電工學(xué)課件集成運(yùn)算放大器（鳳山書屋）

1、第16章 集成運(yùn)算放大器1陽(yáng)山書屋c主要內(nèi)容集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)介運(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)處理方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題2陽(yáng)山書屋c 16.1 集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成電路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 導(dǎo)電類型：雙極型、單極型 兼容型 信號(hào)類型：數(shù)字、模擬、混合 優(yōu) 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 3陽(yáng)山書屋c16.1.1 集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn) 盡量避免使用電容。輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路。電阻值大致為100 3

2、0k。二極管都采用三極管構(gòu)成。 4陽(yáng)山書屋c16.1.2 電路的簡(jiǎn)單說明 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?？蓽p小零點(diǎn)漂移和抑制干擾。中 間 級(jí)：共射放大電路。用于電壓放大。輸 出 級(jí)：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)。5陽(yáng)山書屋c 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 741761432582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

3、需要，運(yùn)放各級(jí)之間均采用直接耦合的方式。6輸出端3同相輸入端4負(fù)電源端7正電源端8閑置端（NC）1、5接調(diào)零電位器6陽(yáng)山書屋c二、運(yùn)放特點(diǎn) 開環(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 。7陽(yáng)山書屋c16.1.3 主要參數(shù)1、最大輸出電壓UOPP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、開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo沒有外接反饋時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)。3、輸入失調(diào)電壓Uio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)零電位器來完成，如前所述）8陽(yáng)山書屋c4、輸入失調(diào)電流Ii當(dāng)輸入信號(hào)

4、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、輸入偏置電流IiB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、最大共模輸入電壓UiCM 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。9陽(yáng)山書屋c3）開環(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：1）開環(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)算放大器及其分析依據(jù) 10陽(yáng)山書屋c 實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)指標(biāo)很接近理想化

5、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11陽(yáng)山書屋c虛地虛斷虛短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)： uo=Auo(u+-u-)rid ，故兩輸入端的輸入電流為零。 Auo ，uo為有限值，故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-分析依據(jù)當(dāng)有信號(hào)輸

6、入時(shí)，如同相端接地，即u+=0 則 u- 0虛短12陽(yáng)山書屋c飽和區(qū)： uoAuo(u+-u-)當(dāng)u+ u- 時(shí),uo=uo(sat) 當(dāng)u+ R424陽(yáng)山書屋cP123習(xí)題16.2.10 解：用結(jié)點(diǎn)電壓法求u+25陽(yáng)山書屋c 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。16.3 運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.1 有源濾波器 濾波器是一種選頻電路選出有用信號(hào)，而抑制無用信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過，衰減小；而在此頻率范圍以外的信號(hào)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組成的無源濾波器再接到運(yùn)算放大器的輸入

7、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：體積小、效率高、頻率特性好等。26陽(yáng)山書屋cuiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR11. 有源低通濾波器o幅頻特性27陽(yáng)山書屋co幅頻特性28陽(yáng)山書屋c2. 有源高通濾波器 +R1RFRCuiu0 0由RC電路得出：29陽(yáng)山書屋c故30陽(yáng)山書屋c其模為：幅角為：31陽(yáng)山書屋c16.3.2 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

8、采樣保持t輸入輸出波形32陽(yáng)山書屋c16.3.3 電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1ui 運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài)，uR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)便會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線性飽和區(qū)。 參考電壓等于零時(shí)，稱為過零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuR33陽(yáng)山書屋c電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。 uiuoOURURuouiR2+R1+當(dāng) u+u 時(shí)，uo= +Uo (sat) u+u 時(shí)，uo= Uo (sat) 即 uiUR 時(shí)，uo = Uo (sa

9、t)可見，在 ui =UR 處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。參考電壓34陽(yáng)山書屋cuitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2單限電壓比較器： 當(dāng) ui 單方向變化時(shí)， uo 只變化一次。URuouiR2+R1+電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR35陽(yáng)山書屋cui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+ Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端電壓傳輸特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR36陽(yáng)山書屋cURuouiR2+R

10、1+uiuoURR2+R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uo輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t237陽(yáng)山書屋c輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫t ui UR，uo = UZUZ UZuoRDZURuouiR2+R1+電壓傳輸特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURuiUR 時(shí)，uo = Uo (sat) 38陽(yáng)山書屋c過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲妷簜鬏斕匦訳o(sat) +Uo(sat)uiuoOUR= 0tuiOtuo+Uo(sat)Uo(sat)

11、OURuouiR2+R1+39陽(yáng)山書屋c滯回比較器40陽(yáng)山書屋c分析： 當(dāng)輸出為+UZ時(shí) 稱為上限閾值電壓； 當(dāng)輸出為-UZ時(shí)稱為下限閾值電壓 。41陽(yáng)山書屋c窗口比較器42陽(yáng)山書屋c16.4 運(yùn)放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用： 產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點(diǎn)：不用外接輸入信號(hào)，即有輸出信號(hào)。43陽(yáng)山書屋c16.4.1 矩形波發(fā)生器1. 電路結(jié)構(gòu) 由滯回比較器、 RC充放電電路組成， 電容電壓uC 即是比較器的輸入電壓，2. 工作原理設(shè)電源接通時(shí)， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。 電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。 uo

12、 通過 RF 對(duì)電容C充電， uC 按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。 RFCuC+R1R2uo+充電UR+44陽(yáng)山書屋c當(dāng) uo = +Uo(sat)時(shí)，電容充電， uC上升，電容放電， uC下降，當(dāng)uC= UR 時(shí)，uo 跳變成 Uo(sat)當(dāng) uC= UR 時(shí)，uo 跳變成 +Uo(sat) ，電容又重新充電。放電2. 工作原理RFCuC+R1R2uo+充電UR+RFCuC+R1R2uo+UR+45陽(yáng)山書屋c3. 工作波形充電放電uouCt1t3t2T1T2TUo(sat)+ Uo(sat)46陽(yáng)山書屋c A1：滯回比較器 因 u = 0 ， 所以當(dāng) u+ = 0 時(shí)， A1狀態(tài)改變16.4.2 三角波

13、發(fā)生器1. 電路結(jié)構(gòu)A2：反相積分電路Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R147陽(yáng)山書屋c2. 工作原理A1：滯回比較器 因 u- = 0 ，所以當(dāng) u+ = 0時(shí)，A1狀態(tài)改變輸出 uo1 改變(+UZ 躍變到UZ 或 UZ 躍變到 +UZ)，當(dāng)同時(shí)積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R148陽(yáng)山書屋cTT1T23. 工作波形uo1 UZ UZtOuo (1) 改變比較器的輸出 uo1、電阻R1 、R2 即可改變?nèi)遣ǖ姆怠?(2) 改變積分常數(shù)R4C 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。tRCUuio-=49陽(yáng)山書屋c16.4.3 鋸齒波發(fā)生器1. 電路Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R1三角波發(fā)