集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

1、第第7 7章章 目錄目錄第第7 7章章 7 7 1 1集成運(yùn)算放大器組成集成運(yùn)算放大器組成集成運(yùn)算放大器特性集成運(yùn)算放大器特性集成運(yùn)算放大器反饋問(wèn)題集成運(yùn)算放大器反饋問(wèn)題集成運(yùn)算放大器應(yīng)用集成運(yùn)算放大器應(yīng)用1. 元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；2. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；3. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替， 電位器需外接；電位器需外接；4. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感 和變壓器均需外接。和變壓器

2、均需外接。第第7 7章章 7 7 1 1集成運(yùn)放是集成運(yùn)放是電壓放大倍數(shù)很高電壓放大倍數(shù)很高的的直接耦合直接耦合多級(jí)放大器多級(jí)放大器。 1. 集成運(yùn)放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖集成運(yùn)放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖輸入級(jí)輸入級(jí) 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器輸出級(jí)輸出級(jí) 射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器中間級(jí)中間級(jí) 電壓放大器電壓放大器偏置電路偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成第第7 7章章 7 7 1 1uiuou+u2. 集成運(yùn)算放大器的符號(hào)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端A信號(hào)傳信號(hào)傳輸方向輸方向第第7 7章章 7 7 1 1理想

3、理想運(yùn)放開環(huán)運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)實(shí)際實(shí)際運(yùn)放開環(huán)運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)負(fù)反饋穩(wěn)定放大器增益的原理是因?yàn)樨?fù)反饋負(fù)反饋穩(wěn)定放大器增益的原理是因?yàn)樨?fù)反饋有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。工作環(huán)境變化有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。工作環(huán)境變化(如溫度、如溫度、濕度濕度)、器件更換或老化、電源電壓不穩(wěn)等、器件更換或老化、電源電壓不穩(wěn)等諸因素會(huì)導(dǎo)致基本放大器的放大倍數(shù)不穩(wěn)定諸因素會(huì)導(dǎo)致基本放大器的放大倍數(shù)不穩(wěn)定。第第7 7章章 7 7 2 2正反饋正反饋xd = xi + xf負(fù)反饋負(fù)反饋xd = xi xfA= xo / xdF= xf / xoAf = = xo xiA 1+ AFAFxoxixdxf 閉環(huán)放大

4、倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xi 總輸入信號(hào)總輸入信號(hào)xd 凈輸入信號(hào)凈輸入信號(hào)xf 反饋信號(hào)反饋信號(hào)開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)反饋系數(shù)xo 輸出信號(hào)輸出信號(hào)第第7 7章章 7 7 2 2正反饋：正反饋：反饋信號(hào)增強(qiáng)輸入信號(hào)。反饋信號(hào)增強(qiáng)輸入信號(hào)。負(fù)反饋：負(fù)反饋：反饋信號(hào)削弱輸入信號(hào)。反饋信號(hào)削弱輸入信號(hào)。電壓反饋：電壓反饋：反饋信號(hào)反饋信號(hào)xf取自輸出電壓取自輸出電壓uo，xf與與uo成正比。成正比。電流反饋：電流反饋：反饋信號(hào)反饋信號(hào)xf取自輸出電流取自輸出電流io，xf與與io成正比。成正比。串聯(lián)反饋：串聯(lián)反饋：反饋信號(hào)和輸入信號(hào)以串聯(lián)方式作用在基本放大電路的反饋信號(hào)和輸入信號(hào)以串聯(lián)方式作用在

5、基本放大電路的 凈輸入端凈輸入端。并聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：反饋信號(hào)和輸入信號(hào)以并聯(lián)方式作用在基本放大電路的反饋信號(hào)和輸入信號(hào)以并聯(lián)方式作用在基本放大電路的凈輸入端凈輸入端。第第7 7章章 7 7 2 2FAuiudufuoRLAFxoxixdxf在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相并聯(lián)相并聯(lián), , xf與與uo成正比，為電壓反饋；成正比，為電壓反饋；信號(hào)信號(hào) x均以電壓均以電壓 u 的形式出現(xiàn)的形式出現(xiàn)在放大器輸入端在放大器輸入端, ,信號(hào)以電壓出現(xiàn)信號(hào)以電壓出現(xiàn), ,uf與與ud相串聯(lián)相串聯(lián), ,為串聯(lián)反饋；為串聯(lián)反饋；ud= ui uf ui，為負(fù)反饋。，為負(fù)反饋。凈輸入電壓凈輸入電壓第

6、第7 7章章 7 7 2 2FA框圖框圖例圖例圖同相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算RLuiudufuoR2uiu oRLRFR1第第7 7章章 7 7 2 2uoidiiifRLAF在放大器輸入端在放大器輸入端, , 信號(hào)以電流出現(xiàn)信號(hào)以電流出現(xiàn), , if與與id相并聯(lián)相并聯(lián), ,為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋；id = ii if ii ，為負(fù)反饋。，為負(fù)反饋。凈輸入電流凈輸入電流xoxixdxf在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相并聯(lián)相并聯(lián), , xf與與uo成正比成正比, , 為電壓反饋；為電壓反饋；第第7 7章章 7 7 2 2AF框圖框圖例圖例圖反相比例運(yùn)算反相比例運(yùn)算RLuoidiiifui

7、uoRFRLR2R1第第7 7章章 7 7 2 2AFRLioAFud= ui uf ui ，為負(fù)反饋。為負(fù)反饋。凈輸入電凈輸入電壓壓, ,在放大器輸入端在放大器輸入端, ,信號(hào)以電壓出現(xiàn)信號(hào)以電壓出現(xiàn), ,uf與與ud相串聯(lián)相串聯(lián), ,為串聯(lián)反饋；為串聯(lián)反饋；在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相串聯(lián)，相串聯(lián)， xf與與 io成正比，為電流反饋；成正比，為電流反饋；xoxixdxfuiudufuo第第7 7章章 7 7 2 2AF框圖框圖例圖例圖電壓控制電流源電壓控制電流源RLuiudufuoio12RRRLuiuoiouduf第第7 7章章 7 7 2 2AFiouoRLAF在放大器輸

8、入端在放大器輸入端, , 信號(hào)以電流出現(xiàn)信號(hào)以電流出現(xiàn), , if與與id相并聯(lián)相并聯(lián), ,為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋； id= ii if ii ，為負(fù)反饋。，為負(fù)反饋。凈輸入電流凈輸入電流在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相串聯(lián)相串聯(lián) , , xf與與 io成正比，為電流反饋；成正比，為電流反饋；信號(hào)信號(hào) x 均以電流均以電流 i 的形式出現(xiàn)的形式出現(xiàn)xoxixdxfidiiif第第7 7章章 7 7 2 2iAFiouiiidfRL框圖框圖例圖例圖oRL+iouoR2R1RFRiiidif第第7 7章章 7 7 2 2uiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓

9、并聯(lián)負(fù)反饋(級(jí)間級(jí)間)RF2電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋(級(jí)間級(jí)間)RF3電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋(本級(jí)本級(jí))if第第7 7章章 7 7 2 2ui uoN1N2uf+uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2反饋類型：串聯(lián)反饋類型：串聯(lián) 電壓電壓 負(fù)反饋負(fù)反饋電流電流RLuf 與與uo成正比成正比io例例2：反饋類型的判別：反饋類型的判別第第7 7章章 7 7 2 2xf 與與uo成正比成正比是電壓反饋是電壓反饋xf 與與io成正比成正比是電流反饋是電流反饋RL R F R1udufuiuoR2ioufui R1R2uduoRL第第7 7章章 7 7 2 2xi 與與 xf 串聯(lián)為串聯(lián)

10、反饋串聯(lián)為串聯(lián)反饋 xf 必以電壓形式出現(xiàn)必以電壓形式出現(xiàn)xi 與與 xf 并聯(lián)為并聯(lián)反饋并聯(lián)為并聯(lián)反饋 xf 必以電流形式出現(xiàn)必以電流形式出現(xiàn)xi 與與 xf 分別接在兩個(gè)輸入端為串聯(lián)反饋分別接在兩個(gè)輸入端為串聯(lián)反饋 xi 與與 xf 接在同一個(gè)輸入端為并聯(lián)反饋接在同一個(gè)輸入端為并聯(lián)反饋uiuoiiidifRLR1RFR2第第7 7章章 7 7 2 2+VCCRB1RCC1C2RSTRLuO uSRB2RE2+CERE1ui +第第7 7章章 7 7 2 2rbe RLRB1RB2 RE1 ib ibufuOuiubeicuf = RE1iC ，與輸出電流成正比，是電流反饋。，與輸出電流成正

11、比，是電流反饋。 ube= ui uf ， 是串聯(lián)比較，且三者同相，是串聯(lián)比較，且三者同相， uf 削弱了削弱了ube。 RE1引入了引入了第第7 7章章 7 7 2 2例例4：分析射極輸出器的反饋類型：分析射極輸出器的反饋類型+VCCRBC1C2RSTRLui REuS+uo uf = uo ，輸出電壓輸出電壓全部反饋到輸入端。全部反饋到輸入端。ube =ui uf，E是串聯(lián)比較，是串聯(lián)比較，且三者同相，且三者同相， uf 削弱了削弱了ube ，uf 第第7 7章章 7 7 2 2負(fù)反饋負(fù)反饋xd = xi xf閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xi = xd + xfAf = = xo xixoxd

12、 + xf=xoxdxoxfxo1+xd| Af |=|Ao|1+ |F|Ao| Af |1|F| Af | ri并聯(lián)并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋降低降低輸入電阻輸入電阻 rif ro電壓電壓負(fù)反饋負(fù)反饋降低降低輸出電阻輸出電阻 rof 0，即時(shí)，oOM當(dāng)i0，即R4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uo第第7 7章章 7 7 4 4uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo uo = 1+ u+RFR1 1uf = 1+ ui RF R1 12. 同相比例運(yùn)算電

13、路同相比例運(yùn)算電路虛斷路虛斷路id 0虛短路虛短路uiu =+uou = fR1R1 RF+uu =+故有：故有：第第7 7章章 7 7 4 4uiuo同相跟隨器uo = uiRFR若接入電阻若接入電阻R、RF，運(yùn)算關(guān)系不變，運(yùn)算關(guān)系不變第第7 7章章 7 7 4 43. 差動(dòng)比例運(yùn)算電路差動(dòng)比例運(yùn)算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進(jìn)行分析利用疊加原理進(jìn)行分析ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1第第7 7章章 7 7. .4 4uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3F1u

14、 o31. 反相加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if7.4.2 第第7 7章章 7 7 4 42F211uo2. 同相加法運(yùn)算電路同相加法運(yùn)算電路23ui1ui2ui322RFR1 uO = 1+ + R + + + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 R 第第7 7章章 7 7 4 41. 差動(dòng)比例運(yùn)算電路差動(dòng)比例運(yùn)算電路uoRFR1R2R3 = 1+ ui2 uoRFR1R2 + R3R3- - ui1RFR17.4.3 減法運(yùn)算電路減法運(yùn)

15、算電路ui2ui1差動(dòng)比例運(yùn)算差動(dòng)比例運(yùn)算是減法運(yùn)算電是減法運(yùn)算電路的一種形式路的一種形式第第7 7章章 7 7 4 4 11ui121 2. 兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第第7 7章章 7 7 4 4F2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2ui1. 反相積分運(yùn)算電路反相積分運(yùn)算電路CFuo27.4.4 積分和微分運(yùn)算電路積分和微分運(yùn)算電路由虛斷和虛地由虛斷和虛地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt第第7 7章章 7 7

16、 4 4uuOi 2. 反相微分運(yùn)算電路反相微分運(yùn)算電路C1 duidtuo= RF C1 uouiF由于微分和積分互為逆運(yùn)算，由于微分和積分互為逆運(yùn)算，將電容與電阻位置對(duì)調(diào)即可。將電容與電阻位置對(duì)調(diào)即可。輸出與輸入輸出與輸入的關(guān)系式為的關(guān)系式為若輸入為方波若輸入為方波則輸出波形為則輸出波形為第第7 7章章 7 7 4 4CF應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器21uouiC1F輸出與輸入的輸出與輸入的關(guān)系式為關(guān)系式為第第7 7章章 7 7 4 4duiu = ( + ) + RFC1 + ouiRFR1R1CFC1CFdt1ui dt 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：求解微分方程求解微分方程uouiN

17、1N3N2dtduo5uo = 10ui10k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 F根據(jù)電路參數(shù)，所要根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：求解的微分方程為：第第7 7章章 7 7 4 4uouu+ +實(shí)際特性理想運(yùn)放符號(hào) 運(yùn)放電壓傳輸特性理想特性u(píng)ou+uUOMUOM0當(dāng)i0，即時(shí)，oOM當(dāng)i0，即0UZ第第7 7章章 7 7 5 57.6.1 ：在無(wú)輸入信號(hào)（xi=0）時(shí)，電路中的噪擾電壓（如元件的熱噪聲、電路參數(shù)波動(dòng)引起的電壓、電流的變化、電源接通時(shí)引起的瞬變過(guò)程等）使放大器產(chǎn)生瞬間輸出xo，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，得到瞬間輸入xd，再經(jīng)基本放大器放大，又在輸出端產(chǎn)生新的輸出信號(hào)xo，如此反復(fù)。在無(wú)反饋或負(fù)反饋情況下，輸出