第四章集成運(yùn)算放大器

第四章集成運(yùn)算放大電路本章主要內(nèi)容：3．集成運(yùn)放在信號運(yùn)算、信號處理及信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用。1．集成運(yùn)放的組成及主要參數(shù)；2．理想集成運(yùn)放兩種工作方式的主要特點(diǎn)和分析方法；1.理想運(yùn)放“虛短”、“虛斷”的含義；2.集成運(yùn)放兩種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和分析方法；3.各種信號發(fā)生電路、比較電路的原理。本章重點(diǎn)：一、集成運(yùn)算放大器電路簡介集成運(yùn)算放大器（簡稱集成運(yùn)放）是一種多級放大電路，性能理想的運(yùn)放實(shí)際上是一種具有高開環(huán)放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻、工作點(diǎn)漂移小并具有深度負(fù)反饋的多級直接耦合放大器。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)：級間采用直接耦合方式利用對稱結(jié)構(gòu)改善電路性能集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述采用差分放大電路構(gòu)成，第一級放大采用共射極放大電路，提供足夠大的電壓放大倍數(shù)采用共集電極放大電路或功放中的互補(bǔ)對稱電路。提供足夠大的輸出功率滿足負(fù)載需要，提供穩(wěn)定合適的偏置電流。1．輸入級采用差分放大電路構(gòu)成。具有對稱性好、輸入電阻高、可以有效減小零點(diǎn)漂移、抑制干擾信號等優(yōu)點(diǎn)，因此可以有效放大有用信號。2．中間級為整個電路提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。一般采用共射級放大電路，集電極電阻用晶體管恒流源代替，恒流源的動態(tài)電阻很大，可以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。3．輸出級輸出級與負(fù)載連接，主要作用是提供足夠的輸出功率（即足夠大的電流和電壓）以滿足負(fù)載的需要。要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。一般由射級輸出器或互補(bǔ)對稱電路構(gòu)成。4．偏置電路為整個電路提供穩(wěn)定的和合適的偏置電流。偏置電路是由各種恒流源電路組成。還有過載保護(hù)電路，可以防止輸出電流過大時將運(yùn)放燒壞。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述◆

輸入方式:

①反相輸入

②同相輸入（共模輸入）

③差分輸入（混合輸入）反相輸入端同相輸入端輸出端uou－u+－ud+Ao－++集成運(yùn)放的國標(biāo)圖形符號100dB2387546u－u+uo+UCC－UEEF007的外部接線和管腳圖國際流行符號國標(biāo)符號具有電源引腳的集成運(yùn)放國際流行符號

運(yùn)算放大器外形圖二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

三個概念1.反饋—將電路的輸出量(電壓或電流)的一部分或全部，以一定的方式通過某種電路（反饋）回送到輸入端或輸入回路，去影響輸入量（電流或電壓），以改善放大電路的某些性能。輸入輸出

放大電路

反饋網(wǎng)絡(luò)若反饋信號增強(qiáng)凈輸入信號－輸出信號得到提高－正反饋；若反饋信號削弱凈輸入信號－輸出信號得到削弱－負(fù)反饋；

閉環(huán)－放大電路的輸入回路與輸出回路之間有聯(lián)系，即有反饋時；開環(huán)－放大電路的輸入回路與輸出回路之間無聯(lián)系，即無反饋時。1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)（開環(huán)電壓增益）Auo——在輸出端開路，無外接反饋電路時，兩個輸入端加電壓輸入信號，此時測出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，簡稱開環(huán)電壓放大倍數(shù)，一般用分貝表示。Auo越高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。理想情況下，Auo＝∞u－u+Ao－++2.開環(huán)差模輸入電阻rid

——集成運(yùn)放加入差模信號時的開環(huán)等效輸入電阻。表征了輸入級從信號源取用電流的大小，其值越大越好。3.開環(huán)輸出電阻ro

——沒有外接反饋電路時，輸出級的輸出電阻。表征了集成運(yùn)放帶負(fù)載的能力，其阻值越小越好。4.輸入失調(diào)電壓uio——實(shí)際的集成運(yùn)放中，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓不等于零，為使輸出電壓為零，須在輸入端加補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓就稱為輸入失調(diào)電壓。它表征了輸入級差分對管（或）不對稱的程度，一般在毫伏級。5.最大輸出電壓UOM——能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。6.共模抑制比KCMRR——它表示集成運(yùn)放的差模放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，即：

KCMRR越大，說明運(yùn)算放大器抑制共模信號的性能越好?！?/p>

理想運(yùn)放的主要條件：(1)開環(huán)放大倍數(shù)：Ao→∞(2)開環(huán)輸入電阻：ri→∞(3)開環(huán)輸出電阻：ro→0(4)共模抑制比：KCMRR→∞uou－u+－ud+∞－++△理想運(yùn)放的圖形符號三、理想集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)及符號第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述四、集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性兩個工作區(qū)——線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)1．線性工作區(qū)+UO(sat)－UO(sat)理想特性實(shí)際特性O(shè)uou+u-第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述或集成運(yùn)放處于線性區(qū)的特點(diǎn)uo∞－++△ui1Rfu－u+i1if（1）“虛短”——集成運(yùn)放兩個輸入端的電壓近似相等，即u+≈u-。特殊情況：反相端有信號輸入時，同相輸入端接“地”——反相輸入端是一個不接“地”的“地”電位，通常稱為“虛地”ui2（2）“虛斷”——流進(jìn)集成運(yùn)放兩個輸入端的電流近似等于零，即i+＝i-≈0。原因：由于集成運(yùn)放開環(huán)差模輸入電阻很高（理想時∞）理想的集成運(yùn)放無論工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，“虛斷”現(xiàn)象總是存在的。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述uo∞－++△ui1Rfu－u+i1ifui2（1）（2）集成運(yùn)放兩個輸入端電壓u+與u－不一定相等，即“虛短”的結(jié)論不一定成立。（3）集成運(yùn)放輸入電流仍等于零。即“虛斷”現(xiàn)象仍然存在。2.非線性工作區(qū)（飽和狀態(tài)）——處于開環(huán)或正反饋時當(dāng)u+＞u－時：uo=+UO(sat)當(dāng)u+＜u－時：uo=－UO(sat)第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述uo∞－++△ui1u－u+ui2如何判斷理想集成運(yùn)放的工作狀態(tài)？集成運(yùn)放電路連接方式：1.開環(huán)：2.正反饋：3.負(fù)反饋判斷方法：集成運(yùn)放電路開環(huán)——非線性工作區(qū)用無源網(wǎng)絡(luò)連接輸出端和同相輸入端——正反饋，非線性工作區(qū)用無源網(wǎng)絡(luò)連接輸出端和反相輸入端——負(fù)反饋，線性工作區(qū)uo∞－++△R1uiRfRpu－u+請判斷有無反饋如何分析集成運(yùn)放電路？（1）分析判斷集成運(yùn)放的工作狀態(tài)（有無反饋？反饋的極性？）；（2）根據(jù)集成運(yùn)放在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)分析具體電路和輸入輸出關(guān)系。(一)比例運(yùn)算電路(1)反相比例運(yùn)算電路u－=u+=0uo∞－++△R1uiRfRpu－u+虛地i1ifi1=ifuiR1=－uoRfuo=－ＲfＲ1ui閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路平衡電阻當(dāng)Rf=R1時：

uo=－ui反相器uo∞－++△R1uiRfRpu－u+平衡電阻:Rp=R1//Rf平衡電阻的作用：保證集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的外接電阻相等，以消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響。第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路(2)同相比例運(yùn)算電路uo∞－++△R1RpuiRfu－u+i1ifu－=u+=uiif=i1u－－uoRf=-u－R1uo=RfR1)ui(1+平衡電阻:RP=R1//Rfuo∞－++△ui閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af當(dāng)電壓跟隨器

再令

第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路(二)加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路

uo∞－++△R12RFRpR11ui1ui2R13ui3當(dāng)

第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路2.同相加法運(yùn)算電路元件參數(shù)：——保證電路能夠補(bǔ)償輸入偏置電流、失調(diào)電流及其漂移的影響。

應(yīng)用疊加原理可知，可由和兩個電壓源單獨(dú)作用的疊加求出：

單獨(dú)作用時，令

單獨(dú)作用時，令

根據(jù)“虛短”現(xiàn)象，，而所以輸出電壓為：

若選取第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路兩個電壓源共同作用時，第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路(三)減法運(yùn)算電路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui21．應(yīng)用集成運(yùn)放中“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)。

當(dāng)和

當(dāng)?shù)谒恼录蛇\(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路2．應(yīng)用疊加原理求解

R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2▲當(dāng)ui1單獨(dú)作用時:+①②R3uo′∞－++△R1RfR2ui1R3uo′′∞－++△R1RfR2ui2uo′=－ＲfＲ1ui1▲當(dāng)ui2單獨(dú)作用時:uo′′=(1+RfR1)u+u－u+u+=R3R2+R3ui2=(1+RfR1)R3R2+R3ui2則：uo=uo′

+uo′′RfR1)=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1當(dāng)=ＲfＲ1Ｒ3Ｒ2時：uo=ＲfＲ1(ui2－ui1)▲平衡電阻:

R2//

R3=R1//RfR3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路例4-3圖4-10示電路是具有四個輸入電壓的雙端輸入和差運(yùn)算電路。應(yīng)用疊加原理求解的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系式。解：若令則該電路成為同相加法運(yùn)算電路，

式中，

第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路若令則電路成為反相加法運(yùn)算電路若令第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路練習(xí)題1.設(shè)計(jì)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)：uo=-3uiuo∞－++△R1uiRfRp2.求解下圖所示電路的運(yùn)算關(guān)系反相比例運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路將uo1代入uo2的表達(dá)式，可得3.設(shè)計(jì)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)：uo=2ui1-ui2第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路(四)積分運(yùn)算u－

=u+=0uC=u－－uo=－uoif=i1

i1=uiR1if=CduCdt

=－Cduodtuo=－∫uidt1R1C▲平衡電阻:R2=R10uot－Uit1R1C－UO（sat）(b)波形uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－(a)電路0uitUi(五)微分運(yùn)算電路u－=u+=0uC=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo=－Rf

Cduidt▲平衡電阻:

R2=Rf0uot(b)波形ifi1+uC－uo∞－++△CuiRfu－u+R2(a)電路0uitUi第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路基本微分電路存在的缺點(diǎn)：①輸出端可能出現(xiàn)輸出噪聲淹沒微分信號的現(xiàn)象；②由于電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的RFC滯后環(huán)節(jié)，它與集成運(yùn)算放大器的滯后環(huán)節(jié)合在一起，使電路的穩(wěn)定儲備減小，電路容易引起自激振蕩；③突變的輸入電壓可能造成uo

超過集成運(yùn)算放大器所允許的最大輸出電壓，以至于產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，造成自鎖狀態(tài),使電路不能正常工作。改進(jìn)型的微分運(yùn)算電路第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路例4-7試求圖所示電路的與的關(guān)系式。

此電路是一個反相比例運(yùn)算和微分運(yùn)算相結(jié)合的電路，因此稱為比例－微分調(diào)節(jié)器（簡稱PD調(diào)節(jié)器），用于控制系統(tǒng)中，使調(diào)節(jié)過程起到加速作用。

解由圖可列出第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號的運(yùn)算電路一、電壓比較電路基本功能：對輸入模擬電壓進(jìn)行比較和鑒別,根據(jù)輸入模擬電壓是大于還是小于給定的參考電壓來決定電路的輸出狀態(tài),也可以由比較電路的輸出狀態(tài)來判斷輸入電壓的大小，故稱為電壓比較器。構(gòu)成比較器的集成運(yùn)放一般接成開環(huán)或正反饋狀態(tài)，使其工作于非線性區(qū)。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路(一)基本電壓比較器反相輸入端輸入模擬電壓，同相輸入端接參考電壓第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路反相輸入的基本比較電路1．過零比較電路當(dāng)參考電壓時，即上圖中的同相輸入端通過電阻R1接地，與參考電壓（此時參考電壓為零電壓）進(jìn)行比較。當(dāng)時，，其值接近負(fù)電源電壓；當(dāng)輸入信號時，則有，其值接近正電源電壓。傳輸特性第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路在過零比較電路中，若輸入電壓為正弦電壓，理想情況下的輸出電壓為方波，且的頻率相同。和第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路是正弦波的周期，且例4-9電路如圖所示，輸入電壓為正弦波，電路的時間常數(shù)τ，試畫出和的波形。解；反相輸入端的參考電壓為零，而同相輸入端接輸入電壓，此時的電路為一同相輸入過零比較器。若輸入電壓為正弦波，則同相輸入過零比較電路的輸出電壓為矩形波，并且其極性與輸入電壓相同。

第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路集成運(yùn)算的輸出端接積分電路，由積分電路對輸出電壓電路的時間常數(shù)很大，接近三角波。

進(jìn)行積分，由于電容的充放電的時間很長，所以經(jīng)積分后的輸出電壓第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路2.任意電平比較器當(dāng)參考電壓時，則為任意電平比較電路。門限電壓，反相輸入端接入輸入電壓,輸出端通過限流電阻R接在特性相同的的穩(wěn)壓管VS1和VS2上（穩(wěn)定輸出電壓，并限制幅度）。在同相輸入端加上參考電壓；當(dāng)時，則。其中為穩(wěn)壓對管的穩(wěn)定輸出電壓。稍大于時，則有稍小于第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路為正、負(fù)半周寬度不等的矩形波輸出電壓當(dāng)輸入電壓為正弦電壓時，第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路輸入電壓和參考基準(zhǔn)電壓都接在集成運(yùn)放的反相輸入端，同相輸入端經(jīng)平衡電阻接地（）。根據(jù)電路的特點(diǎn)，可知在3.基準(zhǔn)電壓比較器時，電路輸出電壓的狀態(tài)在發(fā)生變化第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路（3）在過時的躍變方向決定于作用于集成運(yùn)放的哪個輸入端（2）寫出集成運(yùn)放同相輸入端、反相輸入端電位的表達(dá)式，令，解得的輸入電壓就是門限電壓、閾值電壓（1）通過研究集成運(yùn)放輸出端所接的限幅電路來確定電壓比較器的輸出低電平和輸出高電平

分析電壓傳輸特性的方法：例題：下圖1所示電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓；在圖2所示電路中，，基準(zhǔn)電壓，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓；它們的輸入電壓均為圖3所示的三角波。試分別畫出兩電路輸出電壓的波形。圖1圖2圖3二、施密特比較器

單限比較器——優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、靈敏度高；缺點(diǎn)：抗干擾能力差。施密特比較電路：改進(jìn)單限比較器?！陂_環(huán)比較器的基礎(chǔ)上增加由電阻構(gòu)成的正反饋環(huán)節(jié)（又稱施密特觸發(fā)電路）。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路

輸出電壓故將隨取值的不同而相應(yīng)取不同值。

當(dāng)時，電路的輸出；當(dāng)時，電路的輸出為使輸出電壓由跳變到，以及由跳到所需的輸入電壓是不同的，也就是這種比較器有兩個不同的門限電平。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路設(shè)電路的初始狀態(tài)為

集成運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓也變?yōu)椋荷源笥跁r，電路的輸出電壓的狀態(tài)就由轉(zhuǎn)換到,由于電路中正反饋的作用，電路輸出電壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)換非常迅速。同理，電路的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換成后，當(dāng)減小到稍小于時，電路的輸出電壓就由轉(zhuǎn)換到第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路其中稱上門限電壓，稱下門限電壓。和之差稱為回差電壓。

第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路2)改變參考電壓的大小，上和下門限電壓同時改變，但回差電壓不變，也就是說，當(dāng)增大或者減小時，滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或者左移，但滯回曲線的寬度保持不變；說明：回差電壓的大小取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電壓和正反饋網(wǎng)絡(luò)中的，而與參考電壓無關(guān)；3)由于回差電壓的存在，施密特比較器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號處理電路例4-11穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓試求兩個門限電壓，并畫出的波形。解：

上門限電壓：下門限電壓為:第四章集成運(yùn)算放大