第十六章集成運算放大器

集成運算放大器第十六章1

第16章集成運算放大器§16.1集成運算放大器簡介§16.2集成運放的基本結(jié)構(gòu)§16.3信號的運算電路§16.4集成運放的非線性應(yīng)用2教學(xué)目的和要求：1、正確理解理想運放的特點；2、熟練掌握比例、求和、減法和積分電路；3、正確理解電壓比較器的工作原理重點：

1、理想運放的特點

2、基本運算放大電路分析

3、電壓比較器難點：1、電壓比較器學(xué)時：3個3§16.1集成運算放大器簡介將整個電路的各個元件做在一個半導(dǎo)體基片上。集成電路:優(yōu)點:工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。分類:模擬集成電路、數(shù)字集成電路小、中、大、超大規(guī)模集成電路INTEGRATEDCIRCUITS4集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點1、單個的精度不是很高，但由于是在同一硅片上，用同相工藝生產(chǎn)出來的，性能比較一致。2、元器件相互離得很近，溫度特性較一致。3、電阻一般在幾十歐至幾十千歐，太高或太低都不易制造。4、電感難于制造，電容一般不超過200PF，大電容不易制造。IC5集成運放的簡單介紹

實質(zhì)上是一個具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。輸入級中間級輸出級偏置電路輸入級：由差放構(gòu)成，可減小零點漂移和抑制干擾。中間級：共射放大電路，用于電壓放大。輸出級：互補對稱電路。降低輸出電阻，提高帶載能力。偏置電路：由恒流源構(gòu)成，確定運放各級的靜態(tài)工作點。6

§16.2集成運放的基本結(jié)構(gòu)輸入級中間級輸出級-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框圖輸入級：差動放大中間級：共發(fā)射極輸出級：功率放大7-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：輸入級盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大。8-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級足夠大的電壓放大倍數(shù)9-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級輸出級主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

，輸出阻抗ro小。10

ri

高:幾十k

幾百k運放的特點：KCMRR很大

ro

?。簬资?/p>

~幾百

Ao很大:104以上~107理想運放：

ri

KCMRR

ro

0Ao

運放符號：＋－u－u+uo運放的特點和符號－＋＋

u－

u+

uoA0國標(biāo)符號國際流行符號11電壓傳輸特性uo=f(ui)線性區(qū)：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性uo++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)OAo越大，運放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。ε12運算放大器線性應(yīng)用時的分析依據(jù)1.因為輸入電阻為無窮大，所以輸入電流電流為零，相當(dāng)于開路，所以此性質(zhì)稱為虛斷。2.因為開環(huán)增益為無窮大，所以輸入電壓電壓相等，相當(dāng)于短路，所以此性質(zhì)稱為虛短。13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)不存在虛短現(xiàn)象當(dāng)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

2.輸出只有兩種可能，+Uo(sat)或-Uo(sat)仍存在虛斷現(xiàn)象14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(guān)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(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。4.共模輸入電壓范圍UICM

當(dāng)輸入信號為零時，兩個輸入端的靜態(tài)基極電流之差。其值越小越好，一般在零點零幾微安級。3.輸入失調(diào)電壓UIO為使輸出等于零，

而在輸入端加的微小補償電壓。（調(diào)零工作已由調(diào)零電位器完成）155.輸入偏置電流IIB

當(dāng)輸入信號為零時，兩個輸入端的靜態(tài)基極電流，其值越小越好。一般在零點幾微安級。6.共模輸入電壓范圍UICM

運放對共模信號具有抑制的性能，但這個性能在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)才具備。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。16由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。

理想運放工作在線性區(qū)的條件：在運放的輸出與輸入之間加深度負(fù)反饋。放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，可以分開分析。虛短路虛斷路§16.3信號的運算電路16.3.1概述17運放能完成信號的代數(shù)運算有：比例、加減、積分、微分等簡單運算，還能完成對數(shù)與反對數(shù)以及乘除等復(fù)雜運算。它們都是線性范圍內(nèi)的運算，都適用疊加定理。1816.3.2信號的運算電路(1)反相比例運算放大器_++RFR1R2uiuoi1iFi1=iF因要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF電路組成電壓放大倍數(shù)根據(jù)輸入端口電流為0的特性所以，根據(jù)輸入端口電壓為0的特性19當(dāng)R1=Rf時，u0=-ui電路被稱為反向器。結(jié)論：⑴Auf為負(fù)值，即u0與ui極性相反，因為ui加在反相輸入端。⑵Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。⑶可大于1，也可等于1或小于1。20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(yīng)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++––++–21(2)同相比例運算放大器uo_++RFR1R2ui(1)電路組成輸入電壓加在運放的同相輸入端，而在反相輸入端引入負(fù)反饋因要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF⑵電壓放大倍數(shù)根據(jù)虛短和KVL根據(jù)虛斷22(3)電壓跟隨器若令此時電路變成電壓跟隨器，在電路中起隔離作用。圖中由R1和R2構(gòu)成的分壓電路中，開路電壓接負(fù)載電阻RL后23

如果通過電壓跟隨器接入負(fù)載電阻RL，由于運算放大器電阻趨于，則此電路輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能更好。即負(fù)載電阻對前級電路的影響被隔離了，因此，電壓跟隨器在實際電路中起隔離作用。24求和電路的輸出量反映多個模擬輸入量相加的結(jié)果。所以：當(dāng)R1=R2=R3=R時，(4)反相求和運算：25(6)減法電路_++RFR1R2ui2uoR3ui1當(dāng)兩個輸入端都有信號輸入時，即為差動輸入，可進(jìn)行減法運算。當(dāng)R1=R2，R3=RF時當(dāng)R1=RF時26方法二：利用疊加定理來求解_++RFR1R2ui2uoR3ui1結(jié)論：減法運算電路可以看成是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加27(7)積分運算：i1iFu

i-++R1R2CFuo將反相比例運算放大電路中的反饋元件RF用電容CF代替，就成為積分電路。當(dāng)輸入信號為階躍信號時，28tui0應(yīng)用舉例1：tuo01、輸入方波，輸出是三角波。292、輸入電壓為正弦波tuOO可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先90

。因此，此時積分電路的作用是移相。tuIOUm30

將比例運算和積分運算結(jié)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(diào)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(diào)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++––++–RF31(7)微分運算：ui－++uoRFR2i1iFCF微分電路微分運算是積分的逆運算即輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。32若輸入：則：tui0tuo0則輸出信號uo為尖脈沖信號：若輸入ui為階躍信號：tui0Uituo0微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。（波形如上圖）33uoC1uiR2RF++––++–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(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！狿D調(diào)節(jié)器ifiRiC3416.3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用16.3.1有源濾波器16.3.2采樣保持電路16.3.3電壓比較器35電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時，輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。36理想運放工作在非線性區(qū)時的特點uo

≠

Aod

（

u+-

u-

）

當(dāng)u+>

u-

uo=當(dāng)u+

<

u-

uo=1.輸出電壓uo的值只有兩種可能：2.理想運放的輸入電流等于零，仍然存在虛斷。i+=

i-虛斷不再存在虛短現(xiàn)象+UO(sat)uOu+-u-O理想特性電壓傳輸特性-UO(sat)+UO(sat)-UO(sat)37⑴基本電壓比較器參考電壓電壓傳輸特性運放處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)u+>

u-

uo=+UO(sat)當(dāng)u+

<

u-

uo=-UO(sat)即當(dāng)ui<uR,uo=+UO(sat)即ui>uR,uo=-UO(sat)可見，在ui=uR時處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。38ui單方向變化時，uo只變化一次電壓傳輸特性39輸入信號接在反相端電壓傳輸特性輸入信號接在同相端40輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端41⑵輸出帶限幅的電壓比較器Ui<uR時，Ui>uR時，電壓傳輸特性設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向壓降，則Ui<uR時，UO=UZ;Ui<uR時，UO=-UZ42uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)⑶過零比較器UR=0電壓傳輸特性利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?3++uouituituo+Uom-Uom例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?4tuituo過零附近仍處于放大區(qū)Ao不夠大時的情況45

16.5

使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題

集成運放的用途廣泛，在使用前必須進(jìn)行測試，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和極限參數(shù)符合電路要求，同時還應(yīng)注意以下問題。

2.調(diào)零：應(yīng)在閉環(huán)狀態(tài)下調(diào)零

方法一：輸入為零，調(diào)節(jié)調(diào)零按鈕使輸出為零。方法二：加一定輸入，調(diào)節(jié)調(diào)零按鈕使輸出為一理想值。1.選用元件

根據(jù)實際要求選用運算放大器。選好后，根據(jù)管腳圖和符號圖連接外部電路，包括電源、外接偏置電阻、外接消振電路及調(diào)零電路等。

46調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負(fù)反饋開環(huán)；集成運放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成“堵塞”現(xiàn)象不能調(diào)零原因3.