課題八 集成運(yùn)算放大電路

1、課題八 集成運(yùn)算放大電路學(xué)習(xí)情境1 了解集成運(yùn)算放大器的基本組成、主要參數(shù)及分析方法 所謂集成電路，是相對分立電路而言的，就是把整個(gè)電路的各元器件以及相互之間的連接同時(shí)制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)不可分割的整體。 一、集成運(yùn)算放大器的基本組成 集成運(yùn)算放大器是一種集成化的半導(dǎo)體器件。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有很高放大倍數(shù)的直接耦合的多級放大電路，可以簡稱為“集成運(yùn)放組件”。 實(shí)際的集成運(yùn)放組件有許多不同的型號，每一種型號的內(nèi)部線路都不同，從使用的角度來看，我們感興趣的只是它的參數(shù)和特性指標(biāo)以及使用方法。集成運(yùn)算放大器的類型很多，電路也各不相同，但從電路的角度來看，基本上都由輸入級、中間級、輸出級和

2、偏置電路四個(gè)部分組成，如圖8-1所示。圖8-1 集成運(yùn)算放大器的基本放大電路 如圖8-2所示為LM741集成運(yùn)算放大器的外形和管腳。它有8個(gè)管腳，各管腳的用途如下： （1）輸入端和輸出端。 （2）電源端。 （3）調(diào)零端。 圖8-2 LM741集成運(yùn)算放大器的外形和管腳二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)（一）最大輸出電壓UOPP（二）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo（三）輸入失調(diào)電壓UIO（四）輸入失調(diào)電流IIO（五）開環(huán)差模輸入電阻ri和輸出電阻ro（六）共模抑制比KCMR（七）最大共模輸入電壓UiCM 三、集成運(yùn)算放大器的基本分析方法 在分析集成運(yùn)算放大器時(shí)，為了簡化分析并突出主要性能，通常把集成運(yùn)算放大器

3、看成是理想集成運(yùn)算放大器。 理想集成運(yùn)算放大器應(yīng)當(dāng)滿足下列條件： 開環(huán)電壓放大倍數(shù) Auo 開環(huán)差模輸入電阻 rid 開環(huán)差模輸出電阻 ro 0 共模抑制比 KCMR 集成運(yùn)算放大器可以工作在線性區(qū)域，也可以工作在非線性區(qū)域。理想集成運(yùn)算放大器的符號如圖8-3所示，集成運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo很大，即使加到兩個(gè)輸入端的信號很小，甚至受到一些外界信號的干擾，都會使輸出達(dá)到飽和，從而進(jìn)入非線性狀態(tài)。 在直流信號放大電路中使用的集成運(yùn)算放大器是工作在線性區(qū)域的，把集成運(yùn)算放大器作為一個(gè)線性放大元件應(yīng)用，它的輸出和輸入之間應(yīng)滿足如下關(guān)系式： (8-1) 集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性如圖8-4

4、所示。 為了使集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域，通常把外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等跨接在集成運(yùn)算放大器的輸出端，與反相輸入端之間構(gòu)成閉環(huán)工作狀態(tài)，限制其電壓放大倍數(shù)。圖8-3 理想集成運(yùn)算放大器的符號圖8-4 集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性 工作在線性區(qū)域的理想集成運(yùn)算放大器有兩個(gè)重要結(jié)論： （1）集成運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端的電位相等(虛短)。 （2）集成運(yùn)算放大器同相輸入端和反相輸入端輸入電流等于零(虛斷)。學(xué)習(xí)情境2 掌握基本運(yùn)算電路的運(yùn)算方法 運(yùn)算電路是指電路的輸出信號與輸入信號之間存在某種數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系。運(yùn)算電路可實(shí)現(xiàn)模擬量的運(yùn)算。一、比例運(yùn)算電路 （一）反相比例運(yùn)算電路 如圖8-5

5、所示，輸入信號ui經(jīng)輸入外接電阻R1送到反相輸入端，而同相輸入端通過電阻R2接地。反饋電阻RF跨接在輸出端和反相輸入端之間，形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。圖8-5 反相比例運(yùn)算電路 根據(jù)集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域的兩條分析依據(jù)，可知： （1）流入放大器的電流趨近于零，即 i+i-0 （2）反相輸入端與同相輸入端電位近似相等，即 u+u-0 得iiif+i-if所以即因此，閉環(huán)(引入反饋后的)電壓放大倍數(shù)為 (8-4) 例8-1 在圖8-5中，設(shè)R1=10 k，RF= 50 k，求Auf。如果ui=0.5 V，uo為多少？ 解： （二）同相比例運(yùn)算電路 如圖8-6所示，輸入信號ui通過外接電阻R2輸入送

6、到同相輸入端，而反相輸入端經(jīng)電阻R1接地。反饋電阻RF跨接在輸入端和反相輸入端之間，形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。圖8-6 同相比例運(yùn)算電路 根據(jù)集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域時(shí)的兩條依據(jù)，可知： （1）反相輸入端與同相輸入端電壓相等，即 u+u-ui （2）流入放大器的電流趨近于零，即 i+i-0則可得ii=if+i-if由圖8-6可列出解得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為 (8-5) 當(dāng)R1=(斷開)或RF=0時(shí)，則Auf=uo/ui=1，輸出電壓與輸入電壓始終相同，這時(shí)電路稱為電壓跟隨器，如圖8-7所示。電壓跟隨器放在輸入級可減輕信號源的負(fù)擔(dān)，放在兩級電路的中間可起到隔離電路的作用。圖8-7 電壓跟隨器 例8-2

7、 分析圖8-8中輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，并說明電路的作用。圖8-8 例8-2圖 解：如圖8-8所示電路中反相輸入端未接電阻R1（即R1=），穩(wěn)壓管電壓UZ作為輸入信號ui加到同相輸入端，該電路形式如同電壓跟隨器，則有 uo=ui=UZ 由于比較穩(wěn)定、精確，此電路可作為基準(zhǔn)電壓源，且可以提供較大輸出電流。 如圖8-9所示為電子溫度計(jì)原理。A1和A2分別為同相比例運(yùn)算和反相比例運(yùn)算電路。三極管VT為溫度傳感器，管子導(dǎo)通電壓UBE隨溫度t線性變化，溫度系數(shù)為負(fù)值，即t上升時(shí)UBE減小，這時(shí)信號源電壓uS=UBE。設(shè)溫度t的變化范圍為-50 +50 。電容C可對交流干擾起旁路作用。圖8-9 電子溫度

8、計(jì)原理二、加減運(yùn)算電路 （一）加法運(yùn)算電路 加法運(yùn)算電路的輸出電壓與若干個(gè)輸入電壓的代數(shù)和成比例。在實(shí)際應(yīng)用中，常需要對一些信號進(jìn)行組合處理，各個(gè)信號既要有公共的接地點(diǎn)，又要能夠組合，實(shí)際中往往把電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號之后再進(jìn)行加減。如果在反相比例運(yùn)算電路的輸入端增加若干輸入電路，如圖8-10所示，則構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路。圖8-10 反相加法運(yùn)算電路由節(jié)點(diǎn)電流定律得整理得當(dāng)R11=R13=R13=R1時(shí)，則上式為 (8-6)當(dāng)R1=RF時(shí)，則有平衡電阻為 例8-3 一個(gè)測量系統(tǒng)的輸出電壓和一些待測量(經(jīng)傳感器變換為電壓信號)的關(guān)系為uo=2ui1+0.5ui2+4ui3，試用集成運(yùn)放構(gòu)成信號處

9、理電路，若取RF=100 k，求各電阻值。 解：分析得知輸入信號為加法關(guān)系，因此第一級采用加法電路，輸入信號與輸出信號要求同相位，所以再加一級反相器。電路構(gòu)成如圖8-11所示。圖8-11 例8-3圖推導(dǎo)第一級電路的各阻值：由RF=100 k得R11=50 k，R12=200 k，R13=25 k平衡電阻為Rb1=RFR11R12R13=1005020025=13 k第二級為反相電路，則有R21=RF=100 k平衡電阻為Rb2=RFR21=100100=50 k （二）減法運(yùn)算電路 如果兩個(gè)輸入端都有信號輸入，則為差分輸入。差分運(yùn)算在測量和控制系統(tǒng)中應(yīng)用很多，其放大電路如圖8-12所示。圖8-

10、12 差分輸入放大電路 根據(jù)疊加原理可知，uo為ui1和ui2分別單獨(dú)在反相比例運(yùn)算電路和同相比例運(yùn)算電路上產(chǎn)生的響應(yīng)之和，即 當(dāng)R1=R2，R3=RF時(shí)，則有 (8-7)三、微分與積分運(yùn)算電路 （一）微分運(yùn)算電路 微分運(yùn)算電路如圖8-13(a)所示。依據(jù)u+u-0，可得 iR=uC 所以 即 (8-8) 可見uo與ui的微分成比例，因此稱為微分運(yùn)算電路。 在自動控制電路中，微分運(yùn)算電路不僅可實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)微分運(yùn)算，還可以用于延時(shí)、定時(shí)以及波形變換，如圖8-13(b)所示，當(dāng)ui為矩形脈沖時(shí)，則uo為尖脈沖。圖8-13 微分運(yùn)算電路（a）電路；（b）波形 （二）積分運(yùn)算電路 積分運(yùn)算電路如圖8-14

11、（a）所示。由電路可得 (8-9) 可見，uo與ui的積分成比例，因此稱為積分運(yùn)算電路。 若ui=-U，則由式(8-9)可得 (8-10) 此時(shí)uo與時(shí)間t成比例，其中uC(0)為電容C端電壓的初始值，圖8-14(b)所示為uC(0)=0時(shí)uo和ui的波形。圖8-14 積分運(yùn)算電路（a）電路；（b）波形 微分和積分運(yùn)算電路應(yīng)用很廣，除了微積分運(yùn)算外，還可用于延時(shí)、波形變換、波形發(fā)生、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及移相等。由于微分與積分互為逆運(yùn)算，兩者的應(yīng)用也類似，下面僅舉幾個(gè)積分運(yùn)算電路的應(yīng)用例子： （1）延時(shí)作用。由圖8-14（b）可知，如果積分運(yùn)算電路輸出端的負(fù)載所需驅(qū)動電壓為uo=Uo，則在t=0時(shí)使ui

12、=-U，經(jīng)過時(shí)間t0，輸出電壓uo即上升達(dá)到Uo值使負(fù)載動作。 （2）將方波變換為三角波。如果積分運(yùn)算電路ui為方波，則根據(jù)式（8-9）可畫出uo波形為三角波，ui和uo波形如圖8-15（a）所示。 （3）移相作用。如果積分運(yùn)算電路中ui為正弦波，則由式(8-9)可求得uo為余弦波，ui和uo波形如圖8-15（b）所示?？梢?，uo超前ui 90，因此積分運(yùn)算電路可對輸入正弦信號實(shí)現(xiàn)移相。圖8-15 積分運(yùn)算電路的波形變換和移相作用（a）輸入為方波；（b）輸入為正弦波學(xué)習(xí)情境3 了解電壓比較器的基本知識 電壓比較器是一種用來比較輸入信號ui和參考電壓uR的電路。 一、過零電壓比較器 參考電壓為零

13、的比較器稱為過零比較器(也稱為“零電平比較器”)，它是最為簡單的一種比較器，如圖8-16所示。圖8-16 過零比較器（a）電路；（b）傳輸特性 輸入信號ui經(jīng)電阻R1接至反相輸入端，而同相輸入端接地，有u+=0。根據(jù)前面的介紹，運(yùn)放工作于非線性區(qū)時(shí)，當(dāng)u+u-時(shí)，uo=+UOM；當(dāng)u-u+時(shí)，uo=-UOM。顯然，當(dāng)ui0時(shí) uo=-UOM （8-12） 也就是說，每當(dāng)輸入信號越過零時(shí)，輸出電壓就要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由一個(gè)狀態(tài)躍變到另一個(gè)狀態(tài)（由+UOM到-UOM，或者由-UOM到+UOM）。因此，過零比較器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入信號的過零檢測。利用這一點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換。例如，輸入信號是正弦波，輸出信號就變成了矩形波，如圖8-17所示。圖8-17 過零比較器的波形二、單限電壓比較器 將圖8-16（a）中的同相輸入端外接一參考電壓UR，就構(gòu)成了單限比較器，如圖8-18（a）所示。這種比較器的輸出電壓uo其實(shí)是輸入電壓ui與參考電壓UR比較的結(jié)果。根據(jù)前面的分析，當(dāng)uiUR時(shí) uo=-UOM （8-14）這種比較器的輸出特性如圖8-18（b）所示。圖8-18 單限比較器（a）電路；（b