第16章集成運算放大器

1、第第16章：章：集成運算放大器集成運算放大器16.1 集成運算放大器的簡單介紹16.2 運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用16.3 運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用16.4 運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用16.5 使用運放應(yīng)注意的幾個問題分立電路與集成電路分立電路：由各種單個元件聯(lián)接成的電子電路；集成電路：把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體；特點：體積小、重量輕、功耗低，電路的焊點大大減少，可靠性高、成本低；規(guī)模：又稱集成度，有小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、大規(guī)模（LSI）、超大規(guī)模（VLSI）；根據(jù)導(dǎo)電類型分類：雙極型、單極型（場效應(yīng)管）

2、或兩者兼容型的；根據(jù)功能分類：數(shù)字集成電路、模擬集成電路；模擬集成電路：集成運算放大器、集成功率電路、集成穩(wěn)壓電源，模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（有將此類電路稱為混合集成電路）；十二、1/2716.1 集成運算放大器的簡單介紹運算放大器：簡稱運放；運算放大器：具有高放大倍數(shù)并帶有深度負反饋的多級直接耦合放大電路；功用：可完成加減、乘除、積分微分等運算；隨著集成度的提高與功能的完善，運算放大器在信號運算、信號處理、信號測量、波形產(chǎn)生等方面有著廣泛應(yīng)用。十二、2/2716.1.1 集成運算放大器的特點一、集成電路工藝難以制造電感與電容，運放各級放大電路之間采用直接耦合方式，而需要電感與電容的場合通常采用外接

3、的方法；二、運放的輸入級采用差動放大電路，在同一個硅片上容易獲得特性相近的差動對管，因此也容易制成溫漂很小的差動放大器；三、集成電路中電阻合適的阻值在100 30k，但在運放中往往用晶體管恒流源代替電阻 ；四、集成電路中的二極管都采用晶體管構(gòu)成，把發(fā)射極、基極、集電極適當(dāng)組配來使用。十二、3/2716.1.2 電路的簡單說明集成運放：由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路組成，如圖：輸入級：要求輸入阻抗高、零點漂移小及能抑制干擾信號，是放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分，由差動放大電路構(gòu)成，有同相輸入與反相輸入兩個輸入端；中間級：電壓放大作用，要求放大倍數(shù)高，通常由共射放大電路構(gòu)成；輸出級：要求輸出電阻低、帶載

4、能力強、能輸出足夠大的電壓與電流，一般由互補對稱的電路或射極輸出器構(gòu)成；偏置電路：為上述各級電路提供穩(wěn)定與合適的偏置電流（靜態(tài)工作點），通常由各種恒流源電路構(gòu)成。輸入級偏置電路中間級輸出級輸入端輸出端十二、4/27運放的外形、管腳與符號外形：插腳、貼片；管腳：電源腳、同相輸入端、反相輸入端、輸出端、調(diào)零端；電源電壓：一般在15V范圍內(nèi)；符號（業(yè)界常用），如圖：B+VCCA+VCC-VCCC十二、5/2716.1.3 主要參數(shù)最大輸出電壓UOPP：輸出不失真時的最大輸出電壓；開環(huán)電壓放大倍數(shù)AuO：沒有外接反饋電路時的電壓差模放大倍數(shù)，通常在104107；輸入失調(diào)電壓UIO：使實際運放輸出為零而

5、在輸入端所加的補償電壓，一般為幾毫伏；輸入失調(diào)電流IIO：輸入信號為零時兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差，一般在幾十納安；輸入偏置電流IIB：輸入信號為零時兩個輸入端靜態(tài)基極電流之平均值，一般在幾百納安；共模輸入電壓范圍UICM：在規(guī)定共模抑制電壓范圍或正常工作而不至于損壞器件下的最大共模電壓。其它參數(shù)：差模輸入輸出電阻、溫漂、共模抑制比、靜態(tài)功耗，業(yè)已介紹過。十二、6/2716.1.4 理想運算放大器及其分析依據(jù)理想運算放大器：開環(huán)放大倍數(shù)：Au0 ；差模輸入電阻：rid ；開環(huán)輸出電阻：ro 0；共模抑制比：KCMRR 。傳輸特性：輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系特性曲線，其中有線性區(qū)與飽和區(qū)。u+

6、-u-u0十二、7/27運放的重要關(guān)系式與重要概念學(xué)會：用高等數(shù)學(xué)中極限的概念來思考問題線性區(qū)：u0 = Au0 ( u+ - u- )；由于rid ，則輸入電流近似為零i10、i2 0，此稱為“虛斷”；由于Au0 ，則輸入電壓近似為零u+ - u- 0，即u+ u- ，此稱為“虛短”；當(dāng)正輸入端接地，即u+ =0 時，u- 0，此稱為“虛地”。虛斷與虛短： 電流為零，電壓相等；飽和區(qū)：輸入電流近似為零i10、i2 0 u0 = sign(u+ - u- )*UO(sat) 十二、8/27例一運放電源為15V，開環(huán)放大倍數(shù)Au0=2105，最大輸出電壓Uo(sat)為13V，輸入電壓如下，求輸

7、出電壓及其極性；1、u+ = +15uV，u- = -10uV；2、u+ = -5uV，u- = +10uV；3、u+ = 0V，u- = +5mV； 4、u+ = 5mV，u- = 0V。 十二、9/2716.2 運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用運算放大器在信號運算方面功能：比例運算：輸入信號乘以常數(shù)；加減運算：雙輸入或多輸入信號加減；積分運算：輸入信號積分；微分運算：輸入信號微分；對數(shù)與反對數(shù)運算；乘法與除法運算。十二、10/2716.2.1 比例運算比例運算有反相輸入與同相輸入兩種情況反相輸入：輸入信號接反相輸入端，輸出信號與輸入信號極性相反；同相輸入：輸入信號接同相輸入端，輸出信號與輸入

8、信號極性相同。十二、11/27反相輸入反相輸入比例運算電路如圖：在線性工作區(qū)有：1iifAR2R1RFi1ifuiuo11iRuuifFiRuu00uuiFuRRu1010RRuuAFiuf當(dāng)RF=R1時，Auf = -1，u0 = -ui，則稱之為反相器。十二、12/27平衡電阻、輸入電阻與輸出電阻同相輸入端電阻R2稱為直流平衡電阻；平衡電阻對電路放大倍數(shù)沒有影響，但會影響內(nèi)部差分電路靜態(tài)工作點的對稱性，會影響運放的共模抑制比；要求：同相輸入端與反相輸入端對地直流電阻相等。AR2R1RFi1ifuiuoFRRR|121Riuriii十二、12/270oooiur例二如圖，分別計算開關(guān)S通與斷

9、時的電壓放大倍數(shù)Auf。提示： S通時，由于電阻值相等，故if=i1=i2=i1/2。AR21ki1ifuo1ki1uiS1k10ki2十二、13/27同相輸入同相輸入比例運算電路如圖：在線性工作區(qū)有：1iif110iRu fFoiRuuiuuuiFuRRu101101RRuuAFiuf當(dāng)RF=0或R1 =時，Auf=1，u0=ui，則稱之為電壓跟隨器。AR2R1RFi1ifuiuo十二、14/27平衡電阻、輸入電阻與輸出電阻同相輸入端電阻R2稱為直流平衡電阻；要求：同相輸入端與反相輸入端對地直流電阻相等。FRRR|12iiiiur十二、12/270oooiurAR2R1RFi1ifuiuo例

10、三如圖，計算輸出電壓uo。Auo15k+15V10k15k十二、15/27例四如圖，運算單元均為電壓跟隨器，求輸出電壓uo。AR2uoui1ui2R1R3R4十二、16/2716.2.2 加法運算加法運算電路如圖：21iiif1111iRuuifFiRuu00uu2121120iFiFuRRuRRu當(dāng)R11=R12=R1時：AR2R11RFi1ifui1uoR12i2ui22122iRuui2110iiFuuRRu十二、17/27平衡電阻、輸入電阻與輸出電阻FRRRR|1211211111Riuriii十二、12/270oooiurAR2R11RFi1ifui1uoR12i2ui212222R

11、iuriii例五、P103輸入輸出關(guān)系為：uo = -(4ui1 +2ui2 +0.5ui3)；RF=100k ，求各輸入電阻與平衡電阻。411RRFFRRRRR/1312112212RRF5 . 013RRF十二、18/2716.2.3 減法運算減法運算電路如圖：1iif111iRuuifFiRuu0112200101iFiFuRRuRRRRRu當(dāng)R1=R2、RF=R0時：再當(dāng) RF=R1 時：AR0R1RFi1ifui1uoR2ui21210iiFuuRRu2200iuRRRuu120iiuuu十二、19/27平衡電阻、輸入電阻與輸出電阻FRRRR|120|1111Riuriii十二、12

12、/270oooiur20222RRiuriiiAR0R1RFi1ifui1uoR2ui2例六、P104減法電路中，ui1 = uic - uid ，ui2 = uic + uid ；R1=R2=R0，求RF為多少時uo不含共模分量。0RRF112200101iFiFuRRuRRRRRuidFFicFFodocuRRRRRRRuRRRRRRRuuu12001120010110112001RRRRRRRFFidiiuuuu2120十二、20/27例七如圖，求輸出電壓uo。112101iFiFuRRuRRuAR1RFuoR2ui2ui1十二、21/2716.2.4 積分運算積分運算電路如圖：dtdu

13、CiiCFf111iRuuiCuuu0dtuCRuiF1010uuAR0R1CFi1ifuiuo十二、22/2710RR 積分電路輸入輸出波形uituot-Uo(sat)uituot十二、23/27例八如圖，求輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系式。AR0R1CFi1ifuiuoRFdtduCiiCFf111iRuuiRCuuuu0dtuCRuRRuiFiF11010uu十二、24/27例八如圖，求輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系式。采用疊加原理求解AR0R1CFi1ifuiuoRFdtuCRuiFCF101iFRFuRRu10dtuCRuRRuuuiFiFCFRF110001十二、24/27AR

14、0R1CFi1ifuiuoRF16.2.5 微分運算微分運算電路如圖：dtduCiiCf11CiuuufFiRuu0dtduCRuiF100uuAR0C1RFi1ifuiuo十二、25/27FRR 0微分運算的問題微分運算對階躍信號與噪聲信號非常敏感，實際常用慣性微分電路。AR0C1RFi1ifuiuoR1十二、26/27FRR 0例九如圖，求輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系式。dtduCRuiiiCRCRf11CRiuuuufFiRuu0dtduCRuRRuiFiFo110uuAR0R1C1iRifuiuoRFiC十二、27/27例九如圖，求輸出電壓uo與輸入電壓ui的關(guān)系式。采用疊加原理求

15、解iFouRRu11十二、27/27AR0R1C1iRifuiuoRFiCuidtduCRuiFo12dtduCRuRRuuuiFiFooo1121課后練習(xí)16.2.8、 16.2.10、16.2.1116.2.13、16.2.16、16.2.1716.2.19、16.2.22、16.2.2416.3 運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用運算放大器在信號處理方面功能：信號濾波：濾去雜波，留下有用的信號；信號采樣保持：采用保持用于模數(shù)轉(zhuǎn)換；信號比較：輸出電壓大小比較結(jié)果。十三、1/2416.3.1 有源濾波器濾波器：選頻電路，有用的信號可以通過，無用的信號被衰減；按頻率特性分類：低通濾波器、高通濾波器

16、、帶通濾波器、帶阻濾波器；按構(gòu)成電路分類：有源濾波器、無源濾波器；無源濾波器：阻容等無源器件構(gòu)成的濾波器；有源濾波器：運放等有源器件構(gòu)成的濾波器；有源濾波器特點：體積小、效率高、頻率特性好 。十三、2/24無源濾波器低通濾波器高通濾波器十三、1/24uiuoRCRCuiuo有源低通濾波器有源濾波器電路與特性曲線如圖：AR1RFuiuoRC)(jT00ufA20ufA十三、3/24有源低通濾波器特性關(guān)系RCjUUCjRCjUUUiiC111iFFoUjRRURRU011111RC10其中截止角頻率：001)(jAjTuf傳遞函數(shù)：2001)(ufAjT0arctan)(00)(ufAjT2)(0

17、0ufAjT0)(jT十三、4/241010RRAFuf 時的放大倍數(shù)：二階有源低通濾波器二階有源濾波器電路與特性曲線如圖：AR1RFuiuoRCRC)(jT0十三、5/24另一種有源低通濾波器001jAjTuf另一種常用有源低通濾波器（慣性積分）電路如圖：AR0R1CFi1ifuiuoRFFFFCjRRRjT1/1FFCR10十三、6/24有源高通濾波器有源濾波器電路與特性曲線如圖：ARCRFuiuoR1)(jT00ufA20ufA十三、7/24有源高通濾波器特性關(guān)系RCjUUCjRRUUii111iFFoUjRRURRU011111RC10其中截止角頻率：001)(jAjTuf傳遞函數(shù)：2

18、001)(ufAjT0arctan)(0)(ufAjT2)(00ufAjT0)(0jT十三、8/24101RRAFuf時的放大倍數(shù)：另一種有源高通濾波器001)(jAjTuf1101CRAR0C1RFi1ifuiuoR1另一種常用有源高通濾波器（慣性微分）電路如圖：1111/CRjRRjTF十三、9/2416.3.2 采樣保持電路采樣保持電路與工作波形如圖：uouiRSC控制信號ui,uot十三、10/2416.3.3 電壓比較器電壓比較器與傳輸特性如圖：AR1uRuoR2uiuiuoUR+Uo(sat)-Uo(sat)十三、11/24過零電壓比較器過零比較器與傳輸特性如圖：uiuo+Uo(s

19、at)-Uo(sat)AR1uoR2ui十三、12/24例十如圖，輸入電壓為正弦波，畫出各輸出電壓波形。AR1uoR2uiRCRLuo1uo2十三、13/24帶限幅的過零電壓比較器帶限幅的過零比較器與傳輸特性如圖：uiuo+UZ-UZAR1uoR2ui十三、14/24滯回（環(huán)）電壓比較器滯回（環(huán)）電壓比較器與傳輸特性如圖：ARFuiuoR1R2uiuo+Uo(sat)-Uo(sat)十三、15/24例十一如圖，運放最大輸出電壓UOPP=12V，穩(wěn)壓管UZ=6V，正向壓降UD=0.7V，輸入電壓ui=12sinwt，參考電壓UR=+3V、-3V兩種情況，畫出傳輸特性與輸出電壓波形。AR1uoR2uiR3UR十三、16/24例十一解傳輸特性：正端為參考端，負端為信號端，則曲線為二四象限；負端為參考端，正端為信號端，則