集成運放及其基本應(yīng)用

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

FundamentalsofAnalogElectronic

第二章集成運放及其基本應(yīng)用知識回顧：電子技術(shù)的發(fā)展-模擬電路-電子信息系統(tǒng)-課程特點-學習方法-考查方法第二章集成運放及其基本應(yīng)用§2.1放大的概念與放大電路的性能指標§2.2集成運算放大電路§2.3理想運放組成的基本運算電路§2.4理想運放組成的電壓比較器§2.1放大的概念與放大電路的性能指標一、放大的概念二、放大電路的性能指標一、放大的概念放大的本質(zhì)：能量的控制，利用有源元件實現(xiàn)VCC至少一路直流電源供電，是能源判斷電路能否放大的基本出發(fā)點放大的特征：功率放大常用正弦波做測試信號放大的對象：變化量放大的基本要求：不失真——放大的前提輸入信號為零時為靜態(tài)。能夠控制能量的元件二、性能指標：研究的是動態(tài)性能。1.放大倍數(shù)：輸出量與輸入量之比電壓放大倍數(shù)是最常被研究和測試的參數(shù)信號源信號源內(nèi)阻輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流對信號而言，任何放大電路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。2.輸入電阻和輸出電阻

將輸出等效成有內(nèi)阻的電壓源，內(nèi)阻就是輸出電阻。空載時輸出電壓有效值帶RL時的輸出電壓有效值輸入電壓與輸入電流有效值之比。從輸入端看進去的等效電阻3、通頻帶4、最大不失真輸出電壓Uom：交流有效值。

由于電容、電感及半導體元件的電容效應(yīng)，使放大電路在信號頻率較低和較高時電壓放大倍數(shù)數(shù)值下降，并產(chǎn)生相移。衡量放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力。下限頻率上限頻率5、最大輸出功率和效率：功率放大電路的主要指標參數(shù)。擴音機的fL和fH為多少？4.最大不失真輸出電壓Uom：

不失真的前提下能夠輸出的最大電壓。5.最大輸出功率Pom和效率η：

Pom：在輸出信號不失真的情況下，負載上能夠獲得的最大功率

效率η：放大電路中供電的直流電源能量的利用率效率等于最大輸出功率Pom與電源消耗功率PV之比即：§2.2集成運算放大電路一、差分放大電路的概念二、集成運放的符號及電壓傳輸特性三、理想運放及其動態(tài)等效電路2.2集成運算放大電路

集成運算放大電路，簡稱集成運放，是一個高性能的放大電路。因首先用于信號的運算而得名。由于它具有體積小、重量輕、價格低、使用可靠、靈活方便、通用性強等優(yōu)點，在檢測、自動控制、信號產(chǎn)生與信號處理等許多方面得到了廣泛應(yīng)用。兩個輸入端一個輸出端組成的框圖如下：一、差分放大電路的概念1.需求熱電阻測溫電橋環(huán)境溫度變化阻值變化某一標準溫度下uI1＝uI２＝VCC/2uI＝uI1－uI２＝0。需要一種放大電路，對uI1和uI２共同的部分不放大，僅對它們的差值放大。溫度變化（即偏離標準溫度）時，產(chǎn)生ΔuI，這是放大的對象?！罘址糯箅娐?/p>

集成運放的輸入部分是差分放大電路，集成運放也可看成高性能的差分放大電路。差分放大電路ui1ui2uo放大電路uiuo

差分放大電路有二個輸入端和輸出端。在差動放大電路的兩個輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號，即ui1=-ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。兩信號的差值稱為差模信號，用uid表示，uid為兩輸入端輸入信號之差，即:uid=ui1–ui2一、差分（動）放大電路的概念一般放大電路：差分放大電路：

若兩輸入端分別輸入大小相等、極性相同的信號，即ui1=ui2，這種輸入方式稱為共模輸入，兩信號的算術(shù)平均值稱為共模信號，用uic表示。uic為。uic=ui1=ui2

若ui1≠ui2，這種輸入方式稱為比較輸入，ui1、ui2可分解為一對共模信號及一對差模信號。即：

差分放大電路只對差模信號才起放大作用，對共模信號起抑制作用，故稱為差分放大電路。2.共模信號和差模信號共模信號：若差分放大電路的兩個輸入端所輸入的信號大小相等、極性相同，則稱之為共模信號。差模信號：若差分放大電路的兩個輸入端所輸入的信號大小相等、極性相反，則稱之為差模信號。對差分放大電路的要求：放大差模信號、抑制共模信號3.典型差分放大電路方框圖典型的差分放大電路有兩個輸入端、兩個輸出端，它們均不直接接地，這種電路形式稱為雙端輸入、雙端輸出接法。（1）加差模信號時差分放大電路的輸入回路和輸出回路均具有對稱性，故輸入回路和輸出回路的中點電位不變，即動態(tài)電位為0，即為“地”。RL（2）加共模信號時差分放大電路具有理想對稱性，溫度變化所引起晶體管參數(shù)的變化可等效為共模信號輸入。uI/24.差分放大電路的放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)共模抑制比越大越好絕對值越小越好絕對值越大越好為綜合考察差分放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力，引入?yún)?shù)—共模抑制比。5.差分放大電路的四種接法由于在實際應(yīng)用場合為避免干擾輸入信號源有接地端，為負載安全負載常需有接地端，故差分放大電路有四種接法，即雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出。雙端輸入、單端輸出電路：集成運放可等效為高性能的雙端輸入單端輸出差分放大電路。差動放大電路的幾種輸入和輸出方式：雙端輸入、單端輸出：單端輸入、雙端輸出：單端輸入、單端輸出：雙端輸入、雙端輸出：二、集成運放的符號及電壓傳輸特性集成運算放大電路因最初為實現(xiàn)信號的運算而得名。高性能：輸入電阻很大、輸出電阻很小、差模放大倍數(shù)很大、共模放大倍數(shù)很小、頻帶很寬、受溫度的影響很小……不同型號的集成運放供電電源不同，有的兩路電源供電，有的一路電源供電，有的兩種情況均可。缺省時認為是±VCC（常為±15V

）供電。1.符號極性相同極性相同∞_++(a)國標符號運放符號(b)習慣畫法集成運放的符號二、集成運放的符號及電壓傳輸特性2、電壓傳輸特性:輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系線性區(qū)開環(huán)差模增益高達幾十萬倍非線性區(qū)輸出不是高電平+UOM就是低電平-UOM若±UOM=±14V，Aod=105，則為保證集成運放工作在線性區(qū)輸入信號的范圍為多少？±UOM的值決定于什么？3、理想運放及其動態(tài)等效電路

理想運放的參數(shù)特點：差模輸入電阻rid為∞、輸出電阻ro為0、開環(huán)差模增益Aod為∞、共模抑制比KCMR為∞、頻帶無限寬、溫度對參數(shù)無影響。目前，集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)均在104以上，輸入電阻達到兆歐數(shù)量級，輸出電阻在幾百歐以下。因此，作近似分析時，常常對集成運放作理想化處理。

問題：若將輸入信號直接加在理想運放的輸入端，則理想運放有可能工作在線性區(qū)嗎？負載電阻的阻值變化時，理想運放的輸出電壓變化嗎？為什么？理想運放的條件虛短路放大倍數(shù)與負載無關(guān)。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。虛開路4、集成運放工作在線性區(qū)的特點：4、集成運放工作在非線性區(qū)的特點：1)凈輸入電流為ii=02)uP>uN時，

uO＝＋UOM3)

uP<uN時，

uO＝－UOM§2.3理想運放組成的基本運算電路一、概述二、比例運算電路三、加減運算電路四、積分運算電路和微分運算電路一、概述1.理想運放的線性工作區(qū)域有限值無窮大無窮小為保證理想運放工作在線性區(qū)，必須引入負反饋。無源網(wǎng)絡(luò)反饋：將放大電路的輸出量通過一定的方式引回到輸入回路來影響輸入量，稱為反饋。正、負反饋：若反饋的結(jié)果使輸出量的變化增大，則稱為正反饋；若反饋的結(jié)果使輸出量的變化減小，則稱為負反饋。uO↑→uN↑→uO

↓（1）電路結(jié)構(gòu)（2）工作在線性區(qū)的特點由于uO為有限值，Aod＝∞，因而凈輸入電壓uP－uN＝0，即因為凈輸入電壓為零，又因為輸入電阻為無窮大，所以兩個輸入端的輸入電流也均為零，即uP＝uN——虛短路iP＝iN＝0——虛斷路“虛短”和“虛斷”是分析工作在線性區(qū)的集成運放的應(yīng)用電路的兩個基本出發(fā)點。2.研究的問題（此時運放工作在線性區(qū)）（1）運算關(guān)系：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。（2）描述方法：運算關(guān)系式uO＝f(uI)（3）分析方法：“虛短”和“虛斷”是基本出發(fā)點。（1）識別電路；（2）掌握輸出電壓和輸入電壓運算關(guān)系式的求解方法。3、學習運算電路的基本要求

R’＝？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虛地在節(jié)點N：1.反相輸入比例運算R’=R∥Rf保證輸入級的對稱性當R=Rf時，輸出電壓為：此時稱為變號器該電路的輸入電阻為：二、比例運算電路《例》已知比例電路如圖所示，試求該電路的比例系數(shù)；輸入電阻；輸出電阻并確定R’的數(shù)值?！督狻繁壤禂?shù)：輸入電阻：輸出電阻：平衡電阻：《例》電路如圖所示，試求出該電路輸出電壓uo表達式?！督狻吩撾娐返奶攸c：在提高輸入電阻的情況下，可用較小的Rf，以獲得較大的放大倍數(shù)。運算關(guān)系的分析方法：節(jié)點電流法2.同相輸入Au集成運放的共模輸入同相輸入比例運算電路的特例：電壓跟隨器三、加減運算電路方法一：節(jié)點電流法1.反相求和1.反相求和方法二：利用疊加原理

首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。2.同相求和設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf利用疊加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1單獨作用時的輸出電壓

在求解運算電路時，應(yīng)選擇合適的方法，使運算結(jié)果簡單明了，易于計算。同理可得，

uI2、uI3單獨作用時的uO2、uO3，形式與uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意義清楚，計算麻煩！2.同相求和設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf與反相求和運算電路的結(jié)果差一負號必不可少嗎？《例》由運放組成的電路如圖所示，試寫出uo的表達式。《解》up將up代入，可得：合理選擇電路參數(shù)，可得：uo=ui1+ui23.加減運算

利用求和運算電路的分析結(jié)果設(shè)R1∥R2∥Rf＝R3∥R4∥R5若R1∥R2∥Rf≠R3∥R4∥R5，uO＝?實現(xiàn)了差分放大電路《例》由運放組成的電路如圖所示，試寫出uo1、uo的表達式?！督狻匪摹⒎e分運算電路和微分運算電路1.積分運算電路移相利用積分運算的基本關(guān)系實現(xiàn)不同的功能1)輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2)輸入為方波時的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時的輸出電壓波形？線性積分，延時波形變換虛地

在電路結(jié)構(gòu)上將積分電路中R與C的位置互換，就組成微分器。

即輸出電壓是輸入電壓的微分。RC為微分時間常數(shù)。2.微分運算電路當輸入階躍電壓時，t=0時，輸出電壓極大，但實際受運放輸出電壓限制仍為一個有限值；隨后由于電容C被充電，輸出電壓按指數(shù)規(guī)律衰減到零，如圖所示。

uIuOtt00(a)(b)微分器的輸入輸出波形

《例》由運算放大器組成的積分電路如圖所示，設(shè)初始狀態(tài)電容電壓為0，試求：

1.當輸入電壓v(t）=1V的階躍電壓，t=1s時，輸出電壓的波形并標出電壓幅值；

2.R=100kΩ,C=0.47uF,輸入波形如圖（b)所示，試畫出輸出波形，并標出相應(yīng)的電壓值?！督狻?.當輸入電壓v(t）=1V的階躍電壓，t=1s時，輸出電壓的波形并標出電壓幅值；2.R=100kΩ,C=0.47uF,輸入波形如圖（b)所示，試畫出輸出波形，并標出相應(yīng)的電壓值。60mS時的輸出電壓幅值：120mS時的輸出電壓幅值：聯(lián)立求解可得：unvp《解》由運算放大器組成的運算電路如圖所示，試寫出輸出電壓uo的表達式?！督狻犯鶕?jù)電路可列出如下方程：《例》已知由運放組成的電路如圖所示，試寫出輸出電壓vo的表達式?！督狻犯鶕?jù)虛短和虛斷的概念可得：虛短路：虛開路：第一次作業(yè)：教材第38頁2.52.82.102.11討論一：電路如圖所示（1）組成哪種基本運算電路？怎樣用一個運放組成完成同樣運算的電路？兩個電路的主要區(qū)別是什么？（2）為什么在求解第一級電路的運算關(guān)系時可以不考慮第二級電路對它的影響？§2.4理想運放組成的電壓比較器一、概述二、單限比較器三、滯回比較器一、概述1.電壓比較器的功能：比較電壓的大小。輸入電壓是模擬信號；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。廣泛用于各種報警電路。2.電壓比較器的描述方法:電壓傳輸特性uO＝f(uI)電壓傳輸特性的三個要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UT（3）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向3.幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個閾值電壓，輸入電壓單調(diào)變化時輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷海?、集成運放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運放處于開環(huán)或僅引入正反饋理想運放工作在非線性區(qū)的特點：1)凈輸入電流為02)uP>uN時，uO＝＋UOMuP<uN時，uO＝－UOM無源網(wǎng)絡(luò)5、教學基本要求

1)電路的識別及選用；2)電壓傳輸特性的分析。（1）寫出uP、uN的表達式，令uP＝uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)集成運放的輸出電壓幅值或輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；電壓比較器的分析方法（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。將在第三章講述二、單限比較器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI>0時uO＝－UOM;uI<0時uO＝＋UOM1.過零比較器2.一般單限比較器2.一般單限比較器（1）若要UT<0，則應(yīng)如何修改電路？（2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？作用于反