my第16章集成運算放大器

第16章集成運算放大器16.1集成運算放大器的簡單介紹16.2運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用16.3運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用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。

集成電路

是采用微電子技術(shù)將由二極管、晶體管、場效應(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，向外引出若干個管腳，構(gòu)成一個完整的、具有一定功能的電路。這個電路是一個不可分割的固體塊，所以又稱固體組件。集成運算放大器：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、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電路的簡單說明輸入級中間級輸出級偏置電路運算放大器方框圖輸入級：前置級，多采用差分放大電路，要求輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，Ad大，Ac小，輸入端耐壓高。

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。

偏置電路:由恒流源等電路組成，用來設(shè)置合適靜態(tài)工作點。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。兩個輸入端Uo集成運放741的電路原理圖同相輸入輸入級偏置電路中間級輸出級+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相輸入輸出集成運算放大器的管腳和符號反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號傳輸方向輸出端實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號;(b)引腳765

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

U-)運放輸入輸出關(guān)系A(chǔ)uo：開環(huán)電壓放大倍數(shù)；運算放大器輸入、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，集成運放的輸出為+Uom或-Uom，即集成運放工作在非線性區(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。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運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運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和抑制共模信號的能力，引入共模抑制比。差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù)

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

Ac=0，

若電路不完全對稱，則Ac0實際輸出電壓

uO

=AcuIc+

Ad

uId即共模信號對輸出有影響。輸出電壓

uO=Ad

(uI1

uI2)=AduId

1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2.開環(huán)輸入電阻3.開環(huán)輸出電阻4.共模抑制比由于實際運算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。16.1.4理想運算放大器及其分析依據(jù)在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的運算放大器。理想化的主要條件：16.1.4理想運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，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––2.電壓傳輸特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)O理想運算放大器圖形符號3.理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=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，運放的線性范圍越小，理想運放的線性區(qū)幾乎沒有，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)O只適用于理想運放閉環(huán)線性應(yīng)用時！理想運放工作在線性和飽和時！集成運放的種類種類：按供電方式分雙電源供電正、負電源對稱型正、負電源不對稱型單電源供電按集成度（即一個芯片上運放個數(shù)）分單運放雙運放四運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)集成運放的選擇信號源的性質(zhì)；負載的性質(zhì)；精度要求；環(huán)境條件；1.熟悉集成運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；3.了解運放的類型及選擇方法；本章要求16.2

運算放大器在信號運算方面的運用集成運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，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。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，就可以實現(xiàn)不同的運算。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)因虛短,

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

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時u+、u–對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF16.2.1比例運算1.反相比例運算電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋電壓并聯(lián)負反饋輸入電阻低，ri=R1共模電壓0⑤電壓并聯(lián)負反饋，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為負值，即uo與ui

極性相反。因為ui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.同相比例運算（1）電路組成uoRFuiR2R1++––++–

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，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，此值與運放本身的參數(shù)無關(guān)。

uoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運算輸入電阻高共模電壓=ui電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—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”反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋uoRFuiR2R1++––++–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。同相輸入結(jié)論：①Auf為正值，即uo與ui

極性相同。因為ui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(dāng)R1=且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(dāng)負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：16.2.2加法運算電路1.反相加法運算電路因虛短,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+思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–注意：同相求和電路的兩個輸入信號的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨調(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，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(dāng)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+–差動運算電路兩端都有輸入信號的情況下進行的運算就是差動運算。根據(jù)疊加原理分析：1.ui1作用，ui2不作用時：反相比例RfR1uo'=-ui12.ui2作用，ui1不作用時：同相比例uo''=(1+RfR1)ui216.2.3減法運算電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法：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積分運算電路利用電容元件上電流與電壓是微積分的關(guān)系，達到uo是ui積分的目的，因此該電路稱為積分運算電路。根據(jù)虛短和虛斷分析：i1=if積分電路實踐應(yīng)用時，輸入信號為恒定電壓直流信號，其大小、方向都不變。線性函數(shù)若輸入為恒定直流，則輸出為時間t的線性函數(shù)，即uo隨t線性變化。tuo?

積分積分時限如果積分電路從某時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定時間后輸出飽和。保持積分時限與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，時間就越短。因此，積分電路常應(yīng)用于延時使用，用作定時器。積分時限與哪些因素有關(guān)？積分電路實現(xiàn)的功能輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？線性積分，延時輸入為方波時的輸出電壓波形？輸入為正弦波時的輸出電壓波形？

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。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)整時間，是較為理想的調(diào)節(jié)方式。比例積分保持1