my第16章集成運(yùn)算放大器

第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹

集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)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。

集成電路

是采用微電子技術(shù)將由二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、電容等器件組成的具有特定功能的電路都集成在一小塊半導(dǎo)體晶片上，封裝上外殼，向外引出若干個(gè)管腳，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定功能的電路。這個(gè)電路是一個(gè)不可分割的固體塊，所以又稱固體組件。集成運(yùn)算放大器：是一種電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻大、輸出電阻小、共模抑制比高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、耗電少的通用電子器件。集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬16.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路運(yùn)算放大器方框圖輸入級(jí)：前置級(jí)，多采用差分放大電路，要求輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。

中間級(jí)：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。

偏置電路:由恒流源等電路組成，用來(lái)設(shè)置合適靜態(tài)工作點(diǎn)。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。兩個(gè)輸入端Uo集成運(yùn)放741的電路原理圖同相輸入輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相輸入輸出集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳765

F0071234U-U+-UCC+UCC輸出調(diào)零電位器調(diào)零電位器集成運(yùn)算放大器的等效可等效為一個(gè)雙端輸入、單端輸出的差分放大電路；Uo=Auo(U+

U-)運(yùn)放輸入輸出關(guān)系A(chǔ)uo：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)；運(yùn)算放大器輸入、輸出關(guān)系（電壓傳輸特性）Uo=f(U+-U-)Uo=Auo(U+-U-);Auo開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)；Ui=U+-U-Uo+Uom-Uom非線性區(qū)（飽和）線性區(qū)U+-U-的數(shù)值大于一定值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出為+Uom或-Uom，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。16.1.3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(kāi)環(huán)差模電壓增益Auo運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。一般為104

~107，20lg|Auo|=80~140dB6.共模輸入電壓范圍UICM差模輸入電壓范圍UIDM運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。輸入失調(diào)電壓UIO輸入失調(diào)電流IIO輸入偏置電流IIB3.差模輸入電阻rid4.輸出電阻rO5.共模抑制比KCMRR愈小愈好為全面衡量差分放大電路放大差模信號(hào)和抑制共模信號(hào)的能力，引入共模抑制比。差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

KCMR越大,說(shuō)明差分放大電路分辨差模信號(hào)的能力越強(qiáng)，而抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。15.7.3共模抑制比共模抑制比對(duì)于雙端輸出差分放大電路，若電路完全對(duì)稱,理想情況下共模放大倍數(shù)

Ac=0，

若電路不完全對(duì)稱，則Ac0實(shí)際輸出電壓

uO

=AcuIc+

Ad

uId即共模信號(hào)對(duì)輸出有影響。輸出電壓

uO=Ad

(uI1

uI2)=AduId

1.開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)

2.開(kāi)環(huán)輸入電阻3.開(kāi)環(huán)輸出電阻4.共模抑制比由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化,為此,后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O理想運(yùn)算放大器圖形符號(hào)3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o

=Auo(u+–

u–

)由Auo得出：(1)差模輸入電壓約等于0，即u+=u–

,稱“虛短”由rid

得出：(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(yùn)放的線性范圍越小，理想運(yùn)放的線性區(qū)幾乎沒(méi)有，必須加負(fù)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)O只適用于理想運(yùn)放閉環(huán)線性應(yīng)用時(shí)！理想運(yùn)放工作在線性和飽和時(shí)！集成運(yùn)放的種類種類：按供電方式分雙電源供電正、負(fù)電源對(duì)稱型正、負(fù)電源不對(duì)稱型單電源供電按集成度（即一個(gè)芯片上運(yùn)放個(gè)數(shù)）分單運(yùn)放雙運(yùn)放四運(yùn)放按制造工藝分雙極型CMOS型按性能指標(biāo)分通用型(參看p415)特殊型(高阻型、高速型、高精度型、大功率型、低能耗型等)集成運(yùn)放的選擇信號(hào)源的性質(zhì)；負(fù)載的性質(zhì)；精度要求；環(huán)境條件；1.熟悉集成運(yùn)放的基本組成及各部分的作用；2.正確理解主要指標(biāo)參數(shù)的物理意義及其使用注意事項(xiàng)；3.了解運(yùn)放的類型及選擇方法；本章要求16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。16.2.1比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算（1）電路組成

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

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF16.2.1比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小—負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低，ri=R1共模電壓0⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，穩(wěn)壓，輸入、輸出電阻低，ri=R1。共模輸入電壓低。反相比例輸入結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“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.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算（1）電路組成uoRFuiR2R1++––++–

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–

1）電壓放大倍數(shù)（比例系數(shù)）If=由虛斷有Ii+=Ii-=0故I1=If即uoRFuiR2R1++––++–再由虛短及Ii+=0，有U-=U+=Ui所以經(jīng)整理得電壓放大倍數(shù)為Auf=上式表明，集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓相位相同，大小成比例關(guān)系。比例系數(shù)（即電壓放大倍數(shù)）等于1+Rf/R1，此值與運(yùn)放本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。

uoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算輸入電阻高共模電壓=ui電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加兩個(gè)輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小—負(fù)反饋uoRFuiR2R1++––++–⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。同相輸入結(jié)論：①Auf為正值，即uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)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(dāng)R1=且RF

=0時(shí)，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運(yùn)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(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：16.2.2加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

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

所以

ii1+ii2=if

電路如圖示：求uo的波形2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

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

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–注意：同相求和電路的兩個(gè)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–差動(dòng)運(yùn)算電路兩端都有輸入信號(hào)的情況下進(jìn)行的運(yùn)算就是差動(dòng)運(yùn)算。根據(jù)疊加原理分析：1.ui1作用，ui2不作用時(shí)：反相比例RfR1uo'=-ui12.ui2作用，ui1不作用時(shí)：同相比例uo''=(1+RfR1)ui216.2.3減法運(yùn)算電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––16.2.4積分運(yùn)算電路利用電容元件上電流與電壓是微積分的關(guān)系，達(dá)到uo是ui積分的目的，因此該電路稱為積分運(yùn)算電路。根據(jù)虛短和虛斷分析：i1=if積分電路實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，輸入信號(hào)為恒定電壓直流信號(hào)，其大小、方向都不變。線性函數(shù)若輸入為恒定直流，則輸出為時(shí)間t的線性函數(shù)，即uo隨t線性變化。tuo?

積分積分時(shí)限如果積分電路從某時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后輸出飽和。保持積分時(shí)限與Uom、U有關(guān)，若兩者為確定值，則與積分常數(shù)R1Cf有關(guān)。R1Cf越小，時(shí)間就越短。因此，積分電路常應(yīng)用于延時(shí)使用，用作定時(shí)器。積分時(shí)限與哪些因素有關(guān)？積分電路實(shí)現(xiàn)的功能輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？線性積分，延時(shí)輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分這種運(yùn)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(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。PI調(diào)節(jié)器包括3部分分析：比例、積分和保持。由于比例的存在，減小了調(diào)整時(shí)間，是較為理想的調(diào)節(jié)方式。比例積分保持1