第12章集成運(yùn)算放大器

1、1 1第12章 集成運(yùn)算放大器12.1概述概述12.2 集成運(yùn)算放大器的外形符號(hào)與主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的外形符號(hào)與主要參數(shù)12.3 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器12.4 集成運(yùn)放的保護(hù)集成運(yùn)放的保護(hù)12.5 負(fù)反饋的概念及對放大電路性能的影響負(fù)反饋的概念及對放大電路性能的影響12.6 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用12.7 集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用2 212.1 概概 述述1. 集成運(yùn)放的特點(diǎn)集成運(yùn)放的特點(diǎn)(1) 由于集成電路中的所有元件同處在一小塊硅片上，相互距離非常近，制作時(shí)工藝條件相同，因而，同一硅片內(nèi)的元件參數(shù)值具有相同方向的偏差，溫度特

2、性基本一致，容易制成兩個(gè)特性相同的管子或兩個(gè)阻值相等的電阻，故特別適宜制作差動(dòng)放大器。(2) 在集成電路中，電阻值一般在幾十歐姆到幾十千歐姆的范圍內(nèi)。大阻值電阻往往外接或用晶體管制成的有源負(fù)載電阻代替。 3 3(3) 集成電路中的電容不能做得太大，大約幾十皮法，常用PN結(jié)電容構(gòu)成。這是因?yàn)橹圃煲粋€(gè)10 pF的電容所需的硅片面積約等于10個(gè)晶體管所占的面積。需要大電容時(shí)，需采用外接方式。至于電感，在集成電路中就更難制造了。(4) 集成電路中的二極管都用三極管構(gòu)成，常用形式是將基極與集電極短路后和射極構(gòu)成二極管。正是由于上述這些特點(diǎn)，在集成運(yùn)放中，級(jí)與級(jí)之間都采用直接耦合的方式。4 42. 集成運(yùn)

3、算放大器的組成簡介集成運(yùn)算放大器的組成簡介 集成運(yùn)算放大器的類型很多，其內(nèi)部電路大多為直接耦合多級(jí)放大器，一般由差動(dòng)輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成，如圖12.1所示。圖 12.1 集成運(yùn)算放大器的組成5 5(1) 差動(dòng)輸入級(jí)。(2) 中間放大級(jí)。(3) 輸出級(jí)。(4) 偏置電路。偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供偏置電流，以設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)和提供恒流源。6 612.2 集成運(yùn)算放大器的外形符號(hào)與主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的外形符號(hào)與主要參數(shù)1. 集成運(yùn)算放大器的外形與符號(hào)集成運(yùn)算放大器的外形與符號(hào)集成運(yùn)算放大器的外形有的采用扁平雙列直插封裝形式，有的采用圓殼封裝形式；引出腳有8

4、只(如F004、F007)、10只(如5G28)、12只(如BG305、8FC2)等多種，如圖12.2所示。運(yùn)算放大器的符號(hào)如圖12.3所示。7 7圖 12.2 集成運(yùn)算放大器的外形(a) 圓殼封裝；(b) 雙列直插封裝8 8圖12.3 集成運(yùn)算放大器的符號(hào)(a) 標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)；(b) 簡化符號(hào)9 9圖12.3(a)中的三角形符號(hào)表示放大器，Ad表示運(yùn)放的開環(huán)電壓增益；右側(cè)為輸出端，uo是輸出端對地的電壓；圖中左側(cè)的“-”端標(biāo)志為反相輸入端，表示當(dāng)信號(hào)由此端與地之間輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，這種輸入方式稱為反相輸入；圖中左側(cè)的“+”端為同相輸入端，當(dāng)信號(hào)由此端與地之間輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信

5、號(hào)同相，這種輸入方式稱為同相輸入；正、負(fù)電壓源分別用+UCC和UEE表示。圖12.3(b)為運(yùn)放的簡化符號(hào)。輸出端對地的電壓uo與兩個(gè)輸入端對地電壓u和u+之間的關(guān)系為uo=Ad(u+u) (12.1)式中的Ad為集成運(yùn)算放大器本身的電壓放大倍數(shù)，也稱開環(huán)電壓放大倍數(shù)。10102. 運(yùn)算放大器的主要參數(shù)運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1) 輸入失調(diào)電壓Uos實(shí)際的運(yùn)算放大器，即使輸入電壓為零，輸出電壓也不一定為零。為了使輸出電壓為零，就必須在輸入端加一個(gè)補(bǔ)償電壓，以抵消這一輸出電壓，這個(gè)補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓，用Uos表示。輸入失調(diào)電壓一般為毫伏數(shù)量級(jí)，約為110 mV。Uos越小，電路輸入部分的對稱度

6、越高。2) 輸入偏置電流Iib當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值稱為輸入偏置電流，其值越小越好，一般為10 nA1 A(1 nA= 109 A)。11113) 輸入失調(diào)電流Ios 實(shí)際的運(yùn)算放大器，由于元件的離散性，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)電流一般不相等。輸入失調(diào)電流是指運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)兩個(gè)輸入端的靜態(tài)電流之差，其值一般為1 nA0.1 A。4) 開環(huán)差模電壓增益AdAd是指運(yùn)放在開環(huán)(沒接外部反饋網(wǎng)絡(luò))情況下，輸出端不接負(fù)載，輸出電壓與差模輸入電壓的比值，即Ad=uod/uid。通常Ad100 dB。5) 差模輸入電阻RidRid是指在開環(huán)狀態(tài)下，差模信號(hào)輸入時(shí)運(yùn)放的輸入電阻，即Rid=

7、uid/iid。Rid一般為幾百千歐姆至幾兆歐姆，值愈大，表示運(yùn)放的性能愈好。12126) 輸出電阻RoRo是指在開環(huán)狀態(tài)下，由運(yùn)放輸出端看進(jìn)去的等效電阻。Ro一般為幾十歐姆至幾百歐姆，Ro的值愈小，表示運(yùn)放帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)。7) 共模抑制比CMRR CMRR是指運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)的比值，一般在80 dB以上。131312.3 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器集成運(yùn)放都具有以下共同特征: 開環(huán)電壓增益非常高，輸入電阻很大，輸出電阻很小，有很高的共模抑制比，這些參數(shù)都接近理想化的程度。因此，在分析含有集成運(yùn)放的電路時(shí)，為了簡化分析，可以將實(shí)際的運(yùn)算放大器視為理想的運(yùn)算放大器

8、。理想運(yùn)放的主要特點(diǎn)是：(1) 開環(huán)差模電壓增益為無窮大，即Ad=。(2) 差模輸入電阻為無窮大，即Rid=。(3) 輸出電阻為零，即Ro=0。(4) 輸入失調(diào)電壓Uos和輸入失調(diào)電流Ios都為零。1414(5) 共模抑制比為無窮大，即CMRR=。(6) 開環(huán)帶寬為無窮大，即BW=。 根據(jù)這些特點(diǎn)，不難看出理想運(yùn)放有兩個(gè)重要特征：第一， 由于理想運(yùn)放的電壓增益Ad=，而輸出電壓uo有限，則有0doAuuu即u+=u 這說明理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位相等，同相與反相輸入端之間的電壓為零，相當(dāng)于短路，常稱為“虛短”。1515第二，由于理想運(yùn)放的輸入電阻Rid=，因此反相端和同相端的輸入電流等于0，即

9、i+=i=0這表明運(yùn)放的兩個(gè)輸入端相當(dāng)于開路，常稱為“虛斷”。 “虛短”與“虛斷”的概念是分析理想運(yùn)放電路的基本法則，利用此法則可大大簡化電路的分析過程。理想運(yùn)放的符號(hào)如圖12.3(b)所示。161612.4 集成運(yùn)放的保護(hù)集成運(yùn)放的保護(hù)1. 電源極性接錯(cuò)和瞬間過壓保護(hù)電源極性接錯(cuò)和瞬間過壓保護(hù) 利用二極管的單向?qū)щ娦约纯煞乐褂捎陔娫礃O性接反而造成的損壞，方法是在電源回路中串入兩只二極管，如圖12.4所示。其原理是當(dāng)電源極性正確時(shí)，兩只二極管VD1、VD2均處于導(dǎo)通狀態(tài)，給集成運(yùn)放正常供電；當(dāng)電源極性接反時(shí)，兩只二極管都截止，起到隔離電源的作用，有效地保護(hù)了集成運(yùn)放。1717圖12.4 運(yùn)放電

10、源極性接錯(cuò)保護(hù)措施18182. 集成運(yùn)放輸入和輸出保護(hù)集成運(yùn)放輸入和輸出保護(hù) 當(dāng)運(yùn)放輸入端的信號(hào)超過額定值時(shí)，可能會(huì)引起運(yùn)放的損壞，即使沒產(chǎn)生永久性的損壞，也會(huì)使運(yùn)放各方面的指標(biāo)下降。常用的保護(hù)方法是利用二極管的正向?qū)妷簩斎胄盘?hào)進(jìn)行限幅，并在運(yùn)放的兩個(gè)輸入端與信號(hào)源之間串入限流電阻，構(gòu)成運(yùn)放輸入保護(hù)電路，如圖12.5(a)所示。當(dāng)輸入信號(hào)小于二極管的導(dǎo)通電壓UON時(shí)，VD1、VD2均處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)大于UON時(shí)，VD1、VD2中有一只導(dǎo)通，將運(yùn)放的輸入信號(hào)限制在UON，使運(yùn)放得到保護(hù)。1919輸出保護(hù)的常用方法如圖12.5(b)所示。電路中的三極管V1與V2，V3與V4分別組成鏡

11、像電流源。運(yùn)放正常工作時(shí)，由于電流較小，V1和V3工作在飽和狀態(tài)，沒有恒流的作用，飽和壓降很小，電源電壓幾乎全部加在運(yùn)放上。當(dāng)運(yùn)放輸出端過載或負(fù)載短路時(shí)，V1和V3由飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，具有恒流的作用，流過運(yùn)放及負(fù)載的電流被電流源所限制，從而保護(hù)運(yùn)放。2020圖 12.5 集成運(yùn)放的輸入輸出保護(hù)電路(a) 輸入保護(hù)電路；(b) 輸出保護(hù)電路212112.5 負(fù)反饋的概念及對放大電路性能的影響負(fù)反饋的概念及對放大電路性能的影響1. 反饋的基本概念反饋的基本概念1) 反饋以某種方式，將放大電路輸出回路的電壓或電流的一部分或全部送回輸入回路中，以改變放大管的輸入電壓(或電流)，這就叫做反饋。若反饋的電

12、壓(或電流)使放大管的輸入電壓(或電流)減小，則稱為負(fù)反饋；若反饋的電壓(或電流)使放大管的輸入電壓(或電流)增大，則稱為正反饋。實(shí)現(xiàn)這一反饋的電路和元件稱為反饋電路和反饋元件，或稱為反饋網(wǎng)絡(luò)。判斷有無反饋的方法是看有無電路或元件把輸出端直接或間接地和輸入端相連，由此，可以很容易地找出反饋網(wǎng)絡(luò)。例如圖12.6所示電路中，電阻R1和R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，即可判斷該電路存在反饋。2222圖 12.6 反饋網(wǎng)絡(luò)示例23232) 閉環(huán)系統(tǒng)框圖圖12.7為帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：方框代表沒有反饋的基本放大電路，電路的開環(huán)增益為；方框代表反饋系數(shù)為的反饋網(wǎng)絡(luò)， 表示比較環(huán)節(jié)，為電路的輸

13、入信號(hào)，為反饋信號(hào)，為凈輸入信號(hào)，為輸出信號(hào)。AAFFiXfXidXoX2424圖12.7 帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)框圖25252. 反饋形式的判斷反饋形式的判斷1) 正反饋與負(fù)反饋為了判斷反饋是正反饋還是負(fù)反饋，一般采用瞬時(shí)極性法。首先假設(shè)輸入信號(hào)某一瞬間在電路輸入端的極性(用+或表示)，然后根據(jù)電路的反相或同相特性，逐級(jí)推斷出電路各點(diǎn)的瞬時(shí)極性，最后由反饋到輸入端的信號(hào)瞬時(shí)極性判斷是增強(qiáng)還是削弱了凈輸入信號(hào)，從而判定反饋的性質(zhì)?，F(xiàn)以圖12.8所示電路為例進(jìn)行判斷。首先假設(shè)運(yùn)放的同相輸入端其輸入信號(hào)的瞬時(shí)極性為正，如圖中號(hào)所示，則輸出端的輸出信號(hào)也為正，使反饋信號(hào)由輸出端流向接地端，在R2上產(chǎn)

14、生反饋電壓uf。顯然，反饋電壓uf在輸入回路與輸入電壓ui的共同作用下使得凈輸入電壓uid=uiuf， 比無反饋時(shí)減小了，因此該反饋是負(fù)反饋。2626圖12.8 用瞬時(shí)極性法判斷反饋的性質(zhì)27272) 電壓反饋與電流反饋根據(jù)反饋采樣方式的不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。若反饋信號(hào)是輸出電壓的一部分或全部，則稱為電壓反饋，如圖12.9(a)所示；若反饋信號(hào)取自輸出電流，則稱為電流反饋，如圖12.9(b)所示。電壓反饋可以穩(wěn)定輸出電壓，電流反饋可以穩(wěn)定輸出電流。判斷是電壓反饋還是電流反饋的一般方法是：反饋元件直接與輸出端相連的是電壓反饋，否則是電流反饋；或用假想負(fù)載短路法判斷，即令uo=0，若反

15、饋信號(hào)仍存在則為電流反饋，否則為電壓反饋。2828圖 12.9 電壓反饋與電流反饋(a) 電壓反饋；(b) 電流反饋29293) 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋 根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端疊加方式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。當(dāng)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入回路以電壓形式疊加時(shí)為串聯(lián)反饋，如圖12.10(a)所示；若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入回路以電流形式疊加則為并聯(lián)反饋，如圖12.10(b)所示。判斷串聯(lián)或并聯(lián)反饋的一般方法是：若反饋網(wǎng)絡(luò)直接與輸入端相連則為并聯(lián)反饋，否則是串聯(lián)反饋；即輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在放大電路不同輸入端的為串聯(lián)反饋，加在同一個(gè)輸入端的為并聯(lián)反饋。另外，若反饋網(wǎng)絡(luò)對直流信號(hào)有反饋，

16、則稱為直流反饋；若反饋網(wǎng)絡(luò)對交流信號(hào)有反饋，則稱為交流反饋。3030圖 12.10 串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋(a) 串聯(lián)反饋；(b) 并聯(lián)反饋31313. 負(fù)反饋放大電路的四種類型及特點(diǎn)負(fù)反饋放大電路的四種類型及特點(diǎn)1) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路如圖12.9(a)所示，基本放大電路是一集成運(yùn)放，反饋網(wǎng)絡(luò)由電阻RL和Rf組成。通過對該電路反饋極性與類型的判斷，可知是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 電壓負(fù)反饋的重要特點(diǎn)是維持輸出電壓的基本恒定。例如，當(dāng)ui一定時(shí)，若負(fù)載電阻RL減小而使輸出電壓uo下降，則電路會(huì)有如下的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程：RLuoufuiduo 即電壓負(fù)反饋的引入抑制了uo的下降，從而使uo基本維

17、持穩(wěn)定。但應(yīng)指出的是，對于串聯(lián)負(fù)反饋，信號(hào)源內(nèi)阻rs愈小，ui愈穩(wěn)定，反饋效果愈好。電壓放大器的輸入級(jí)或中間級(jí)常采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，其框圖如圖12.11(a)所示。3232圖 12.11 四種組態(tài)負(fù)反饋的框圖(a) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋; (b) 電壓并聯(lián)負(fù)反饋; (c) 電流串聯(lián)負(fù)反饋; (d) 電流并聯(lián)負(fù)反饋33332) 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路如圖12.10(b)所示，顯然電阻Rf是反饋元件。對于并聯(lián)反饋，信號(hào)源內(nèi)阻愈大，ii愈穩(wěn)定，反饋效果愈好。因此，電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路常用于輸入為高內(nèi)阻的信號(hào)電流源、輸出為低內(nèi)阻的信號(hào)電壓源的場合，也稱為電流-電壓變換器，用于放大電路的中間級(jí)。電壓

18、并聯(lián)負(fù)反饋的框圖如圖12.11(b)所示。34343) 電流串聯(lián)負(fù)反饋 電流串聯(lián)負(fù)反饋電路如圖12.10(a)所示，此電路與分壓式偏置穩(wěn)定工作點(diǎn)放大電路相似，只是這里用集成運(yùn)放作為基本放大電路，反饋元件是電阻R。電流負(fù)反饋的特點(diǎn)是使輸出電流基本恒定。例如，當(dāng)us一定時(shí)，若負(fù)載電阻RL增大，使得io減小，則電路會(huì)有如下的自動(dòng)調(diào)整過程： RLioufuidio 電流串聯(lián)負(fù)反饋常用于電壓-電流變換器及放大電路的輸入級(jí)。實(shí)際上分壓式偏置電路就是一個(gè)電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，其發(fā)射極電阻RE是反饋元件。利用上面介紹的方法，不難判斷出RE引入的是電流串聯(lián)負(fù)反饋。因旁路電容CE的作用，RE僅對直流信號(hào)有反饋，目的

19、是為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。電流串聯(lián)負(fù)反饋的框圖如圖12.11(c)所示。35354) 電流并聯(lián)負(fù)反饋 電流并聯(lián)負(fù)反饋電路如圖12.9(b)所示，反饋網(wǎng)絡(luò)是由電阻RL和Rf構(gòu)成的。電流負(fù)反饋的特點(diǎn)是維持輸出電流基本恒定，常用在電流放大電路中。電流并聯(lián)負(fù)反饋的框圖如圖12.11(d)所示。3636【例【例12.1】 圖12.12所示為一運(yùn)算放大器，試求Rf形成反饋的類型。解解 首先用瞬時(shí)極性法判斷反饋的性質(zhì)： uiuo1uouid=(uiuf) 因反饋的作用使得電路的凈輸入信號(hào)增加，故為正反饋；由于反饋電阻Rf直接與電路的輸出端相連，故應(yīng)為電壓反饋；又由于反饋信號(hào)是以電壓的形式與輸入電壓相疊加的，所以

20、是串聯(lián)反饋。因此，Rf形成了電壓串聯(lián)正反饋。3737圖 12.12 例12.1電路38384. 負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式負(fù)反饋放大電路增益的一般表達(dá)式 由圖12.7所示的系統(tǒng)框圖可知，各信號(hào)量之間有如下的關(guān)系：fiidofidoXXXXFXXAXFAAXXA1iof(12.2)(12.3)根據(jù)上面的關(guān)系式，經(jīng)組合整理可得負(fù)反饋放大電路閉環(huán)增益的一般表達(dá)式為fA(12.4)3939由式(12.4)可以看出，放大電路引入反饋后，其增益改變了。若，則，增益減小了，其反饋為負(fù)反饋；若，則，增益增大了，其反饋為正反饋。有反饋的放大電路各方面性能變化的程度都與的大小有關(guān)，因此， 是衡量反饋程度的重要

21、指標(biāo)，稱為反饋深度。當(dāng)1時(shí)，稱為深度負(fù)反饋，放大電路的閉環(huán)增益可近似表示為11FAAAf11FAAAfFA1FA1FA1(12.5)FFAAFAAA11f4040上式表明在深度負(fù)反饋放大器中，閉環(huán)增益主要由反饋系數(shù)決定，此時(shí)反饋信號(hào) 的大小近似等于輸入信號(hào)的大小，即，凈輸入信號(hào)近似為零，這是深度負(fù)反饋放大電路的重要特點(diǎn)。fXiXfiXXidX41415. 負(fù)反饋對放大器性能的影響負(fù)反饋對放大器性能的影響在放大電路中引入負(fù)反饋后，雖然放大倍數(shù)有所下降，但從多方面改善了放大電路的性能。1) 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性 當(dāng)放大電路為深度負(fù)反饋時(shí)，由式(12.5)可知。這就是說，放大電路的增益近似取決于反饋

22、網(wǎng)絡(luò)，與基本放大電路幾乎無關(guān)。而反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由一些性能穩(wěn)定的電阻、電容元件組成的，反饋系數(shù)很穩(wěn)定，這使得亦很穩(wěn)定。通過對式(12.4)中的A求導(dǎo)數(shù)，可得FA/1ffAF(12.6)AAAFAAd11dff42422) 減小非線性失真 當(dāng)輸入信號(hào)的幅度過大時(shí)，放大電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的波形不完全一樣，我們稱之為輸出信號(hào)出現(xiàn)了非線性失真。如圖12.13(a)所示，正弦信號(hào)經(jīng)放大后，出現(xiàn)了正半周大、負(fù)半周小的現(xiàn)象。引入負(fù)反饋后，可以使輸出信號(hào)的波形失真得到一定程度的改善，如圖12.13(b)所示。由于反饋信號(hào)也是正半周較大，負(fù)半周較小，因此它與輸入信號(hào)疊加后，使得凈輸入信號(hào)的正半周被削弱得較多

23、，而負(fù)半周被削弱得較少，經(jīng)放大后可使輸出波形得到一定程度的矯正，即減小了非線性失真。4343圖 12.13 負(fù)反饋減小非線性失真 (a) 無負(fù)反饋時(shí)信號(hào)的波形； (b) 引入負(fù)反饋后信號(hào)的波形44443) 擴(kuò)展頻帶 放大電路都有一定的頻帶寬度，超過這個(gè)頻率范圍的信號(hào)，增益將顯著下降。一般將增益下降3 dB時(shí)所對應(yīng)的頻率范圍稱為放大電路的通頻帶，也稱為帶寬，用BW表示。引入負(fù)反饋后，電路中頻區(qū)的增益要減小很多，但高、低頻區(qū)的增益減小較少，使得電路在高、中、低三個(gè)頻段上的增益比較均勻，放大電路的通頻帶自然加寬。45454) 改變輸入電阻和輸出電阻 引入負(fù)反饋后，放大器的輸入、輸出電阻會(huì)受到很大的影

24、響。負(fù)反饋對輸入電阻的影響決定于輸入端的反饋類型，與輸出端的采樣方式無關(guān)。串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大，并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。負(fù)反饋對輸出電阻的影響取決于輸出端的采樣方式，與輸入端的反饋類型無關(guān)。電壓負(fù)反饋使輸出電阻降低，輸出電路近似于恒壓源；而電流負(fù)反饋使輸出電阻增大，輸出電路近似于恒流源。464612.6 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用1. 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路1) 反相比例運(yùn)算反相比例運(yùn)算電路如圖12.14所示。輸入信號(hào)ui通過電阻R1加到集成運(yùn)放的反相輸入端，輸出信號(hào)通過反饋電阻Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。運(yùn)放的同相輸入端經(jīng)電阻R2接地。因?yàn)檫\(yùn)

25、放的輸入端為差動(dòng)放大器，所以要求運(yùn)放的兩個(gè)輸入端對地的直流等效電阻相等，即R2= R1Rf，R2稱為平衡電阻。4747圖12.14 反相比例運(yùn)算電路4848由于電路存在“虛短”，因而u=u+=0，即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端與地等電位，常稱為虛地；又根據(jù)“虛斷”的概念， ii=if，即foiiRuRui1fouRRu得到 (12.7)即輸出電壓與輸入電壓之間成比例運(yùn)算關(guān)系，其比例系數(shù)為Rf/R1，負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。當(dāng)R1=Rf時(shí)，uo=ui，稱為反相器或反號(hào)器。49492) 同相比例運(yùn)算 同相比例運(yùn)算電路如圖12.15所示，輸入信號(hào)ui通過R2加到集成運(yùn)放的同相輸入端，輸出信號(hào)通過Rf反饋

26、到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋；反相輸入端經(jīng)電阻R1接地。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，有ii=ifu=u+=ui即i1fo1uRRufio1oRuuRu則輸出電壓為 (12.8)5050當(dāng)R1=或Rf=0時(shí)，uo=ui，稱這種電器為電壓跟隨器，如圖12.16所示。圖 12.15 同相比例運(yùn)算電路5151圖12.16 電壓跟隨器52522. 加法與減法運(yùn)算加法與減法運(yùn)算1) 加法運(yùn)算加法運(yùn)算電路如圖12.17所示，由于 ,fo122i211 i1RuiRuiRui利用KCLi1+i2=if即22i11 ifoRuRuRu2i2f1 i1fouRRuRRu經(jīng)整理后得到(12.9)5353

27、圖12.17 加法運(yùn)算電路5454當(dāng)R1=R2=Rf時(shí)，有uo=(ui1+ui2) (12.10)即輸出電壓等于各輸入電壓之和的負(fù)值。 若在圖12.17的輸出端再接一反號(hào)器，則可消除負(fù)號(hào)，實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，如圖12.18所示。其中2i2f1 i1f1o44o2i2f1 i1f1ouRRuRRuRRuuRRuRRu(12.11)5555圖12.18 雙運(yùn)放加法運(yùn)算電路56562) 減法運(yùn)算減法運(yùn)算又稱為差動(dòng)運(yùn)算，其電路如圖12.19所示。若把兩個(gè)輸入信號(hào)分別加在運(yùn)放的同相和反相輸入端，根據(jù)疊加定理，當(dāng)ui1單獨(dú)作用時(shí)，電路是反相比例運(yùn)算，輸出信號(hào)電壓為2i3231f2o1uRRRRRu1 i1f1o

28、uRRu 當(dāng)ui2單獨(dú)作用時(shí)，電路是同相比例運(yùn)算，輸出信號(hào)電壓為 5757圖12.19 減法運(yùn)算電路5858當(dāng)ui1和ui2共同作用時(shí)，輸出信號(hào)電壓為(12.12)1 i1f2i3231f2o1oo1uRRuRRRRRuuu)(1 i2i1fouuRRu若取R3R2=RfR1，則有(12.13)即輸出信號(hào)電壓正比于兩個(gè)輸入信號(hào)電壓之差。特別地，當(dāng)Rf=R1時(shí)，則uo=ui2ui1 (12.14)即輸出信號(hào)電壓等于兩個(gè)輸入電壓信號(hào)之差。5959減法運(yùn)算也可以由雙運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)，如圖12.20所示。第一級(jí)為反相比例運(yùn)算電路，若Rf1=R1，則uo1=ui1；第二級(jí)為反相加法運(yùn)算電路，輸出為 )()(2

29、i1 i22f2io122fouuRRuuRRu取Rf2=R2，電路可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的減法運(yùn)算，即 uo=ui1ui26060圖12.20 雙運(yùn)放減法運(yùn)算電路6161【例【例12.2】 電路如圖12.21所示，已知R1=R2=Rf1=30 k, R3=R4=R5=R6=Rf2=10 k， ui1=0.2 V，ui2=0.3 V，ui3=0.5 V，求輸出電壓uo。圖 12.21 例12.2電路6262解解 從電路圖可知，運(yùn)放的第一級(jí)為加法運(yùn)算電路，第二級(jí)為減法運(yùn)算電路。 V15 . 03 . 02 . 0)(13i2i1 i3i2i1 i3i64652f1o52fo2i1 i2i21f1 i1f1o

30、uuuuuuuRRRRRuRRuuuuRRuRRu63633. 積分與微分運(yùn)算積分與微分運(yùn)算1) 積分運(yùn)算積分電路是控制和測量系統(tǒng)中的重要組成部分，利用它可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)功能并能產(chǎn)生各種波形。積分運(yùn)算電路如圖12.22所示，從圖中可看出，積分運(yùn)算電路將反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻Rf換成了電容C。利用“虛短”和“虛斷”的概念，可知電容電流為1i1RuiiCtuCRtiCuuCCd1d1i1o設(shè)電容C的初始電壓為0，則(12.15)6464圖 12.22 積分運(yùn)算電路65652) 微分運(yùn)算微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算，將積分電路中的電阻與電容的位置互換就構(gòu)成微分運(yùn)算電路，如圖12.23 所示。微

31、分運(yùn)算電路常用于脈沖數(shù)字電路的波形變換。由于 fofi,ddRuituCiCtuCRuddifo及 iC=if 故(12.16)6666圖12.23 微分運(yùn)算電路67674 對數(shù)與指數(shù)運(yùn)算對數(shù)與指數(shù)運(yùn)算1) 對數(shù)運(yùn)算對數(shù)運(yùn)算電路如圖12.24所示，其工作原理是：利用晶體管PN結(jié)的指數(shù)型伏安特性，使輸出電壓與輸入電壓的對數(shù)成正比，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)運(yùn)算。由于 u=u+=0 uuo=uBE則有 uo=uBE 晶體管發(fā)射結(jié)的伏安特性表示為(12.17) 1(e) 1(eBEBEssTUukTquIIi6868圖 12.24 對數(shù)運(yùn)算電路6969式中，UT=kT/q；Is為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流，當(dāng)溫度不變時(shí)為常數(shù)；q為電子電量