運放原理及典型芯片電路課件

運算放大器及其應用

集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。集成電路分類按集成度按導電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬各類型號集成芯片運算放大器的特點1.元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；

2.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；

3.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接；

4.二極管多用三極管的發(fā)射結代替。一、電路的基本組成輸入級

中間級

輸出級偏置電路運算放大器方框圖

輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器

。

中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構成。

偏置電路:

由鏡像恒流源等電路組成

輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。集成運放741的電路原理圖同相輸入輸入級偏置電路中間級輸出級+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相輸入輸出二、主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調電壓UIO4.輸入失調電流IIO5.輸入偏置電流IIB1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2.開環(huán)輸入電阻3.開環(huán)輸出電阻4.共模抑制比

由于實際運算放大器的技術指標接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。三、理想運算放大器及其分析依據

在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的運算放大器。理想化的主要條件：2.理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O3.理想運放工作在飽和區(qū)的特點(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)四、運算放大器的應用在信號運算方面的應用：對信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。在信號處理方面的應用:對信號進行濾波、比較等處理。在信號發(fā)生方面的應用：用于產生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等波形例:電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不變,要求Auf為–10,則RF

、R2應為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2）.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=u+＝

ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–3）加法運算電路a.反相加法運算電路

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–)(2i2iF1i1iFouRRuRRu+-=4)減法運算電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF常用做測量放大電路5)積分運算電路

由虛短及虛斷性質可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有

將比例運算和積分運算結合在一起，就組成比例-積分運算電路。ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分

這種運算器又稱PI調節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。uoCFuiR2R1++––++–RFuoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分

控制系統(tǒng)中，PD調節(jié)器在調節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調節(jié)器ifiRiC2.

運放在信號處理方面的應用1)有源濾波器

濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。

無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。

有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。

按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。a.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––

幅頻特性0|Auf0||T(j)|Ob.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1+–+–

幅頻特性0|Auf0||T(j)|OSuC+–ui+–uo+–++–模擬開關模擬輸入信號a.電路2).采樣保持電路

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉換電路（A/D）之前。由于A/D轉換需要一定的時間，所以在進行A/D轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉換電路的需要。

用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。采樣存儲電容控制信號電壓跟隨器b.工作原理a.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應管導通)，

ui對存儲電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–理想運放工作在飽和區(qū)的特點：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)(1).基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2輸出帶限幅的電壓比較器設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向導通壓降則ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZ電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O(2).滯回比較器上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當uo=+Uo(sat)，則當uo

=–Uo(sat)，則門限電壓受輸出電壓的控制R2－－uoui++–R1+–+–oF

2

2uRRRu+=+)(o(sat)F22URRRUu

++=￠=++)(o(sat)F

2

2

URRRUu-+=￠￠=++上門限電壓U'+

：ui逐漸增加時的門限電壓下門限電壓U"+：ui

逐漸減小時的門限電壓uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFuoui++–R1+–+–根據疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動。可見：傳輸特性不再對稱于縱軸，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當參考電壓UR不等于零時定義：回差電壓與過零比較器相比具有以下優(yōu)點：1.改善了輸出波形在躍變時的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，U越大，抗干擾能力越強。結論：1.調節(jié)RF

或R2

可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門限電壓，但不影響回差電壓U。

電壓比較器在數(shù)據檢測、自動控制、超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應用。解：對圖（1）

上門限電壓

下門限電壓例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）解：對圖（2）

例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）（2）+UR–RFR2uoui++–R1+–+–RFR2uoui++–R1+–+–（1）+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226

圖(1)的電壓傳輸特性圖(2)的電壓傳輸特性uouiO-661.335.33RFR2uoui++–R1+–+–

例1：圖中所示為運放組成的過溫保護電路，R是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過規(guī)定值，KA動作，自動切斷電源。分析其工作原理。

溫度超過規(guī)定值，ui

>UR，uo=+UOM，T導通。KA動作，切斷電源。

溫度未超過規(guī)定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不動作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo電壓傳輸特性uoOUO(sat)–UO(sat)例2:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:運放為同相輸入過零電壓比較器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各電壓波形如右圖所示。R1R2uiuo+–+CDRLR3.

運放在波形產生方面的應用波形發(fā)生器的作用：產生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點：不用外接輸入信號，即有輸出信號。1).RC橋式正弦波振蕩電路RC選頻網絡正反饋網絡放大電路

用正反饋信號uf作為輸入信號

選出單一頻率的信號(1)電路結構uf–+R++∞RFR1CRC–uO–+同相比例電路選頻網絡(3)工作原理

輸出電壓

uO

經正反饋(兼選頻)網絡分壓后，取uf

作為同相比例電路的輸入信號ui

。1)起振過程2)穩(wěn)定振蕩

A

=

0，僅在f

0處F

=

0,滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率f

0=12RC。改變R、C可改變振蕩頻率

由運算放大器構成的RC振蕩電路的振蕩頻率一般不超過1MHz。3)振蕩頻率

振蕩頻率由相位平衡條件決定。振蕩頻率的調整++∞RFRCC–uO–+KKR1R2R3R3R2R1

改變開關K的位置可改變選頻網絡的電阻，實現(xiàn)頻率粗調；改變電容C的大小可實現(xiàn)頻率的細調。振蕩頻率4)起振及穩(wěn)定振蕩的條件穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因為|F|=1/3，則

考慮到起振條件AuF

>1,一般應選取RF略大2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴重失真。

由運放構成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運放內部的晶體管進入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負反饋來達到穩(wěn)幅的目的。帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)

熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動穩(wěn)幅。

在起振時，由于uO

很小，流過RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強，uO增大，流過RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時，穩(wěn)定于AuF=1，

振蕩穩(wěn)定。半導體熱敏電阻R++∞RFR1CRC–uO–+IDUD帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(2)振蕩幅度較小時正向電阻大振蕩幅度較大時正向電阻小

利用二極管的正向伏安特性的非線性自動穩(wěn)幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–穩(wěn)幅環(huán)節(jié)2）矩形波發(fā)生器矩形波產生電路

uc+–UR+–1.電路結構

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.工作原理設電源接通時，

uo

=+UZ，uc(0)=0。

電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。uo

通過RF對電容C充電，uc

按指數(shù)規(guī)律增長。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1動畫當uo

=+UZ時，電容充電，uc上升，電容放電，

uc下降，當uc=UR

時，uo

跳變成–UZ當uc=–UR

時，uo

跳變成

+UZ，電容又重新充電。2.工作原理放電uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充電

Z2

1

2RURRRU+-=-3.工作波形T2T=T1+T2電容充放電過程，uc的響應規(guī)律為4.周期與頻率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的頻率充放電時間常數(shù)相同：=RC

矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號源在充電過程中在放電過程中4.

運放在信號測量方面的應用

在自動控制和非電測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應變、壓力和流量等)的變化轉換為電信號(電壓或電流)，而后輸入系統(tǒng)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號的變化量常常很小(一般只有幾毫伏到幾十毫伏)，所以要將電信號加以放大。測量放大電路的作用是將測量電路或傳感器送來的微弱信號進行放大，再送到后面電路去處理。一般對測量放大電路的要求是輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調小、并有一定的抗干擾能力。測量放大器的原理電路ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A