集成運(yùn)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(yùn)放及其基本應(yīng)用知識(shí)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(diǎn)-學(xué)習(xí)方法-考查方法第二章集成運(yùn)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(biāo)§2.2集成運(yùn)算放大電路§2.3理想運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路§2.4理想運(yùn)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(biāo)一、放大的概念二、放大電路的性能指標(biāo)一、放大的概念放大的本質(zhì)：能量的控制，利用有源元件實(shí)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(diǎn)放大的特征：功率放大常用正弦波做測(cè)試信號(hào)放大的對(duì)象：變化量放大的基本要求：不失真——放大的前提輸入信號(hào)為零時(shí)為靜態(tài)。能夠控制能量的元件二、性能指標(biāo)：研究的是動(dòng)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(cè)試的參數(shù)信號(hào)源信號(hào)源內(nèi)阻輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流對(duì)信號(hào)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?？蛰d時(shí)輸出電壓有效值帶RL時(shí)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(jìn)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(dǎo)體元件的電容效應(yīng)，使放大電路在信號(hào)頻率較低和較高時(shí)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(duì)不同頻率信號(hào)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(biāo)參數(shù)。擴(kuò)音機(jī)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(hào)不失真的情況下，負(fù)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(yùn)算放大電路一、差分放大電路的概念二、集成運(yùn)放的符號(hào)及電壓傳輸特性三、理想運(yùn)放及其動(dòng)態(tài)等效電路2.2集成運(yùn)算放大電路

集成運(yùn)算放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放，是一個(gè)高性能的放大電路。因首先用于信號(hào)的運(yùn)算而得名。由于它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、使用可靠、靈活方便、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在檢測(cè)、自動(dòng)控制、信號(hào)產(chǎn)生與信號(hào)處理等許多方面得到了廣泛應(yīng)用。兩個(gè)輸入端一個(gè)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(cè)溫電橋環(huán)境溫度變化阻值變化某一標(biāo)準(zhǔn)溫度下uI1＝uI２＝VCC/2uI＝uI1－uI２＝0。需要一種放大電路，對(duì)uI1和uI２共同的部分不放大，僅對(duì)它們的差值放大。溫度變化（即偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度）時(shí)，產(chǎn)生ΔuI，這是放大的對(duì)象?！罘址糯箅娐?/p>

集成運(yùn)放的輸入部分是差分放大電路，集成運(yùn)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(gè)輸入端和輸出端。在差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端分別輸入大小相等、極性相反的信號(hào)，即ui1=-ui2，這種輸入方式稱(chēng)為差模輸入。兩信號(hào)的差值稱(chēng)為差模信號(hào)，用uid表示，uid為兩輸入端輸入信號(hào)之差，即:uid=ui1–ui2一、差分（動(dòng)）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(hào)，即ui1=ui2，這種輸入方式稱(chēng)為共模輸入，兩信號(hào)的算術(shù)平均值稱(chēng)為共模信號(hào)，用uic表示。uic為。uic=ui1=ui2

若ui1≠u(mài)i2，這種輸入方式稱(chēng)為比較輸入，ui1、ui2可分解為一對(duì)共模信號(hào)及一對(duì)差模信號(hào)。即：

差分放大電路只對(duì)差模信號(hào)才起放大作用，對(duì)共模信號(hào)起抑制作用，故稱(chēng)為差分放大電路。2.共模信號(hào)和差模信號(hào)共模信號(hào)：若差分放大電路的兩個(gè)輸入端所輸入的信號(hào)大小相等、極性相同，則稱(chēng)之為共模信號(hào)。差模信號(hào)：若差分放大電路的兩個(gè)輸入端所輸入的信號(hào)大小相等、極性相反，則稱(chēng)之為差模信號(hào)。對(duì)差分放大電路的要求：放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)3.典型差分放大電路方框圖典型的差分放大電路有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端，它們均不直接接地，這種電路形式稱(chēng)為雙端輸入、雙端輸出接法。（1）加差模信號(hào)時(shí)差分放大電路的輸入回路和輸出回路均具有對(duì)稱(chēng)性，故輸入回路和輸出回路的中點(diǎn)電位不變，即動(dòng)態(tài)電位為0，即為“地”。RL（2）加共模信號(hào)時(shí)差分放大電路具有理想對(duì)稱(chēng)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(hào)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(duì)值越小越好絕對(duì)值越大越好為綜合考察差分放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)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(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合為避免干擾輸入信號(hào)源有接地端，為負(fù)載安全負(fù)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(yùn)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(dòng)放大電路的幾種輸入和輸出方式：雙端輸入、單端輸出：?jiǎn)味溯斎搿㈦p端輸出：?jiǎn)味溯斎?、單端輸出：雙端輸入、雙端輸出：二、集成運(yùn)放的符號(hào)及電壓傳輸特性集成運(yùn)算放大電路因最初為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的運(yùn)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(hào)的集成運(yùn)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(shí)認(rèn)為是±VCC（常為±15V

）供電。1.符號(hào)極性相同極性相同∞_++(a)國(guó)標(biāo)符號(hào)運(yùn)放符號(hào)(b)習(xí)慣畫(huà)法集成運(yùn)放的符號(hào)二、集成運(yùn)放的符號(hào)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(kāi)環(huán)差模增益高達(dá)幾十萬(wàn)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(yùn)放工作在線性區(qū)輸入信號(hào)的范圍為多少？±UOM的值決定于什么？3、理想運(yùn)放及其動(dòng)態(tài)等效電路

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

問(wèn)題：若將輸入信號(hào)直接加在理想運(yùn)放的輸入端，則理想運(yùn)放有可能工作在線性區(qū)嗎？負(fù)載電阻的阻值變化時(shí)，理想運(yùn)放的輸出電壓變化嗎？為什么？理想運(yùn)放的條件虛短路放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。虛開(kāi)路4、集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：4、集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：1)凈輸入電流為ii=02)uP>uN時(shí)，

uO＝＋UOM3)

uP<uN時(shí)，

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

↓（1）電路結(jié)構(gòu)（2）工作在線性區(qū)的特點(diǎn)由于uO為有限值，Aod＝∞，因而凈輸入電壓uP－uN＝0，即因?yàn)閮糨斎腚妷簽榱?，又因?yàn)檩斎腚娮铻闊o(wú)窮大，所以?xún)蓚€(gè)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(yùn)放的應(yīng)用電路的兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。2.研究的問(wèn)題（此時(shí)運(yùn)放工作在線性區(qū)）（1）運(yùn)算關(guān)系：運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開(kāi)方、積分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)等。（2）描述方法：運(yùn)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(diǎn)。（1）識(shí)別電路；（2）掌握輸出電壓和輸入電壓運(yùn)算關(guān)系式的求解方法。3、學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求

R’＝？+_iN=iP=0，uN=uP=0－－虛地在節(jié)點(diǎn)N：1.反相輸入比例運(yùn)算R’=R∥Rf保證輸入級(jí)的對(duì)稱(chēng)性當(dāng)R=Rf時(shí)，輸出電壓為：此時(shí)稱(chēng)為變號(hào)器該電路的輸入電阻為：二、比例運(yùn)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(dá)式?！督狻吩撾娐返奶攸c(diǎn)：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(yùn)算關(guān)系的分析方法：節(jié)點(diǎn)電流法2.同相輸入Au集成運(yùn)放的共模輸入同相輸入比例運(yùn)算電路的特例：電壓跟隨器三、加減運(yùn)算電路方法一：節(jié)點(diǎn)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(gè)輸入信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號(hào)同時(shí)作用時(shí)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(dú)作用時(shí)的輸出電壓

在求解運(yùn)算電路時(shí)，應(yīng)選擇合適的方法，使運(yùn)算結(jié)果簡(jiǎn)單明了，易于計(jì)算。同理可得，

uI2、uI3單獨(dú)作用時(shí)的uO2、uO3，形式與uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意義清楚，計(jì)算麻煩！2.同相求和設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf與反相求和運(yùn)算電路的結(jié)果差一負(fù)號(hào)必不可少嗎？《例》由運(yùn)放組成的電路如圖所示，試寫(xiě)出uo的表達(dá)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(yùn)算

利用求和運(yùn)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(shí)現(xiàn)了差分放大電路《例》由運(yùn)放組成的電路如圖所示，試寫(xiě)出uo1、uo的表達(dá)式?！督狻匪摹⒎e分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路1.積分運(yùn)算電路移相利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能1)輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？2)輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？線性積分，延時(shí)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(shí)間常數(shù)。2.微分運(yùn)算電路當(dāng)輸入階躍電壓時(shí)，t=0時(shí)，輸出電壓極大，但實(shí)際受運(yùn)放輸出電壓限制仍為一個(gè)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(yùn)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(dāng)輸入電壓v(t）=1V的階躍電壓，t=1s時(shí)，輸出電壓的波形并標(biāo)出電壓幅值；

2.R=100kΩ,C=0.47uF,輸入波形如圖（b)所示，試畫(huà)出輸出波形，并標(biāo)出相應(yīng)的電壓值?！督狻?.當(dāng)輸入電壓v(t）=1V的階躍電壓，t=1s時(shí)，輸出電壓的波形并標(biāo)出電壓幅值；2.R=100kΩ,C=0.47uF,輸入波形如圖（b)所示，試畫(huà)出輸出波形，并標(biāo)出相應(yīng)的電壓值。60mS時(shí)的輸出電壓幅值：120mS時(shí)的輸出電壓幅值：聯(lián)立求解可得：unvp《解》由運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算電路如圖所示，試寫(xiě)出輸出電壓uo的表達(dá)式?！督狻犯鶕?jù)電路可列出如下方程：《例》已知由運(yùn)放組成的電路如圖所示，試寫(xiě)出輸出電壓vo的表達(dá)式。《解》根據(jù)虛短和虛斷的概念可得：虛短路：虛開(kāi)路：第一次作業(yè)：教材第38頁(yè)2.52.82.102.11討論一：電路如圖所示（1）組成哪種基本運(yùn)算電路？怎樣用一個(gè)運(yùn)放組成完成同樣運(yùn)算的電路？?jī)蓚€(gè)電路的主要區(qū)別是什么？（2）為什么在求解第一級(jí)電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不考慮第二級(jí)電路對(duì)它的影響？§2.4理想運(yùn)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(hào)；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(hào)。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱(chēng)為閾值電壓。廣泛用于各種報(bào)警電路。2.電壓比較器的描述方法:電壓傳輸特性u(píng)O＝f(uI)電壓傳輸特性的三個(gè)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(guò)閾值電壓時(shí)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(gè)閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)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?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷海?、集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：1)凈輸入電流為02)uP>uN時(shí)，uO＝＋UOMuP<uN時(shí)，uO＝－UOM無(wú)源網(wǎng)絡(luò)5、教學(xué)基本要求

1)電路的識(shí)別及選用；2)電壓傳輸特性的分析。（1）寫(xiě)出uP、uN的表達(dá)式，令uP＝uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)集成運(yùn)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(shí)uO＝－UOM;uI<0時(shí)uO＝＋UOM1.過(guò)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