電工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用16.3運算放大器在信號處理方面的應用16.4運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應用16.6使用集成運算放大器應注意的幾個問題集成電路:

將整個電路的各個元件做在同一個半導體基片上。集成電路的分類：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；16.1集成運算放大器的簡單介紹優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小，實現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的三結合。集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。16.1.1集成運算放大器的特點1.電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2.電阻元件由硅半導體構成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3.只能制作幾十pF以下的小電容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。5.二極管一般用三極管的發(fā)射結構成。4.不能制造電感，如需電感，也只能外接。6.集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。1.電路方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大中間級應有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小。16.1.2電路的簡單說明偏置電路是為各級電路提供穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點，一般由恒流源構成。2.簡單集成運放結構原理圖簡單運算放大器的結構原理圖3.集成運放輸入與輸出的相位關系4.F007（5G24）外引線圖

反相輸入端

同相輸入端輸出端頂視圖

接線圖Auo1543267+15V-15V

3.輸入失調電UIO

16.1.3主要參數(shù)2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

無外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105107之間。理想運放的Auo為。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系的最大輸出電壓，稱為運算放大器的最大輸出電壓。

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。

6.輸入失調電流

IIO

5.輸入偏置電流IIB

輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。

在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

7.最大共模輸入電壓Vicmax

8.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)

其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。

在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。運放的特點理想運放：rid

KCMRR

ro

0Auo

運放符號：＋－u-u+

uo16.1.4理想運算放大器及其分析依據(jù)國內符號：

同相輸入端反相輸入端輸出端國際符號：VVV+∞+_Au＋u-_uo運放的電壓傳輸特性：設：電源電壓±VCC=±10V。運放的Auo=104│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)Auo越大，線性區(qū)越小，當Auo→∞時，線性區(qū)→0Auo越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。實際特性+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想特性運算放大器線性應用時的分析依據(jù)1.差模輸入電阻,兩個輸入端的輸入電流可認為是零，即虛斷。2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

輸出電壓是一個有限值，即虛短。

如果信號從反向端輸入，同相端接地

反相端近于“地”電位，即虛地。運算放大器在飽和區(qū)時的情況當時，當時，注意：此時輸入端的輸入電流也等于零16.2運算放大器在信號運算方面的應用虛擬短路虛擬斷路放大倍數(shù)與負載無關，可以分開分析。u+uo_++u–Ii信號的放大、運算有源濾波電路運放線性應用i1=if虛短虛斷1、反相輸入16.2.1比例運算當RF=R1時，反相器uo_++RFR1RPuii1if電位為0，虛地RP

=R1

//RF平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。特點：共模輸入電壓=0（u－=u+=0）缺點：輸入電阻?。?/p>

Ri=R1）uo_++RFR1RPuii1if2、同相輸入u-=u+=ui虛短虛斷結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。_++RFR1R2uiuoi1if特點：輸入電阻高缺點：共模輸入電壓≠0（u－=u+=ui）此電路的作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。3、電壓跟隨器結構特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。_++RFR1R2uiuoi1if_++uiuo當(開路)或時,

稱為電壓跟隨器。例：圖中同相比例運算電路，求：需要幫忙嗎？點擊我會有新發(fā)現(xiàn)。R2R1RF+ui-R3+uo-++-解：此電路為同相比例運算電路，于是式中的是指加在同相輸入端的輸入電壓R2R1RF+ui-R3+uo-++-1、反相求和運算R12_++RFR11ui2uoRPui116.2.2加法運算平衡電阻：)(212F111FiiouRRuRRu+-=i12iFi11R12_++RFR11ui2uoRPui1調節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節(jié)方便。(虛短)(虛斷)2、同相求和運算-R1RF++ui1uoR21R22ui2此電路如果以u+為輸入，則輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與

ui1

和ui2的關系如何？注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨調整。流入運放輸入端的電流為0（虛開路）_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：16.2.3減法運算用疊加原理求解：_++RFR1R2ui2uoR3ui1ui1單獨作用時為反相輸入比例運算電路，其輸出電壓為：ui2單獨作用時為同相輸入比例運算，其輸出電壓為：

ui1和ui2共同作用時，輸出電壓為：

由此可見，輸出電壓與兩個輸入電壓之差成正比，實現(xiàn)了減法運算。該電路又稱為差動輸入運算電路或差動放大電路。注意：這種輸入方式存在較大的共模電壓，應選用KCMRR較大的運放，并應注意電阻阻值的選取。則:則:例：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關系。解：電路由第一級的反相器和第二級的加法運算電路級聯(lián)而成。A2A1例：圖示是集成電路的串級應用，試求輸出電壓uo。解：A1是電壓跟隨器，A2是差動運算電路，想一想：為什么要加A1？i1if16.2.4積分運算由于反相輸入端虛地，由圖可得：ui-++RR2Cuo+uc-tui0tuo0U-UomTM積分時限反相積分器：如果ui=直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。設Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F求積到飽和值的時間：

將比例運算和積分運算結合在一起，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-積分運算

這種運算器又稱PI調節(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。練習:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。tui0212345tuo0-2-4-6i1ifui-++RR2Cuo+uc-其中：R=10K,C=0.1μFu–=u+=0若輸入：則：16.2.5微分運算tui0tuo090°ui–++uoRR2i1ifC16.3運算放大器在信號處理方面的應用濾波電路的分類1.按信號性質分類3.按電路功能分類:低通濾波器（LPF）；高通濾波器（HPF）；帶通濾波器（BPF）；帶阻濾波器（BEF）。2.按所用元件分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器4.按階數(shù)分類:一階，二階…

高階

濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。

有源濾波器的優(yōu)點：1.不使用電感元件，體積小重量輕。2.有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構成高階濾波電路，無需考慮級間影響。3.除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調節(jié)。16.3.1有源濾波器1、有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)幅頻特性：相頻特性：通帶增益：截止頻率：電路的特點：2.=o

時，1.=0

時，3.幅頻特性21Au0ωoω當

>0時，|T(j)|

衰減很快

顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。

為了改善濾波效果，使

>

0時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一階二階

幅頻特性0|Auf0||T(j)|O2、有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R

可見，電路使頻率大于0

的信號通過，而小于0

的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為

幅頻特性0|Auf0||T(j)|O模擬開關模擬輸入信號1.電路SuC+–ui+–uo+–++–

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉換電路（A/D）之前。由于A/D轉換需要一定的時間，所以在進行A/D轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉換電路的需要。

用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。采樣存儲電容控制信號電壓跟隨器16.3.2采樣保持電路2.工作原理1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應管導通)，

ui對存儲電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(場效應管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–16.3.2采樣保持電路16.3.3電壓比較器

運算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運算放大器便進入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達到最大值Uo(sat)。uiR2(a)電路

(b)電壓傳輸特性

∞

-

+Δ+R10uoURuiuoURUo(sat)-Uo(sat)基準電壓UR=0時，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過零比較器。電壓比較器廣泛應用在模-數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領域。如圖所示為用過零比較器把正弦波變換為矩形波的例子.R2(a)電路(b)電壓傳輸特性

∞

-+Δ+R10uouiuiuoUo(sat)-Uo(sat)0uiui0uiuoUo(sat)-Uo(sat)輸出端接雙向穩(wěn)壓管進行雙向限幅。設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向導通電壓，則ui>UR時，穩(wěn)壓管正向導通,

uo=－UZ；ui<UR時,穩(wěn)壓管反向擊穿，

uo=＋UZ時。uiR2雙向限幅比較器

電壓傳輸特性

∞

-+Δ+R1uoURR0uiuoURUZ-UZ分析1.因為有正反饋，所以輸出飽和。2.當uo正飽和時(uo=+Uo(sat))：U+3.當uo負飽和時(uo=–Uo(sat))：－++uoRR2R1ui參考電壓由輸出電壓決定特點：電路中使用正反饋，運放處于非線性狀態(tài)。*遲滯比較器分別稱UT+和UT-上下門限電壓。稱(UT+-UT-)為回差電壓。當ui增加到UT+時，輸出由Uo(sat)跳變到-Uo(sat)；－++uoRR2R1ui當ui

減小到UT-時，輸出由-Uo(sat)跳變到Uo(sat)。傳輸特性：uoui0Uo(sat)-Uo(sat)UT+UT-小于回差的干擾不會引起跳轉。跳轉時，正反饋加速跳轉。思考題：