(fù)反饋提高輸入電阻+uiAriud= udxoxfxf由 AF =x×x=xr開環(huán)ii+idodFuf得 u = AF u ，代入fd= ui = ud + uf閉環(huán)r=ifiiiiiiidif（2）并聯(lián)負(fù)反饋降低輸入電阻+uiAriur = i由 i = AF i開環(huán)fdiidF= uiui=r閉環(huán)ifi+ iiidfri< r1 + AFi(1+A

23、F) ri > ri負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響35. 負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響（1）電壓負(fù)反饋降低輸出電阻rof < ro定性解釋：電壓負(fù)反饋穩(wěn)定了輸出電壓，使放大器更趨向于恒壓源，因而輸出電阻減小。rof > ro（2）電流負(fù)反饋提高輸出電阻定性解釋：電流負(fù)反饋穩(wěn)定了輸出電流，使放大器更趨向于恒流源，因而輸出電阻增大。負(fù)反饋對(duì)放大器性能的是以降低放大倍數(shù)為代價(jià)的，可以通過(guò)增加級(jí)數(shù)提高放大倍數(shù)。4運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用電壓比較器41. 電壓比較器的概念功能將模擬輸入信號(hào)ui與某參考電壓UR 進(jìn)行比較。由高電平®低電平當(dāng)二者相等時(shí), uo 產(chǎn)生躍變由低電平®

24、高電平據(jù)此來(lái)輸入信號(hào)的大小和極性。應(yīng)用用于波形產(chǎn)生和變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換及越限等場(chǎng)合分析方法利用理想運(yùn)放的電壓傳輸特性u(píng)o= f ( ui )。運(yùn)放的工作狀態(tài)運(yùn)放大多處于開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài)電壓比較器4運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)運(yùn)放工作在非線性區(qū)的依據(jù)uo非線性區(qū)oUO(sat)+ou - u+O(sat)-U= +U0(sat)= -U0(sat)> u-< u-= u-時(shí)，u0uo當(dāng) u+u+ u+非線性區(qū)由于運(yùn)放工作在非線性區(qū)uo ¹ Auo (u+ - u- )uo發(fā)生躍變虛短不再成立虛斷依然成立所以1. u+»u2. id » 0u+r +iduidu電壓

25、比較器4反相輸入電壓比較器將運(yùn)放任一輸入端加上輸入信號(hào)。而另一輸入電壓比較器,如圖示。端加入?yún)⒖茧妷海纯蓇i為輸入電壓， UR為參考電壓R1+= +U0(sat)當(dāng) u+ > u-時(shí)，u0+ui+u+u= -Uu< uR2UR+-oo0(sat)uo當(dāng)ui >UR時(shí)， uo = Uo(sat)ui = UR時(shí)， uo 發(fā)生躍變UO(sat)uR電壓傳輸特性u(píng)oO(sat)iu <U 時(shí)， u= +UUiRoo(sat)電壓比較器4反相輸入電壓比較器當(dāng)UR=0時(shí)，即輸入電壓和零電平比較，稱為若圖中ui為正弦波，畫出uo的波形。ui過(guò)零比較器。R1+ui+uoR2touo

26、uoO(sat)UO(sat)Uui電壓傳輸特性toUO(sat)oUO(sat)+電壓比較器4反相輸入電壓比較器當(dāng)UR=2V時(shí)若圖中ui為正弦波，畫出uo的波形。uiR1+ui+2V+RuoR2tUouoO(sat)uoUUO(sat)電壓傳輸特性toUO(sat)uioUO(sat)2V+電壓比較器反相輸入電壓比較器4當(dāng)UR= 2V時(shí)若圖中ui為正弦波，畫出uo的波形。uR1+uii+RRu2otUo-2VuouoUO(sat)電壓傳輸特性UO(sat)toUO(sat)uio 2VUO(sat)+電壓比較器4反相輸入電壓比較器在輸出端與地之間接一個(gè)雙向穩(wěn)壓管 ，即可把輸出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的電平匹配。電壓傳輸特性u(píng)oR1+uiRUO(sat)+UZuR2DoZuioUZUO(sat)限幅電壓比較器雙向穩(wěn)壓管DZ和限流電阻R+雙向穩(wěn)壓管DZ+UZ-+DZ-+UZUZ-+-UD-穩(wěn)定電壓 ±(UZ+UD)±UZ電壓比較器4uIV20-2同相輸入電壓比較器tT2T+R1R-+uO±UZuIu0V60R2VDZt tuo-6UO(sat)UZuioUZUO(sat)電壓傳輸特性電壓比較器43. 電壓比較器的分析方法（1） 輸出電壓躍變的條件滿足u