電工學(xué)講義10-集成運(yùn)算放大器

1、輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)輸出端輸出端輸入端輸入端？1 電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱（在理想的情況下，兩管的特性及對(duì)電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱（在理想的情況下，兩管的特性及對(duì)應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。）應(yīng)電阻元件的參數(shù)值都相等。）2 電路具有兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出端。電路具有兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出端。 +UCCuoui1RC1RB4T1RB2RC2ui2RB3RB1+T2uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0靜態(tài)時(shí)，靜態(tài)時(shí)，ui1 = ui2 = 0當(dāng)溫度升高時(shí)當(dāng)溫度升高時(shí): ICVC +UCCuoui1RCRB4T1RB2RCui2RB3RB1+T2 uo ?（

2、 VC1 = VC2 ）+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2共模信號(hào)共模信號(hào) 需要抑制需要抑制+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信號(hào)差模信號(hào) 是有用信號(hào)是有用信號(hào) / = 例例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動(dòng)控制系統(tǒng)這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是常見的。中是常見的。 （Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK Uccui1ui2UE

3、ERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-ui1ui2uo1uo2ui1uo1uo2ui1uo1ui1ui2uo1輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)+UCCUEEuu+輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí) 輸出級(jí)輸出級(jí)同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端 輸入級(jí)：輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，采用帶恒流源的差放信號(hào)，采用帶恒流源的差放 。 中間級(jí)：中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。大電路構(gòu)成。 輸出級(jí)：輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能與負(fù)載相接，要求輸

4、出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由射極輸出器構(gòu)成。力強(qiáng)，一般由射極輸出器構(gòu)成。反向輸入端反向輸入端同相輸入端同相輸入端運(yùn)運(yùn)放放輸出端輸出端A0u-u+uo反相輸入端反相輸入端ui同相輸入端同相輸入端uiuouo1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能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 運(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。運(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范

5、圍 UICM 運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運(yùn)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 IIBu-u+uo理想運(yùn)放圖形符號(hào)理想運(yùn)放圖形符號(hào)根據(jù)根據(jù)Auo=uo/(u+u) , 所以所以(u+u) 0，兩個(gè)輸入端之間近似無電位差，即兩個(gè)輸入端之間近似無電位差，即 u+=u理想運(yùn)放輸入電阻無窮大，所以輸入端的理想運(yùn)放輸入電阻無窮大，所以輸入端的電流為電流為0, 即：即： i+= i-=0u-u+

6、uoi-i+u-u+uoi-i+uouiR1Rfu+u-i-ifi1i+-R2uiR1R2Rfu+u-i-ifi1i+-uo1i1Ruui FofRuui u=u+= 0 (特征特征1 )，i+= i = 0 (特征特征2)， i1FouRRu 1FiofRRuuAu 所以所以 i1 if 1FiofRRuuAu uiR1R2Rfu+u-i-ifi1i+-uoi1FouRRu uoRFuiR2R1+ 反饋電路直接從輸反饋電路直接從輸出端引出出端引出電壓反饋電壓反饋輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在同一輸入端同一輸入端并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋反饋信號(hào)使凈輸入反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小信號(hào)減小負(fù)反

7、饋負(fù)反饋1o1FRuuRR又：因因 : i+= i-= 0 (特征特征2) ，所以所以 : u+ = ui= u- (特征特征1) i1Fo)1(uRRu （1）電路組成）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)1Fiof1RRuuAu 反相輸入端不反相輸入端不“虛地虛地” 因要求靜態(tài)時(shí)因要求靜態(tài)時(shí)u+、u 對(duì)地對(duì)地電阻相同，所以電阻相同，所以平衡電阻平衡電阻: R2=R1/RFuouiu+u-ifi1R1R2Rf+-輸出電壓與輸入電壓同相，放輸出電壓與輸入電壓同相，放大倍數(shù)取決于外接電阻大倍數(shù)取決于外接電阻Rf , R1 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加兩個(gè)輸入端加兩個(gè)輸入端串

8、聯(lián)反饋串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸反饋電路直接從輸出端引出出端引出電壓反饋電壓反饋 i1Fo)1(uRRu 反饋信號(hào)使凈輸入反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小信號(hào)減小負(fù)反饋負(fù)反饋uoRFuiR2R1+ rif= ui / ii = ui / 0 = rof 0 （電壓負(fù)反饋）（電壓負(fù)反饋）若若R1開路開路 (R1= ) ，Rf =R2 =0電壓跟隨器電壓跟隨器uiu+u-ifi1R1R2Rf+-uouiuo1Fiof1RRuuAu f1uA由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器比三極管射極輸出器質(zhì)由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器比三極管射極輸出器質(zhì)量?jī)?yōu)越，幾乎不向前級(jí)電路取電流，而向后級(jí)供電流時(shí)，量?jī)?yōu)越，幾乎不向前級(jí)電路取電

9、流，而向后級(jí)供電流時(shí)，幾乎不存在內(nèi)阻。常用作隔離器幾乎不存在內(nèi)阻。常用作隔離器uiuof1uA uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 11LRuii 1xGRUI 1iRu 同相端和反相端同相端和反相端同時(shí)有輸入信號(hào)同時(shí)有輸入信號(hào)運(yùn)用疊加原理：運(yùn)用疊加原理：1i1F ouRRu uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui11i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR oo ouuu 常用做測(cè)量常用做測(cè)量放大電路放大電路 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 則：則： 如如 R1 =

10、R2 = R3 = RF 1i2iouuu 則：則：輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui12i3 23uRRRu 1i1F2i3231Fo)1 (uRRuRRRRRu1F11io1i RRRuuu 1R1i uuu uu因?yàn)橐驗(yàn)閡oui2u+u-ifR1R2RfR3ui1已知已知ud為差模信號(hào)，為差模信號(hào)，uc為共模信號(hào)，為共模信號(hào)，R1=R2=R3，問當(dāng)，問當(dāng)Rf為何值，輸出電壓為何值，輸出電壓uo不含共模信號(hào)？不含共模信號(hào)？解：解：運(yùn)用疊加原理運(yùn)用疊加原理設(shè)設(shè)ud單獨(dú)作用（單獨(dú)作用（uc=0),為反相輸入方式：為反相輸入

11、方式：uod= (Rf /R1 ) ud設(shè)設(shè)uc單獨(dú)作用（單獨(dú)作用（ud=0), 則則：uo=uod+uoc欲使其不含共模成分，則：欲使其不含共模成分，則：(1+Rf /R1) R3/ (R2+R3)=(Rf /R1)又：又：R1=R2=R3Rf=R1uoucu+u-ifR1R2RfR3ud+-+-3FF 1231(1)occcRRRuuuRRRR因因虛短虛短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故得故得 平衡電阻：平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虛斷虛斷，i

12、 = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if )(2i2iF1i1iFouRRuRRuu+=u=0,i1=ui1 / R1i2=ui2 / R2i3=ui3 / R3i+=i=0if=i1+ i2+ i3=(0-uo )/Rf當(dāng)當(dāng) R1=R2=R3=Ruoui2ui1RfifR1R2R3R4ui3i1i2i3i3i1i2oFi1i2i3 ()uuuuRRRR Fo123 ()iiiRuuuuR 1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)單獨(dú)作用時(shí) 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2

13、i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+iR1iR2iR1=iR2)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+i1i2oFi1i2 ()uuuRRR uoui2u+u-ifR1R2RfR3ui11i1F2i3231

14、Fo)1 (uRRuRRRRRu 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 則：則： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 則：則：輸出電壓輸出電壓uo正比于輸入電壓的對(duì)時(shí)間的積分。正比于輸入電壓的對(duì)時(shí)間的積分。R1C為積分時(shí)間常數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，R1C越小，積分作用越強(qiáng)越小，積分作用越強(qiáng)uouiR1R2ifi1i+-Cuc+- 由由i+ = i-=0， u+ = u-=0得：得： i1 = ifi1ddCuuCRtodduCtddCfuiCt1i1Rui if =?oi11duu tRC t 0, ui= UtuiiU0t0uoCR

15、Utuo1uiR1R2ifi1i+-Cuc+-oi11duu tRC 線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間積分飽和積分飽和uO = UOM將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成uoCFuiR2R1+ RFifi1電路的輸出電壓電路的輸出電壓 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分積分 這種運(yùn)算器又稱這種運(yùn)算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器, 常用于控制系統(tǒng)中常用于控制系統(tǒng)中, 以以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變

16、 RF 和和 CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的以滿足控制系統(tǒng)的要求。要求。輸出電壓輸出電壓uo與輸入電壓是微分關(guān)系。與輸入電壓是微分關(guān)系。RfC為微分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)，RfC越大，微分作用越強(qiáng)越大，微分作用越強(qiáng)uouiRRfifi1i+-+-Cuc+- 由由i+ = i-=0， u+ = u-=0得：得： i1 = ifo1fuiR oi1dddduuiCCtttuCRuddi1Fo t=0時(shí)：瞬間充電電流時(shí)：瞬間充電電流i1= Cdui /dt 和和uo= RfC (dui /dt)趨于趨于 ， 但由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，只能是有效值。

17、但由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，只能是有效值。t 0時(shí)：時(shí)：ui為恒定值為恒定值 uo 0，RfC越大，衰減越慢越大，衰減越慢尖脈沖尖脈沖uo0tt 0, ui= UtuiiU0tuCRuddi1Fo uiRRfifi1i+-+-Cuc+-上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分微分 控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+ R

18、1ifiRiC 電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號(hào)的判斷輸入信號(hào)的 大小和極性。大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合 。 uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)OUR為參考電壓：為參考電壓：電壓比較器可用來判斷輸入信號(hào)的

19、相對(duì)大小，用于控電壓比較器可用來判斷輸入信號(hào)的相對(duì)大小，用于控制電路或波形變換制電路或波形變換iuRRRUouuo01mUui2mURUuiUR : 放大器處于負(fù)飽和狀態(tài)放大器處于負(fù)飽和狀態(tài) uo= Um2 例例10-5：若輸入電壓：若輸入電壓ui=UmSin t, 且且URUm,畫畫uo波形。波形。0t1mUuo2mU0tuiRUiuRRRU0u當(dāng)放大器處于正飽和狀態(tài)當(dāng)放大器處于正飽和狀態(tài): uo=+Um1iuR0uRfR2uf+-22122mRHfoffRRuuuUURRRRURH 稱為上閾值稱為上閾值門限電壓受輸門限電壓受輸出電壓的控制出電壓的控制當(dāng)放大器處于負(fù)飽和狀態(tài)當(dāng)放大器處于負(fù)飽和

20、狀態(tài): uo=-Um222222fomRLffRRuuuUURRRR URL 稱為下閾值稱為下閾值uiuoO Um2+Um1RLU電壓傳輸特性電壓傳輸特性RHUuitOuoOt+Um1Um2RHURLU兩次跳變之間具有遲兩次跳變之間具有遲滯特性滯特性滯回比較器滯回比較器RFR2uoui+ R1+例例10-6：若輸入電壓：若輸入電壓ui=UmSin t, 且且URHUim, |URL|Uim|,畫畫uo波形。波形。0t1mUuo2mUui0tRHURLUiuRR0uRfR2uf+-END引起漂移的原因很多，以溫度影響最嚴(yán)重。當(dāng)采用直接引起漂移的原因很多，以溫度影響最嚴(yán)重。當(dāng)采用直接耦合時(shí)，第一級(jí)

21、漂移被逐級(jí)放大，影響整個(gè)電路工作。耦合時(shí)，第一級(jí)漂移被逐級(jí)放大，影響整個(gè)電路工作。因此抑制漂移，應(yīng)重點(diǎn)著手于第一級(jí)電路，其最有效的因此抑制漂移，應(yīng)重點(diǎn)著手于第一級(jí)電路，其最有效的手段是在輸入級(jí)采用手段是在輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。差動(dòng)放大電路。Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個(gè)管子的漂移。穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個(gè)管子的漂移。EE：用于補(bǔ)償：用于補(bǔ)償RE上的壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。上的壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。兩個(gè)輸入端兩個(gè)輸入端ui1、ui2經(jīng)經(jīng)RB1、RB2接至接至T1

22、T2基極；輸出電壓基極；輸出電壓uo從兩從兩管集電極取出；管集電極取出；RP：調(diào)零電阻。由于制造工藝上的問題，調(diào)零電阻。由于制造工藝上的問題，T1、T2不能完全不能完全 對(duì)稱，調(diào)節(jié)對(duì)稱，調(diào)節(jié)RP使放大電路在輸入為使放大電路在輸入為0時(shí)，輸出為時(shí)，輸出為0。RE ：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。UEE ：補(bǔ)償補(bǔ)償RE上的上的 電壓降，擴(kuò)大電壓降，擴(kuò)大 放大器動(dòng)態(tài)工作范圍。放大器動(dòng)態(tài)工作范圍。電路特點(diǎn)電路特點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱RC1=RC2，RB1=RB2，T1 T2型號(hào)特性相同型號(hào)特性相同Uccui1ui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-工作原理工作原

23、理由于兩管對(duì)稱由于兩管對(duì)稱Uc1=Uc2Uo=Uc1 - Uc2=0當(dāng)溫度變化引起當(dāng)溫度變化引起IC1、 IC2時(shí)，由于電路對(duì)稱時(shí)，由于電路對(duì)稱輸出電壓變化量輸出電壓變化量U =UC1UC2=0IC1= IC2， UC1= UC2零點(diǎn)漂移被抑制了零點(diǎn)漂移被抑制了靜態(tài)分析（靜態(tài)分析（ui1=ui2=0）ui1Uccui2UEERET1T2RPRB1RB2RC1RC2uo+-+-動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析對(duì)差動(dòng)放大信號(hào)，輸入信號(hào)有三種：對(duì)差動(dòng)放大信號(hào)，輸入信號(hào)有三種：1）共模信號(hào)）共模信號(hào):兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小相同，極性相同兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小相同，極性相同即：即：ui1=ui2一般噪聲、干擾、溫度等無用信

24、號(hào)為共模信號(hào)一般噪聲、干擾、溫度等無用信號(hào)為共模信號(hào)2）差模信號(hào)）差模信號(hào):兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小相同，極性相反兩個(gè)輸入信號(hào)電壓大小相同，極性相反即：即：ui1= ui2一般待放大的有用信號(hào)接為差模信號(hào)一般待放大的有用信號(hào)接為差模信號(hào)3）任意信號(hào)：兩個(gè)輸入信號(hào)電壓、極性任意，一般）任意信號(hào)：兩個(gè)輸入信號(hào)電壓、極性任意，一般 可將其分解為差模分量和共模分量可將其分解為差模分量和共模分量共模分量：等于兩個(gè)輸入分量的平均值共模分量：等于兩個(gè)輸入分量的平均值差模分量：等于兩個(gè)輸入分量差值的一半差模分量：等于兩個(gè)輸入分量差值的一半uo=(ui1+ui2)/2ud=(ui1ui2)/21）共模信號(hào)）共模信號(hào)

25、: ui1=ui2當(dāng)每個(gè)管子有相同信號(hào)加入，集電極電流相同變化，當(dāng)每個(gè)管子有相同信號(hào)加入，集電極電流相同變化，每管輸出電壓也相同變化，輸出電壓為每管輸出電壓也相同變化，輸出電壓為0。差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)，放大倍數(shù)為差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)，放大倍數(shù)為0，無放大作用，無放大作用Auc=uo/(ui1- ui2)=0差動(dòng)放大電路對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用，實(shí)質(zhì)為差動(dòng)放大差動(dòng)放大電路對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制作用，實(shí)質(zhì)為差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制。電路對(duì)共模信號(hào)的抑制。動(dòng)態(tài)分析動(dòng)態(tài)分析2）差模信號(hào)：）差模信號(hào)：ui1= ui2當(dāng)每個(gè)管子有相反信號(hào)加入，集電極電流相反變化，當(dāng)每個(gè)管子有相反信號(hào)加入，集電極電流相反變化，每管輸出電壓也相反變化，輸出電壓為每管輸出電壓也相反變化，輸出電壓為: 差動(dòng)放大電