第16章 集成運(yùn)算放大器

1、第第1616章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器16.1 集成運(yùn)算放大器的簡單介紹集成運(yùn)算放大器的簡單介紹16.2 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16.3 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16.4 運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用16.5 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)問題集成電路集成電路: :它是用一定的生產(chǎn)工藝把它是用一定的生產(chǎn)工藝把晶體管、場晶體管、場效晶體管、二極管、電阻、電容效晶體管、二極管、電阻、電容、以以及它們之間的連線所組成的整個(gè)電路及它們之間的連線所組成的整個(gè)電路集成

2、集成在一塊半導(dǎo)體基片上，封裝在一在一塊半導(dǎo)體基片上，封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一個(gè)管殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定功能的器件，也稱為定功能的器件，也稱為優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量 輕、功耗小，實(shí)現(xiàn)了輕、功耗小，實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系元件、電路和系統(tǒng)統(tǒng)的三結(jié)合的三結(jié)合返回目錄返回目錄集成電路中元器件的特點(diǎn)集成電路中元器件的特點(diǎn)1. 單個(gè)的精度不是很高單個(gè)的精度不是很高, ,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工藝生產(chǎn)出來的，上、用相同工藝生產(chǎn)出來的，性能比較一致性能比較一致2.2.元器件相互離得很近元器件相互離得很近, ,溫

3、度特性較一致溫度特性較一致3.3.電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低都不易制造都不易制造 4.4.電感難于制造電感難于制造, ,電容一般不超過電容一般不超過200200pF,pF,大電容大電容不易制造不易制造返回目錄返回目錄16.1 16.1 集成運(yùn)算放大器的簡單介紹集成運(yùn)算放大器的簡單介紹集成運(yùn)算放大器：集成運(yùn)算放大器：是一種是一種高放大倍數(shù)、高輸入高放大倍數(shù)、高輸入 電阻、低輸出電阻電阻、低輸出電阻的直接耦的直接耦合放大電路合放大電路電路方框圖電路方框圖中間級(jí)中間級(jí)輸入級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路 盡量減小零點(diǎn)漂移盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高

4、盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡可能大中間級(jí)應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)中間級(jí)應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級(jí)主要提高帶負(fù)載能力，給出輸出級(jí)主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗輸出阻抗 ro小。小。內(nèi)部內(nèi)部電路電路返回目錄返回目錄集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)-UEE+UCCuo u u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)中間級(jí)1. 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 A

5、uo 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 IIB集成電路的封裝集成電路的封裝雙列直插式塑料封裝雙列直插式塑料封裝管腳數(shù)有管腳數(shù)

6、有8 8、1010、1212、1414、1616等種類等種類金屬殼封裝金屬殼封裝管腳數(shù)有管腳數(shù)有8 8、1010、1212等種類等種類返回目錄返回目錄213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)每兩個(gè)每兩個(gè)運(yùn)放共運(yùn)放共用一個(gè)用一個(gè)偏置偏置電阻電阻四個(gè)四個(gè)運(yùn)放運(yùn)放共用共用V VDDDD、V VSSSS端端C14578C14578外引線排列圖外引線排列圖213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)返回目錄返回目錄F007F007（5G245G24）外引線圖外引線圖接接 線線 圖圖頂頂 視視 圖圖

7、CCVEEVOUTININ返回目錄返回目錄 ri 高高:幾十幾十k 幾百幾百k 集成運(yùn)放特點(diǎn)：集成運(yùn)放特點(diǎn)：理想運(yùn)放：理想運(yùn)放：ri KCMRR很大很大KCMMRR ro ?。簬资。簬资?幾百幾百 ro 0 A o 很很大大:104以上以上 107Ao 集成運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)集成運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)uo+Auou+u。 。+UCCUEE u u+ uo 理想運(yùn)放的符號(hào)：理想運(yùn)放的符號(hào)：集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的傳輸特性)(ioufu+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)uuou)(uuAuuoo線性區(qū)很線性區(qū)很窄窄, ,所以所以運(yùn)放在線運(yùn)放在線性區(qū)工作性

8、區(qū)工作, ,通常引入通常引入深度電壓深度電壓負(fù)反饋負(fù)反饋返回目錄返回目錄2. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uo= f (ui)線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = +Uo(sat) u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = + Uo(sat) u+ u 時(shí)，時(shí)， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0時(shí)，時(shí)，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的的信號(hào)順利通過，衰減很小，信號(hào)順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號(hào)不易通過，的信號(hào)不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低通階有

9、源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時(shí)信號(hào)衰減得時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O2 2. .有源高通濾波器有源高通濾波器R RR R1 1R RF Fu uo ou ui iC CRCUUCRRUj11j1iiURRUo1F101F1Fij11j111RRRCRRUUoRC10為截止頻率為截止頻率 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 的

10、信號(hào)通過的信號(hào)通過 ，而小于，而小于 0 的信號(hào)被阻止，稱為的信號(hào)被阻止，稱為有源高通濾波器有源高通濾波器。 ,0時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) ,時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模為其模為,0時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) 2)(jf0uAT 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O思考題：如何組成帶通濾波器？如何組成帶通濾波器？返回目錄返回目錄BPFBPF的一般構(gòu)成方法的一般構(gòu)成方法R R2 2R R1 1R RF1F1u ui iC Cu uc cR R4 4R R3 3R RF2F2u uo o將將

11、HPFHPF及及LPFLPF相串聯(lián)，其條件為相串聯(lián)，其條件為LPFLPF的通的通帶截止頻率高于帶截止頻率高于HPFHPF的通帶截止頻率。的通帶截止頻率。返回目錄返回目錄模擬開關(guān)模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)模擬輸入信號(hào)電路電路 SuC+ui+uo+ 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用于模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之之前前。由于。由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足存一段時(shí)間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。采樣存儲(chǔ)采樣存儲(chǔ)電

12、容電容控制信號(hào)控制信號(hào)電壓跟隨器電壓跟隨器 uG為高電平，為高電平， S 閉合閉合(場效晶體管導(dǎo)通場效晶體管導(dǎo)通)， ui對(duì)存儲(chǔ)電容對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，充電， uo= uC = ui 。 uG為為 0， S 斷開斷開(場效晶體管截止場效晶體管截止)，輸出，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。保持該階段開始瞬間的值不變。uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。 SuC+ui+uo+ 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

13、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)檢測等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。 uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。

14、參考電壓參考電壓uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 當(dāng)當(dāng) ui 單方向變化時(shí)，單方向變化時(shí)， uo 只變化一次。只變化一次。URuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性u(píng)iuoOURui UR，uo=+ Uo (sat)ui 00時(shí)時(shí)：iFouRRu11u ui i00時(shí)時(shí)：iFFouRRRu121/o(sat)F22URRRUu時(shí)時(shí)當(dāng)輸出電壓當(dāng)輸出電壓o(sat)Uuo當(dāng)輸出電壓當(dāng)輸出電壓時(shí)時(shí)o(sat)F22URRRUuo(sat)Uuoo(sat)Uuo當(dāng)當(dāng)iUu時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)iUu時(shí)，時(shí)，o(sat)Uuo信號(hào)加到反相信號(hào)加到反相輸入端輸入端引回正反

15、饋引回正反饋R R2 2R R1 1u uo ou ui iR RF F返回目錄返回目錄uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U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+UU稱為回差稱為回差小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn))(o(sat)F 2 2RF 2FURRRURRRu可見：可見：傳輸特性不再對(duì)稱于縱軸，傳輸特性不再對(duì)稱于縱軸， UU +URRFR2uoui+ R1+ U Uo(sat)Uo(sat)UUUuoui0om思考題：思

16、考題：設(shè)滯回比較器的傳輸特性和輸入電壓波設(shè)滯回比較器的傳輸特性和輸入電壓波 形已給出，形已給出， 試畫出它的輸出電壓波形。試畫出它的輸出電壓波形。tiutou16.4 16.4 運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用1.1. 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路Z122RURRRU雙向穩(wěn)壓管,起輸出限幅作用R R1 1和和R R2 2構(gòu)成正反饋電路構(gòu)成正反饋電路 起限流的作用起限流的作用反相輸入端的電壓反相輸入端的電壓cuu 電容兩端電壓的變化是電容電容兩端電壓的變化是電容通過電阻通過電阻R RF F的充放電實(shí)現(xiàn)的的充放電實(shí)現(xiàn)的R RF F和和C C構(gòu)成負(fù)反饋電路構(gòu)成負(fù)反饋電路通

17、過比較通過比較uu ,的大小可的大小可得出輸出電壓得出輸出電壓U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z返回目錄返回目錄U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z2TtcutouZUZU思考題：如何改變矩形波的周期思考題：如何改變矩形波的周期T T？矩形波發(fā)生器的波形矩形波發(fā)生器的波形RURU返回目錄返回目錄2. 2. 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器組成積分電路組成比較器返回目錄返回目錄ZURRu12o當(dāng)當(dāng)011uu電路工作穩(wěn)定后電路工作穩(wěn)定后, ,當(dāng)當(dāng)Z1Uuoo121Z1221)(uRRR

18、URRRuo1uZUZU從從返回目錄返回目錄ZURRu12o當(dāng)當(dāng)011uu電路工作穩(wěn)定后電路工作穩(wěn)定后, ,當(dāng)當(dāng)Z1Uuoo121Z1221uRRRURRRuo1uZUZU從從返回目錄返回目錄ZUZUZURR12ZURR121F424TRCRR如何計(jì)算周期如何計(jì)算周期? ?2TZ122T0ZF42d1URRtUCRtto1uou三角波發(fā)生器的波形三角波發(fā)生器的波形返回目錄返回目錄16.16.5 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1.1.選用元件選用元件 根據(jù)實(shí)際要求來選用運(yùn)算放大器根據(jù)實(shí)際要求來選用運(yùn)算放大器, ,主要是根據(jù)主要是根據(jù)使用條件及運(yùn)放的參數(shù)進(jìn)行選擇使用條件及運(yùn)放的參數(shù)進(jìn)行選擇。2.2.消振消振 這是為避免運(yùn)算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容這是為避免運(yùn)算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和其他寄生參數(shù)的影響和其他寄生參數(shù)的影響, ,使電路產(chǎn)生自激振蕩，即外使電路產(chǎn)生自激振蕩，即外加消振的方法。加消振的方法。3.3.調(diào)零調(diào)零 由于運(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不可能完全對(duì)稱由于運(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不可能完全對(duì)稱, ,輸入信號(hào)輸入信號(hào)為零為零, ,輸出可能不為零輸出可能不為零, ,為此為此, ,在使用時(shí)必須調(diào)零。在使用時(shí)必須調(diào)零。返回目錄返回目錄4.4.保護(hù)保護(hù)(1) (1) 輸入保護(hù)輸入保護(hù)輸入電壓將限制在二極管的正向壓降以下R R2 2R