chapter16 集成運算放大器

第16章集成運算放大器了解通用集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.掌握運算放大器的特點、符號和電壓傳輸特性；3.熟悉通用集成運放LM741的管腳功能；4.理解理想運算放大器的條件并掌握其基本分析方法；5.理解用集成運放組成的比例、加法、減法、微分和積分運算電路的工作原理，了解PID和PDD在后續(xù)課程中的應(yīng)用；6.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求：16.1集成運算放大器的簡單介紹

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(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成運算放大器的特點：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

高：80dB~140dB差模輸入電阻rid高：105~1011輸出電阻ro

低：幾十

~幾百共模抑制比KCMRR高：70dB~130dB集成運放的總體結(jié)構(gòu)

16.1.2電路的簡單說明+UCC–UEEuou–u+輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端

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放

。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(gòu)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(gòu)成。集成運算放大器符號同相輸入端反相輸入端輸出端典型集成運放芯片介紹1.μA741（F007、5G24、LM741）單運放2.μA747雙運放16.1.3主要參數(shù)

運算放大器的性能可用一些參數(shù)來表示。為了合理地選用和正確地使用運算放大器，必須了解各主要參數(shù)的意義。1.最大輸出電壓UOPP

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，稱為運算放大器的最大輸出電壓。F007集成運算放大器的最大輸出電壓約為12V。2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

在沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)電壓放大倍數(shù)。

Auo越高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。Auo一般約為104～107，即80～140dB。3.輸入失調(diào)電壓Uio

理想的運算放大器，當輸入電壓ui1

=ui2

=0（即把兩輸入端同時接地）時，輸出電壓uo

=0。但在實際的運算放大器中，由于制造中元件參數(shù)的不對稱性等原因，當輸入電壓為零時，uo

≠0。反過來說，如果要u0=0，必須在輸入端加一個很小的補償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。

Ui0一般為幾毫伏，愈小愈好。4.輸入失調(diào)電流Ii0

輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差，即。Ii0一般在零點零幾微安級，其值愈小愈好。5.輸入偏置電流IiB

輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流，即它的大小主要和電路中第一級管子的性能有關(guān)。愈小愈好，一般在零點幾微安級。6.最大共模輸入電壓UiCM

運算放大器對共模輸入信號具有抑制的性能，但這個性能是在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)才具備。如超出這個電壓，運算放大器的共模抑制性能就大為下降，甚至造成器件損壞。

一般為±13V

指的是集成運放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。

±30V7.最大差模輸入電壓Vidmax

總之，集成運算放大器具有開環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高（約幾百千歐）、輸出電阻低（約幾百歐）、漂移小、可靠性高、體積小等主要特點，所以它已成為一種通用器件，廣泛而靈活地應(yīng)用于各個技術(shù)領(lǐng)域中。在選用集成運算放大器時，就像選用其它電路元件一樣，要根據(jù)它們的參數(shù)說明，確定合用的型號。16.1.4理想運算放大器及其分析依據(jù)1.理想運算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.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)3.理想運放工作在線性區(qū)的特點∵uo

=

Auo(u+–

u–

)∴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)4.理想運放工作在非線性區(qū)的特點①輸出只有兩種可能+Uo(sat)或–Uo(sat)②i+=i–0

，仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)當u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

16.2

集成運放

在信號運算方面的運用一、比例運算電路二、加法運算電路三、減法運算電路四、積分運算電路五、微分運算電路16.2.1比例運算1.

反相比例運算（1）電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。（2）電壓放大倍數(shù)∵虛短

∴

u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點∵虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–∴i1if

∵要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RF

⑤電壓并聯(lián)負反饋，輸入、輸出電阻低，

ri

=R1。共模輸入電壓低。結(jié)論：①Auf為負值，即uo與ui

極性相反?！遳i

加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④∵

u-=u+=0，∴反相輸入端“虛地”。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.∵

Auf

=–RF

，R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=1010=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運算∵虛斷，∴

u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–∵虛短，∴

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

∵要求靜態(tài)時u+、u-對地電阻相同，

∴平衡電阻R2=R1//RFu+u–⑤電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同?！遳i

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當R1=或RF

=0時，uo=ui

，

Auf=1，

稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：負載電流的大小與負載無關(guān)。例2：負載浮地的電壓——電流的轉(zhuǎn)換電路1.

能測量較小的電壓；2.

輸入電阻高，對被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi116.2.2加法運算電路

1.反相加法運算電路∵虛短u-=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–∵虛斷，i–=0

∴

ii1+ii1=if

2.同相加法運算電路方法1:根據(jù)疊加原理：

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–思考u+=?也可寫出u-和u+的表達式，利用u-=u+的性質(zhì)求解。1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響；同相加法運算電路的特點：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響；反相加法運算電路的特點：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–16.2.3減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––16.2.4積分運算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uc+–當電容CF的初始電壓為uc(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間-UOMuotO+UOMui=Ui

>0

ui=Ui

<0

采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo

是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化

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。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1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16.2.5微分運算電路uot0t0uiifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–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

—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC16.3

集成運放在信號處理中的應(yīng)用只講16.3.3電壓比較器電壓比較器功能：用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當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。理想運放工作在非線性區(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

②i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)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：輸出躍變所對應(yīng)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)UR：參考電壓（閾值電壓或門限電壓）翻轉(zhuǎn)條件?？梢?，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。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+–++––ouot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uitoURt1t2ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuooURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

過零電壓比較器tuituo+Uo(sat)-Uo(sat)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=02.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(yīng)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R2uoui++–R1+–+–－－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uiuo0

-Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性uit0uo0t+Uo(sat)-Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性—滯回比較器RFR2uoui++–R1+–+–根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR