電工學(xué)課件集成運(yùn)算放大器

1、第第16章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器主要內(nèi)容 集成運(yùn)算放大器的集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 運(yùn)算放大器在運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用 運(yùn)算放大器在運(yùn)算放大器在信號(hào)處理信號(hào)處理方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用 運(yùn)算放大器在運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用 使用運(yùn)算放大器應(yīng)使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題注意的幾個(gè)問(wèn)題 16.1 集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成電路：集成電路： 集集 成成 度：度：SSISSI、MSIMSI、LSILSI、 VLSI VLSI （ASIASI） 導(dǎo)電類型：雙極型、單極型導(dǎo)電類型：雙極型、單極型 兼容型兼容型 信號(hào)類型：數(shù)字、模擬、混合信號(hào)類型：

2、數(shù)字、模擬、混合 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高模擬集成電路：集成運(yùn)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 16.1.1 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn) 盡量避免使用電容。盡量避免使用電容。 輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。 電阻值大致為電阻值大致為100 30k30k。 二極管都采用三極管構(gòu)成。二極管都采用三極管構(gòu)成。 16.1.216.1.2 電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明 一、運(yùn)放構(gòu)成輸入級(jí)中間級(jí)偏置 電路輸出級(jí)輸入端輸出端輸 入 級(jí)：由差放構(gòu)成由差放構(gòu)成?？蓽p小零點(diǎn)漂移和抑制干擾。中 間 級(jí)：

3、共射放大電路共射放大電路。用于電壓放大。輸 出 級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱電路互補(bǔ)對(duì)稱電路。降低輸出電阻，提高帶載 能力。偏置電路：由恒流源電路構(gòu)成。確定運(yùn)放各級(jí)的靜態(tài) 工作點(diǎn)。 在制造工藝上，運(yùn)放中很難制造電感、電容元件，所以需要時(shí)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(yùn)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(hào)和直流信號(hào)的需要，運(yùn)放各級(jí)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負(fù)負(fù)電源端電源端77正正電源端電源端88閑置端閑置端（NC）1 1、55接調(diào)零電

4、位器接調(diào)零電位器二、運(yùn)放特點(diǎn)二、運(yùn)放特點(diǎn) 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)高(104-107)； 輸入電阻高（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(jià)格低 。16.1.316.1.3 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(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)A Auouo沒(méi)有外接反饋時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)。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(bǔ)償電壓。（調(diào)零工作已由調(diào)零電位器來(lái)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(hào)

5、為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差。其值愈小愈好。一般在零點(diǎn)零幾微安級(jí)。5 5、輸入偏置電流輸入偏置電流I IiBiB當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)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(diǎn)幾微安級(jí)。6 6、最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓U UiCMiCM 運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)具有抑制的性能，但這個(gè)性能是在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)才具備。如超出這個(gè)電壓，運(yùn)放的共模抑制能力就大為下降，甚至造成器件損壞。3）開(kāi)環(huán)輸出電阻 ro02）差模輸入電阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想化條件理想化條件：1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo +-u-u+uo理想運(yùn)放電路模型16.1.4 理想運(yùn)算放大器及其分析

6、依據(jù)理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù) 實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)指標(biāo)很接近理想化條件，故用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)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(yùn)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(shí)際運(yùn)放的傳輸特性與理想運(yùn)放比較接近。o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性理想特性u(píng)+ - u-運(yùn)算放大器的傳輸特性虛地虛地虛斷虛斷虛短虛短o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū) 從運(yùn)放的輸入特性看，可分為線性區(qū)和飽和區(qū)，運(yùn)放在不同區(qū)工作時(shí)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，

7、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(hào)輸入時(shí)，如同相端當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，如同相端接地，即接地，即u u+ +=0 =0 則則 u u- - 0 0虛短虛短飽和區(qū)：飽和區(qū)： u uo oAAuouo(u (u+ +-u-u- -) )當(dāng)當(dāng)u u+ + uu- - 時(shí)時(shí),u ,uo o= =u uo(sat)o(sat) 當(dāng)當(dāng)u u+ + uR4P123習(xí)題16.2.10 解：221121o)/1 (iFiFFuRRuRRuRRRuVu

8、5 . 52211215 . 3)111 (oVRRRuRuuii5 . 311434433用結(jié)點(diǎn)電壓法求u+ 運(yùn)放除了能完成信號(hào)的運(yùn)算，還能完成信號(hào)濾波、采樣保持及比較等處理工作。16.316.3 運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.1 16.3.1 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(hào)，而抑制無(wú)用信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過(guò)，衰減??；而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過(guò)，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(wú)源濾波器再接到運(yùn)算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運(yùn)放是有源器件），性能會(huì)得到較大的改善：

9、體積小、效率高、頻率特性好等。uiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR11. 1. 有源低通濾波器有源低通濾波器CjCjRUUUic11RCjUi1URRUFo)1 (1011/1/11/1jRRRCjRRUUAFFioufRCfRC21100或20ufAo0 幅頻特性20/111 RRFufA時(shí)當(dāng)0 11RRAFuf22101ufFufARRA時(shí)當(dāng) 稱為截止頻率0 20ufAo0 幅頻特性2. 有源高通濾波器有源高通濾波器 +R1RFRCuiu0 )(jT0ufA021ufA00由由RC電路得出：電路得出：RCjUUCjRRUii111URRUF)1(10011011111jRRRCjRR

10、UUFFi故故00010111)()()(jAjRRjUjUjTufFi200)(1)(ufAjT其模為：其模為：0)(arctn幅角為：幅角為：000)(2)(0)(0ufufAjTAjTjT時(shí)：時(shí)：時(shí)：16.3.2 采樣保持電路采樣保持電路 當(dāng)輸入信號(hào)變化較快時(shí)要求輸出信號(hào)能快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號(hào)的變化進(jìn)行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)和程序控制等裝置中。uiuo +-RC采樣保持電路ucR1S控制信號(hào)ououi采采樣樣 保保持持t輸入輸出波形16.3.3 電壓比較器電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1ui 運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)

11、，運(yùn)放工作于開(kāi)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(shí)，輸出信號(hào)便壓有微小差值時(shí)，輸出信號(hào)便會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線性線性飽和區(qū)。飽和區(qū)。 參考電壓等于零時(shí)，稱為參考電壓等于零時(shí)，稱為過(guò)零比較器過(guò)零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuR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(jiàn)，在可見(jiàn)，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓uitOUR

12、Ouot +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 UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR電壓傳輸特性電壓傳輸特性u(píng)iuoOURURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特

13、性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURtuituo+Uo(sat)Uo(sat)URuouiR2+ R1+滯回比較器滯回比較器分析：分析： 當(dāng)輸出為當(dāng)輸出為+UZ時(shí)時(shí) 稱為上限閾值電壓；稱為上限閾值電壓； 當(dāng)輸出為當(dāng)輸出為-UZ時(shí)時(shí)稱為下限閾值電壓稱為下限閾值電壓 。)(322322ZOURRRuRRRuTZUURRRu322TZUURRRu322窗口比較器窗口比較器 o(sat)2 1 2RURRRU o(sat)2 1 2RURRRURU RUA1：滯回比較器：滯回比較器 因因 u- = 0 ，所以當(dāng)，所以當(dāng) u+ = 0時(shí)時(shí)，A1狀態(tài)狀態(tài)改變改變0o2111o2121 uRRRuRRRu當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)，即即當(dāng)當(dāng) Z121o12oURRuRRu Cuo1R3DZR2+ R6uo