第九章集成運算放大器

1、集成運算放大器第九章 集成運算放大器分立電路：集成電路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 導(dǎo)電類型：雙極型、單極型 兼容型 信號類型：數(shù)字、模擬、混合 優(yōu) 點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高模擬集成電路：集成運算放大器、集成功率 放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成數(shù)模轉(zhuǎn) 換電路 集成運算放大器9-19-1 運放簡介運放簡介一、運放構(gòu)成輸入級中間級偏置 電路輸出級輸入端輸出端輸 入 級：由差放構(gòu)成由差放構(gòu)成?？蓽p小零點漂移和抑制干擾。中 間 級：共射放大電路共射放大電路。用于電壓放大。輸 出 級：互補對稱電路互補對稱電路。降低輸出電阻，提高帶載 能力。偏置電路：由恒流源電路

2、構(gòu)成。確定運放各級的靜態(tài) 工作點。集成運算放大器 在制造工藝上，運放中很難制造電感、電容元件，所以需要時一般都采取外接的方法。制造電阻比較容易，而制造晶體管卻最容易。運放舉例：LM741 LM741 1 2 3 48 7 6 5 7417614325822反相輸入端反相輸入端 出于集成化的原因及放大緩變信號和直流信號的需要，運放各級之間均采用直接耦合的方式。66輸出端輸出端33同相輸入端同相輸入端44正電源端正電源端77負(fù)電源端負(fù)電源端88閑置端閑置端（NC）1 1、55接調(diào)零電位器接調(diào)零電位器集成運算放大器二、運放特點二、運放特點 實際運放特點 開環(huán)電壓放大倍數(shù)高(104-107)； 輸入電

3、阻高（約幾百K）； 輸出電阻低（約幾百）； 漂移小、可靠性高、體積小、 重量輕、價格低 。3）開環(huán)輸出電阻 ro02）差模輸入電阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想運放及其分析依據(jù) 理想化條件理想化條件：1）開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo +-u-u+uo理想運放電路模型集成運算放大器 實際運放的參數(shù)指標(biāo)很接近理想化條件，故用理想運放代替實際運放所引起的誤差并不嚴(yán)重，在工程上是允許的。 右圖所示為運放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，稱為傳輸特性。從圖中看到，實際運放的傳輸特性與理想運放比較接近。o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性理想特性u+ - u-運算放大器的傳輸特性集成運算放大器虛短虛

4、短虛斷虛斷虛短虛短o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū) 從運放的輸入特性看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)，運放在不同區(qū)工作時的分析方法不同：線性區(qū)線性區(qū)： u uo o=A=Auouo(u(u+ +-u-u- -) )r rid id ，故，故兩輸入端的輸入電流為零。 A Auouo ，u uo o為有限值，為有限值，故故 u u+ +-u-u- -=u=uo o/A/Auouo0 0 即即 u u+ + u u- -分析依據(jù)分析依據(jù)當(dāng)有信號輸入時，如同相當(dāng)有信號輸入時，如同相端接地，即端接地，即u u+ +=0 =0 則則 u u- - 0 0集成運算放大器飽和

5、區(qū)：飽和區(qū)： u uo oAAuouo(u (u+ +-u-u- -) )當(dāng)當(dāng)u u+ + uu- - 時時,u ,uo o=+u=+uo(sat)o(sat) 當(dāng)當(dāng)u u+ + uu- - 時時,u ,uo o=-u=-uo(sat)o(sat) 但兩輸入端的輸入電流仍為零。o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)運算放大器運算放大器的主要參數(shù)主要參數(shù)：1 1、最大輸出電壓最大輸出電壓U UOPPOPP能使輸出電壓與輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2 2、開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)A Auouo沒有外接反饋時所測出的差模電壓放大倍數(shù)。集成運算放大

6、器3 3、輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓U Uioio為使輸出等于零而在輸入端加的微小補償電壓。（調(diào)零工作已由調(diào)零電位器來完成，如前所述）4 4、輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流I Ii i當(dāng)輸入信號為零時，兩個輸入端的靜態(tài)基極電流之差。其值愈小愈好。一般在零點零幾微安級。5 5、輸入偏置電流輸入偏置電流I IiBiB當(dāng)輸入信號為零時，兩個輸入端的靜態(tài)基極電流的平均值，其值愈小愈好。一般在零點幾微安級。6 6、最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓U UiCMiCM 運放對共模信號具有抑制的性能，但這個性能是在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)才具備。如超出這個電壓，運放的共模抑制能力就大為下降，甚至造成器件損壞。集成運算放大

7、器 運放能完成信號的代數(shù)運算有：比例、加減、積比例、加減、積分分與微分微分等簡單運算，還能完成對數(shù)對數(shù)與反對數(shù)反對數(shù)以及乘乘除除等復(fù)雜運算。它們都是線性范圍內(nèi)的運算，都適用都適用疊加原理疊加原理。9-29-2 運放在信號運算方面的應(yīng)用運放在信號運算方面的應(yīng)用 在討論運放的運算功能之前，要弄清幾個問題：在討論運放的運算功能之前，要弄清幾個問題：如何保證運放工作在線性區(qū)如何保證運放工作在線性區(qū) ? ? 我們知道：我們知道：A Auouo，即當(dāng)輸入差模信號極小時，即當(dāng)輸入差模信號極小時（如毫伏級以下的信號），也足以使運放飽和。（如毫伏級以下的信號），也足以使運放飽和。 我們還知道：負(fù)反饋能減小放大倍

8、數(shù)，且反饋愈我們還知道：負(fù)反饋能減小放大倍數(shù)，且反饋愈深作用愈明顯；加上負(fù)反饋還可在其它方面改善放大深作用愈明顯；加上負(fù)反饋還可在其它方面改善放大電路的性能，所以電路的性能，所以解決之道是：解決之道是：在電路中引入深度負(fù)反饋在電路中引入深度負(fù)反饋。集成運算放大器uou-u+ +- 下面的問題是從輸出端將反饋引到同相端還是反相端 ？ 答案是：答案是： 引回到反相端引回到反相端Z一、比例運算一、比例運算 1 1、反相輸入比例運算、反相輸入比例運算 Rf 反饋電阻；反饋電阻； R2 平衡電阻，用于消除平衡電阻，用于消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響。響。 R2= = R1Rf

9、 由KCLKCL、KVLKVL和運放工作在線性區(qū)運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)分析依據(jù)： 1iif0uu111RuRuuiiiFFfRuRuuiooi1uiuo +-ifR1R2Rf及集成運算放大器iFuRRu1o由此得：由此得： 1RRuuAFiouf說明：說明：1 1、式中的負(fù)號表示輸出與輸入反相，因此又把反相、式中的負(fù)號表示輸出與輸入反相，因此又把反相輸入的比例運算電路稱為輸入的比例運算電路稱為反相器反相器；2 2、如、如R R1 1和和R RF F的阻值足夠精確，而運放的開環(huán)放大倍數(shù)的阻值足夠精確，而運放的開環(huán)放大倍數(shù)很高，就可以認(rèn)為輸出與輸入信號的關(guān)系只取決于兩很高，就可以認(rèn)為輸出與輸入

10、信號的關(guān)系只取決于兩電阻的比值，而與運放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，保證電阻的比值，而與運放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，保證了比例運算的精度和穩(wěn)定性（深度負(fù)反饋）。了比例運算的精度和穩(wěn)定性（深度負(fù)反饋）。 反饋類型：反饋類型： 深度并聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋 電路阻抗特征：電路阻抗特征：輸入電阻不高，輸出電阻很低。集成運算放大器i1uiuo +-ifR1R2Rf2 2、同相輸入比例運算、同相輸入比例運算1iifiuuu及111RuRuii有FFfRuuRuuioioiFuRRu)1 (1o11RRuuAFiouf反饋類型：反饋類型： 深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋 得得集成運算放大器二、加法運算二、加

11、法運算 i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路 在反相端輸入若干路信號，構(gòu)成反相加法運算電路 131211fiiii)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRuFofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR當(dāng)當(dāng)時，時，F(xiàn)RR 1再若再若，則，則)(3211oiiiFuuuRRu)(321oiiiuuuu集成運算放大器ui1uo +-R3R2RFi1R1減法電路ifui2三、減法運算三、減法運算 當(dāng)兩個輸入端都有信號輸入時，即為差動輸入，可進行減法運算 1111111-RRRuuuRiuuF

12、oiii1123231o)1 (iFiFuRRuRRRRRu3322-RRRuui時且當(dāng)321RRRRF)(121oiiFuuRRui121uuuRRAioFu則 由于電路存在共模電壓，為了保證運算精度，應(yīng)當(dāng)選用共模抑制比較高的運算放大器。 集成運算放大器四、積分運算四、積分運算 dtuCRdtiCuuiFfF1co110-uui1uo +-R2CFi1R1積分電路ifuc1if1Ruii當(dāng)輸入信號為階躍電壓時，當(dāng)輸入信號為階躍電壓時，tCRUuFi1ouiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot集成運算放大器 右圖是在控制和測量右圖是在控制和測量系統(tǒng)中常用的比例系統(tǒng)中常用的比例- -積分

13、積分調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器（PIPI調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)器）：)1(11odtuCRuRRuiFiFui1uo +-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF 可視為反相比例運算反相比例運算和積積分運算分運算的疊加。與以前學(xué)過的RC積分電路相比，運放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。這是因為充電電流基本恒定。11fRUiii集成運算放大器五、微分運算五、微分運算 ui1uo +-R2C1i1微分電路ifucRF微分運算是積分的逆運算，微分運算是積分的逆運算，dtduCdtduCii1c11 當(dāng)輸入信號為階躍電壓時，輸出為尖脈沖電壓。微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。(波形如右圖)dtduCRRiRiuiF

14、FF11fouiUuooottui1uo +-R2C1icPD調(diào)節(jié)器iRRF 右圖是在控制系統(tǒng)中使右圖是在控制系統(tǒng)中使調(diào)節(jié)過程加速的比例調(diào)節(jié)過程加速的比例微分微分調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器（PDPD調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器）。集成運算放大器 運放除了能完成信號的運算，還能完成信號濾波、采樣保持及比較等處理工作。9-39-3 運放在信號處理方面的應(yīng)用運放在信號處理方面的應(yīng)用一、有源濾波器有源濾波器 濾波器是一種選頻電路選出有用信號，而抑制無用信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減??；而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減大。按選擇頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。 將由RC組成的無源濾波器

15、再接到運算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運放是有源器件），性能會得到較大的改善：體積小、效率高、頻率特性好等。集成運算放大器uiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR1如圖為有源低通濾波器。有源低通濾波器。CjCjRUUUic 11RCjUi 1URRUFo)1 (1011/1/11/1 jRRRCjRRUUAFFioufRCfRC 21100或20ufAo0 幅頻特性20/111 RRFufA集成運算放大器時當(dāng)0 11RRFufA22011ufFufAARR時當(dāng) 稱為截止頻率0 20ufAo0 幅頻特性集成運算放大器二、采樣保持電路 當(dāng)輸入信號變化較快時要求輸出信號能快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號的變化進行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計算機和程序控制等裝置中。uiuo +-RC采樣保持電路ucR1S控制信號ououi采采樣樣 保保持持t輸入輸出波形集成運算放大器三、電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1ui 運放工作于開環(huán)狀態(tài)，運放工作于開環(huán)狀態(tài)，u uR R是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電壓有微小差值時，輸出信號便壓有微小差值時，輸出信號便會達到飽和，即運放工作于非會達到飽和，即運放工作于非線性線性飽和區(qū)。飽和區(qū)。 參考電壓等