電工學-第10章集成運算放大器21

1第10章集成運算放大器10.1集成電路10.2集成運算放大器的概述10.3反饋的基本概念

10.4理想運算放大器

10.5基本運算電路10.6電壓比較器10.7RC

正弦波振蕩電路

*10.8

有源濾波器

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返回主頁210.1集成電路

集成電路是20世紀60年代發(fā)展起來的固體組件。它是用微電子技術將元件、導線、電路集成在一塊很小的半導體芯片上。

集成電路的發(fā)展進程：

1960年：小規(guī)模集成電路SSI。

1966年：中規(guī)模集成電路MSI。

1969年：大規(guī)模集成電路LSI。

1975年：超大規(guī)模集成電路VLSI。昆明理工大學電工電子中心3

集成電路分類(1)模擬電路處理模擬信號的電路。如集成功率放大器、集成運算放大器等。(2)數(shù)字電路處理數(shù)字信號的電路。如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。集成電路芯片昆明理工大學電工電子中心4特點：①輸入級采用差分放大電路，KCMR

和ri

很高。②中間級采用多級共射電路，起電壓放大作用。③輸出級采用互補對稱放大電路和共集放大電路，

ro

很小，帶負載能力很強。④直接耦合的多級放大電路，電壓放大倍數(shù)很高。⑤體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。10.2集成運算放大器的概述一、集成運算放大器的組成輸入級

中間級

輸出級

輸入端輸出端集成運算放大器的組成昆明理工大學電工電子中心5CF74181723456集成運算放大器的圖形符號、引腳和外部接線圖凈輸入電壓

運算放大器的符號－uD＋－

＋＋u－u＋uO

Ao同相輸入端反相輸入端

輸出端+UCC－UEE87100dB231546u－u+uO昆明理工大學電工電子中心最大輸出電壓為13V6uO=f(uD)線性區(qū)

uO=AouD

=Ao

(u＋－u－)飽和區(qū)正飽和電壓：

uO

=＋UOM≈＋UCC

負飽和電壓：

uO=－UOM≈－UEE

二、電壓傳輸特性

uDOuO負飽和區(qū)正飽和區(qū)線性區(qū)－UOM+UOM電壓傳輸特性昆明理工大學電工電子中心7凈輸入信號xD

輸出信號

xO

輸入信號

xI放大電路Ao

比較環(huán)節(jié)

開環(huán)放大倍數(shù)：Ao=xoxD

閉環(huán)放大倍數(shù)：Af=xoxI

反饋系數(shù)：xFxoF

=反饋信號

xF

反饋電路F10.3反饋的基本概念反饋示意圖昆明理工大學電工電子中心8一、反饋的分類1.正反饋和負反饋

正反饋:xF與xI

作用相同,使xD

增加；

負反饋:

xF與xI

作用相反,使xD

減小。2.

電流反饋和電壓反饋

電流反饋：反饋信號取自輸出電流，xF

∝iO；

電壓反饋：反饋信號取自輸出電壓，xF∝uO。3.

串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

串聯(lián)反饋:xF

與xI

以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端；并聯(lián)反饋:xF

與xI

以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。

昆明理工大學電工電子中心9*二、反饋的判斷1.正反饋和負反饋＋＋＋

判斷方法：瞬時極性法。－

＋Ao

＋RFRL

R

R1R2＋

uO

－uI－

uF＋

－

uD

＋＋＋uORFiF

－

＋∞＋R1R2uIiI

iD

RL正反饋負反饋昆明理工大學電工電子中心10uORFiF

－

＋∞＋R1R2uIiI

iD

RL2.電流反饋和電壓反饋輸出端短路法:

令RL=0，此時uO=0，若xF=0則為電壓反饋，否則為電流反饋。輸出端開路法:

令RL=∞，此時iO=0，若xF

=0則為電流反饋，否則為電壓反饋。－

＋Ao

＋RFRL

R

R1R2＋

uO

－uI－

uF＋

－

uD

＋

判斷方法電壓反饋電流反饋昆明理工大學電工電子中心113.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋uORFiF

－

＋∞＋R1R2uIiI

iD

RL－

＋Ao

＋RFRL

R

R1R2＋

uO

－uI串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號是以電壓的形式出現(xiàn)；并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號是以電流的形式出現(xiàn)。

判斷方法并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋昆明理工大學電工電子中心12Xo/XD1＋XF/

XD=三、負反饋對放大電路性能的影響Af

xFAoFxI

xD

xO=XoXD＋XF

XD=XI－XFXoXI|

Af|

=

|Ao|1＋|F||Ao|

|Af|

=1|F||Af|

≈當|F||Ao

|1，稱為深度負反饋

|Af|<|Ao|

Xo/XD=XFXoXoXD1＋反饋示意圖昆明理工大學電工電子中心131.提高了電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性11＋|F||Ao|

d|Ao||Ao|

=d|Af||Af|d|Af||Af|d|Ao||Ao|＜故電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高了。

|Ao|1＋|F||Ao|

|Af|

=>1若為深度負反饋,|F||Ao|>>1

d|Af||Af|d|Ao||Ao|<<昆明理工大學電工電子中心14[例10.2.1]某放大電路的|Ao|=1000，由于某一原因,使其變化率為，若電路的反饋系數(shù)|

F|=0.009，則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的變化率？=2%11＋0.009×1000=×20%[解]d|Ao||Ao|

11＋|F||Ao|

=d|Af||Af|d|Ao||Ao|=20%昆明理工大學電工電子中心152.加寬了通頻帶

0.707|Af|

|Ao|未加入反饋后Of|A|0.707|Ao|Bof1f2Bff3f4加入反饋后|Af|

加寬通頻帶昆明理工大學電工電子中心16

電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓。電流負反饋穩(wěn)定輸出電流。

4.穩(wěn)定了輸出電壓或輸出電流

3.改善非線性失真無負反饋時有負反饋時ICiCOtUCC/RC

ICiCOtUCC/RC

改善非線性失真昆明理工大學電工電子中心175.改變了輸入電阻或輸出電阻

串聯(lián)反饋使輸入電阻增加。并聯(lián)反饋使輸入電阻減小。電壓負反饋使輸出電阻減小。電流負反饋使輸出電阻增加。昆明理工大學電工電子中心1810.4理想運算放大器一、理想運放的主要條件開環(huán)電壓放大倍數(shù)：Ao→∞

開環(huán)輸入電阻：ri→∞

開環(huán)輸出電阻：ro→0

共模抑制比：KCMR→∞u－

u＋uO

－

uD＋－

＋∞＋理想運放的符號昆明理工大學電工電子中心19二、理想運放的特性uO=＋UOM≈＋UCC

(2)當u＋＜u－時，即uD<0uO=－UOM≈－UEE

(1)當u＋＞u－時，即uD>0

OuOuD+UOM－UOM1.工作在飽和區(qū)時的特點

不加反饋時，稍有uD即進入飽和區(qū)。理想運算放大器的電壓傳輸特性昆明理工大學電工電子中心202.工作在線性區(qū)時的特點iD反饋電路u－u＋uO－

＋∞＋(1)Ao→∞

uOAouD==0

u＋

=u－

(2)ri→∞

uDriiD==i＋

=i－0(3)ro→0

uOL=uOC故稱為虛短路。故稱為虛開（斷）路。即輸出電壓不受負載的影響。引入負反饋后的理想運放昆明理工大學電工電子中心2110.5基本運算電路Af一、比例運算電路1.

反相比例運算電路

u－=u＋=0iD=0i1=iFuIR1－uORF=ＲFＲ1uO=－

uIu－u＋uO

RFiF

－

＋∞＋R1R2uI

i1

iD

虛地反相比例運算電路昆明理工大學電工電子中心22①uO與uI

成反相比例；

uO

的大小只與R1、RF的阻值和uI

有關。②若R1=RF，則uO

=－uI。

故稱為反相器。③R2為平衡電阻，R2=R1∥RF

說明ＲFＲ1uO=－

uI反相比例運算電路u－u＋uO

RFiF

－

＋∞＋R1R2uI

i1

iD

昆明理工大學電工電子中心232.同相比例運算電路i1iDu－u＋uORFiF－

＋∞＋R1R2uIAfRFR1uO=)uI(1＋uO=RF

iF

＋

R1i1

uI=R1

i1iF=i1同相比例運算電路昆明理工大學電工電子中心24

說明①uO

與uI

同相位，且Af≥1；

uO

的大小只與R1、RF的阻值和

uI有關。②若RF=0,R1=∞,R2=0時,

uO

=uI稱為電壓跟隨器

③平衡電阻R2=R1∥RF。uO

－

＋∞

＋uI

電壓跟隨器RFR1uO=)uI(1＋i1iDu－u＋uORFiF－

＋∞＋R1R2uI同相比例運算電路昆明理工大學電工電子中心25[例10.5.1]應用運放來測量電阻的原理電路如圖所示，

其中uI=U=

10V，輸出端接有滿量程為5V的電壓表，被測電阻為Rx。(1)試找出被測電阻的阻值Rx與電壓表讀數(shù)之間的關系；(2)若使用的運放為CF741型，為了擴大測量電阻的范圍，將電壓表量程選為50V是否有意義？[解](1)uORx－

＋∞＋R1uI

＋

U

－－

＋V0~5V1M10VＲxＲ1uO=－uIＲ1

uIＲx

=－uO106

10

=－uO

=－105uO

昆明理工大學電工電子中心26電壓表讀數(shù)

uO

V

－1－2－3－4－5被測電阻值

Rx

1052×1053×1054×1055×105所以:(2)

查附錄可知，CF741型集成運放的最大輸出電壓為13V，超出此值時輸入與輸出不再有線性關系，所以，選用50V量程的電壓表是沒有意義的。昆明理工大學電工電子中心27二、加法運算電路u＋=u－

=0

u－u＋uORFiF－

＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11ＲFＲ12ＲFＲ11+uI2)uO=－(uI1

當uI1單獨作用時,uO1=－ＲFＲ11uI1當uI2單獨作用時,

根據(jù)疊加定理:uO=uO1＋uO2uO1=－ＲFＲ12uI2加法運算電路虛地昆明理工大學電工電子中心uI1uI228①當R11=R12=R1

時：②當R11=R12=RF

時：uO=－(uI1+uI2)，

③平衡電阻：R2

=R11∥R12∥RF。

說明u－u＋uORFiF－

＋∞＋R12R2uI1iI1iI2uI2R11ＲFＲ12ＲFＲ11+uI2)uO=－(uI1ＲFＲ1uO=－(uI1+uI2)加法運算電路昆明理工大學電工電子中心29三、減法運算電路

當uI1單獨作用時,uO1=－ＲFＲ1uI1當uI2單獨作用時,RFR1uO2=(1＋)u＋R3R2＋R3u＋=uI2=(1＋RFR1)R3R2＋R3uI2u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2uI1R3u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI1R3u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2R3根據(jù)疊加定理:uO=uO1＋uO2減法運算電路昆明理工大學電工電子中心30ＲFＲ1R3R2＋R3RFR1=(1＋)uI2－

uI1

uO=uO1＋uO2ＲFＲ1uO=(uI2－uI1)Ｒ3Ｒ2ＲFＲ1當=時,①②當R1=RF時,uO=uI2

–uI1③平衡電阻R2∥R3=R1∥RF。

說明u－u＋uORF－

＋∞＋R1R2uI2uI1R3R3/R21＋R3/R2減法運算電路昆明理工大學電工電子中心31[例10.5.2]如圖為兩級運放組成的電路，已知uI1=0.1V，uI2

=0.2V，uI3

=0.3V，求uO?！蓿鱱I1uI2∞－＋＋△uI3+uO

－30k30k30k10k10k10k10k10kＲF1Ｒ12

ＲF1

Ｒ11uO1=－(uI1＋uI2)第一級為加法運算電路：[解]第二級為減法運算電路：R5R4+R5RF2R3(1＋)uI3ＲF2Ｒ3－

uO1

uO==0.3V

=0.6V

昆明理工大學電工電子中心32四、微分運算電路u－u＋uORF－

＋∞＋R2uIiFC＋uC－iC

u+=u－=

0iF=iC

duCuO=－RFCdtduIuO=－RFCdtduC=CdtuORF

－OuO

tOuItUI①當uI為階躍電壓時,

uO為尖脈沖電壓。

說明②平衡電阻R2=RF。

微分運算電路虛地波形昆明理工大學電工電子中心33五、積分運算電路

u＋=u－=

0iI=iF1R1CuO=－uIdt∫＋

uC－u－u＋uOR1－

＋∞＋R2uIiFCiIduCdt

CuIR1=uO=－uC

說明①當uI為階躍電壓時,

uO隨時間線性積分到負飽和值為止。OuIUIttOuO－UOM②平衡電阻R2=R1。

積分運算電路波形虛地

昆明理工大學電工電子中心3410.6電壓比較器一、單限電壓比較器+UOM

電壓傳輸特性R－

＋∞＋RuIUR－UOMuOuIuOOUR－UOMR－

＋∞＋RuIURuO+UOMuIuOOUR

信號輸入方式昆明理工大學電工電子中心35

零電壓比較器可以實現(xiàn)波形變換,即可以把正弦波變換為方波。

當UR=0時，稱為零電壓比較器－UOMtuIO

tuO

O

＋UOMR－

＋∞＋RuIuO零電壓比較器輸出波形昆明理工大學電工電子中心36[例10.6.1]如圖所示是利用運放組成的過溫保護電路，R3是負溫度系數(shù)的熱敏電阻，溫度升高時，阻值變小，KA是繼電器，要求該電路在溫度超過上限值時，繼電器動作，自動切斷加熱電源。試分析該電路的工作原理。[解]

從圖中可得：正常工作時，uI＜UR，uO=－UOM晶體管T截止，→

KA線圈不通電,→KA不會動作。uOR1

－

＋∞＋R2uI＋UCCR4R3UR

T

KA

R2R1＋R2UR=UCC(2)R4R3＋R4uI=UCC(1)昆明理工大學電工電子中心37當溫度超過上限值時，

R3的阻值下降；根據(jù)公式(1)可知uI增加，當uI>UR時，uO=＋UOM晶體管T飽和導通，→

KA線圈通電,→KA產(chǎn)生動作，→切除加熱電源，→實現(xiàn)過溫保護。uOR1

－

＋∞＋R2uI＋UCCR4R3UR

T

KA

昆明理工大學電工電子中心38AoF=110.7RC正弦波振蕩電路＋Uo－＋Ui－

－

Uf

＋

放大電路

A0

反饋電路

F正弦波振蕩器原理電路uORCC－

＋∞＋RFR1RRC正弦波振蕩器Uf=F

UoUoAoUi=反饋電路同相比例電路昆明理工大學電工電子中心391.自勵振蕩的相位條件反饋電壓Uf的相位要與輸入電壓Ui的相位相同?！?/p>

·

即必須是正反饋。

RC串并聯(lián)電路

＋

Uf=Ui

－

＋

UO

－RRCC=UfUoRXC

3＋jR2－XC

1=2Z并Z總(R－jXC

)＋[R∥(－jXC)]R∥(－jXC

)=昆明理工大學電工電子中心40UfUoR=

XC

=2pfnC

112pRCfn=RXC

3＋jR2－XC

1=2若滿足Uf和Ui同相位··=UfUo13——振蕩頻率F=

RC串并聯(lián)選頻電路

＋

Uf=Ui

－

＋

Uo

－RRCC

改變R、C可以改變振蕩頻率。昆明理工大學電工電子中心41|Ao|

=3=UfUoF=132.自勵振蕩的幅度條件反饋電壓與輸入電壓大小相等。即|Ao||F|=1。RFR11＋=3ＲF=2R1Uf=F

Uo··UoAoUi=··

uORRCC－

＋∞＋RFR1θRC正弦波振蕩器昆明理工大學電工電子中心42RC正弦波振蕩器再反饋→Ui=Uf=|F|Uo2

3.自勵振蕩的起振條件

振蕩電路的組成→接通電源→Uo1反饋→Ui=Uf=|

F|Uo1

放大→Uo2=|

Ao

||

F|

Uo1＞

Uo1再放大→Uo3=|

Ao

||F|Uo2

＞Uo2

起振的過程①放大電路②正反饋電路③選頻網(wǎng)絡……反饋電路放大電路uORCC－

＋∞＋RFR1R選頻電路昆明理工大學電工電子中心43——

才能起振——

振蕩穩(wěn)定——

不能起振①

|Ao||

F

|

＞1

②

|Ao||

F

|=1③

|Ao||

F

|＜1

總之，起振過程是由|Ao||F|>1，一直到|Ao||

F|=1，達到穩(wěn)定的過程。

振蕩波形昆明理工大學電工電子中心44|Ao|

=3ＲF=2R1振蕩穩(wěn)定時:|Ao||

F

|=1|Ao|

＞3ＲF>2R1起振時:|Ao||

F

|

＞1ＲF

為非線性電阻，選擇負溫度系數(shù)的熱敏變阻。

uORRCC－

＋∞＋RFR1θRC正弦波振蕩器昆明理工大學電工電子中心45*10.8有源濾波器

濾波器是一種選頻電路。按電路組成分為：無源濾波電路：由無源元件R、L、C組成