CH4-集成運算放大器及其應(yīng)用

第四章集成運算放大器差分輸入級中間放大級輸出級ui+_u0

集成運放的型號和種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但它們的基本組成部分相同，如下圖所示：運放的輸入級。利用差分電路的對稱特性可提高整個電路的共模抑制比和電路性能。中間級的主要作用是提高電壓增益。一般由多級放大電路組成。輸出級常用電壓跟隨器或互補電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。

集成運放內(nèi)部主要有上述三個部分，其外部還常接有偏置電路，以便向各級提供合適的工作電流。4.1.1集成運算放大器組成μA741集成運放的8個管腳排列圖如下：μA74112438765調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端調(diào)零端輸出端正電源端空腳4.1.2μA741集成運放反相輸入端μA741集成運放圖形符號∞＋＋－U0U+U-μA741集成運放外部接線圖同相輸入端－12V＋12V輸出端子調(diào)零電位器管腳1和5分別與調(diào)零電位器的兩個固定端相連調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳4相連∞＋－6513724＋(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0

其數(shù)值很高，一般約為104~107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U＋和U－之間的關(guān)系。(2)差模輸入電阻ri運放的差動輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。(3)閉環(huán)輸出電阻r0

由于運放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。

指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。(4)最大共模輸入電壓Uicmax4.1.3.集成運放的主要技術(shù)指標(biāo)

為簡化分析過程，同時又能滿足實際工程的需要，常把集成運放理想化，集成運放的理想化參數(shù)為：①開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0=∞②差模輸入電阻ri=∞③輸出電阻r0=0④共模抑制比KCMR=∞4.1.4.理想集成運放及其傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性理想特性＋U0Mui(mV)0u0(V)線性區(qū)實際特性－U0M集成運放工作在線性區(qū)時輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系飽和區(qū)

可以看出，當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)(+U0M~－U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由于集成運放的電壓放大倍數(shù)相當(dāng)高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態(tài)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。集成運放工作在線性區(qū)的特點由因Au0=∞，所以可導(dǎo)出運放工作在線性區(qū)差模輸入電壓等于零，說明，即理想運放的兩個輸入端電位相等。

兩點等電位相當(dāng)于短路。理想運放的兩個輸入端并沒有真正短接，但卻具有短接的現(xiàn)象稱為“虛短”。

又由于理想運放的差模輸入電阻ri=∞，所以i+=i-=0這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。“虛短”和“虛斷”是運放工作在線性區(qū)的兩個重要結(jié)論。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(dāng)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)飽和區(qū)O

集成運放的應(yīng)用分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。1.集成運放的線性應(yīng)用負(fù)號說明輸入輸出反相由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”由圖可知所以u+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u－=u+=0整理后可得輸出與輸入的比例值4.2集成運放的應(yīng)用(1)反相比例運算電路反相比例運算電路中，R2是平衡電阻，其值應(yīng)選擇符合(2)同相比例運算電路由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=ui由圖可知所以u+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u－=u+=ui整理后可得輸出與輸入的比例值

顯然同相比例運算電路的輸出必然大于輸入。為提高電路的對稱性，與反相比例運算電路相同，R2=R1//RF電壓跟隨器uo

+)ＲfＲ12=－(ＲfＲ11ui1ui2▲若R11=R12=R1，則：uo=－ＲfＲ1(ui1+ui2)▲若R11=R12=Rf

，則：uo=－(ui1+ui2)▲平衡電阻:

R2=R11//

R12//Rf返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁uo∞－++△R12RfR2R11ui1ui2加法運算電路(3)加法運算電路

同相加法運算電路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–動畫(4)減法運算電路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁減法運算電路RfR1)u0=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1▲平衡電阻:

R2//

R3=R1//Rf

［例1］兩級運算電路如圖所示。試推導(dǎo)uo

與ui1、ui2、ui3的運算關(guān)系；(2)若:R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=

R6=Rf2=10kΩ，

ui1=0.1V，ui2=0.2V，ui3=0.3V，求uo

的值。uo′∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3+

uo

－［解］(1)uo′=－(Ｒf1Ｒ1ui1+Ｒf1Ｒ2ui2)第一級運算為加法運算：返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁

例1的電路uo=Rf2R4)(1+R6R5+R6ui3=－uo′Ｒf2Ｒ4Rf2R4)(1+R6R5+R6ui3Ｒf1Ｒ1ui1+Ｒf1Ｒ2ui2)+Ｒf2Ｒ4((2)uo=ui3+ui2+ui1=(0.3+0.2+0.1)V=0.6V∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3+

uo

－uo′返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁

例1的電路例2：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。解：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯(lián)而成。例3：求圖示電路中uo與ui的關(guān)系。(5)微分運算電路+uC－u－=u+=0(虛短)uC

=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo

=－Rf

Cduidt▲平衡電阻:

R2=Rf0uit0uot(b)波形返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁圖10.5.8微分運算電路及其階躍響應(yīng)波形(a)電路Ui=Cduidt微分時間常數(shù)uo∞－++△CuiRfu－u+R2i1if

［例4］已知輸入ui

的波形如圖所示，試畫出輸出uo

的波形。設(shè)5Rf

C＜tp

。［解］uo

=－Rf

Cduidttui0+Uitptuo0t1t2uo∞－++△CuiRfR2返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁(6)積分運算uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－u－

=u+=0uC

=u－－uo

=－uoif=i1

i1=uiR1if=CduCdt

=－Cduodtuo

=－∫ui

dt1R1C積分時間常數(shù)▲平衡電阻:0uit0uot－Ui

t1R1C－UOMR2=R1返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁(b)波形圖10.5.8積分運算電路及其階躍響應(yīng)波形(a)電路Ui例5輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0i1∞＋＋－uiR1URR2u0單門限電壓比較器

單門限電壓比較器只有一個門限電平，當(dāng)輸入電壓達到此門限值時，輸出狀態(tài)立即發(fā)生跳變。

電壓比較器廣泛應(yīng)用于模/數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領(lǐng)域中。uiu00＋U0M－U0MUR

門限電平值4.2.3集成運放的非線性應(yīng)用電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)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。參考電壓動畫電壓比較器應(yīng)用實例

利用電壓比較器可以把正弦波變換成方波。UR=0∞＋＋－uiu0

由于門限電壓等于0，因此為過零電壓比較器。ui0tu00t＋UCM－UCM

輸入電壓只要到達門限電壓值，輸出電壓即可發(fā)生跳變。過零電壓比較器滯回比較器

滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，傳輸過程中：當(dāng)輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時，兩種情況下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”曲線的形狀。電路及曲線圖如下所示：UB∞＋＋－uiR1R4u0R3R2DZ－UOM+U0MUB1UB2當(dāng)ui等于或大于UB1時abcdefu0ui0

門限電平值當(dāng)ui小等于或小于UB2時

滯回比較器可