第16章 集成運(yùn)算放大器

第16章運(yùn)算放大器（下篇）電工技術(shù)與電子技術(shù)中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院返回一、集成電路(integratedcircuit)：

在半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的器件（電阻、電容、三極管等）制造在一塊Si

基片上，并引出相應(yīng)的引線，構(gòu)成特定功能的電子電路。

如：運(yùn)放、各種芯片等。16.0概述二、按功能分類：模擬集成電路數(shù)字集成電路三、集成度：小規(guī)模集成電路（SSI）<102

中規(guī)模集成電路（MSI）<103大規(guī)模集成電路（LSI）<105、超大規(guī)模集成電路（VLSI）>105、

(如：CPU310萬---330萬)Intel奔騰4四、集成電路的工藝特點(diǎn)：（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。（4）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。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時(shí)，往往使用有源負(fù)載（2）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）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特別有利于實(shí)現(xiàn)需要對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電路。第16章運(yùn)算放大器16.1

運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用16.5

運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的運(yùn)用16.7

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題16.6

集成功率放大器16.4

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的運(yùn)用16.2

放大電路中的負(fù)反饋1.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求：16.1運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹＋－u-－u+uo－＋＋∞反相輸入端u－同相輸入端u+輸出端uo國際符號(hào)：國內(nèi)符號(hào)：集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸出電阻小輸入電阻大特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸16.1.1運(yùn)算放大器的組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端+UCC–UEEuou–u+輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放

。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。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。16.1.2通用型集成電路運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)算放大器外形圖16.1.2理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)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)

飽和區(qū)

+Uo(sat)

u+–u–

uo-Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性u(píng)o++u+u–+UCC–UEE–3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)特點(diǎn)：u+=u–

稱“虛短”

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，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)16.2

運(yùn)算放大器

在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用16.3.1比例運(yùn)算16.3.2加法運(yùn)算16.3.3減法運(yùn)算16.3.4積分運(yùn)算16.3.5微分運(yùn)算16.3.1比例運(yùn)算1.

反相比例運(yùn)算（1）電路組成

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–（2）電壓放大倍數(shù)∵虛短

∴

u–=u+=0，∵虛斷，i+=i–=0

，

∴i1=if

平衡電阻R2=R1//RF結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。∵ui

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(yùn)算∵虛斷，∴

i+=ii

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

u–=ui

，

∵要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對(duì)地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RFu+u–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(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。當(dāng)R1=或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：16.3.2加法運(yùn)算∵虛短u-=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii1ii2ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–∵虛斷，i–=0

∴

ii1+ii2=if

)(2211iiFiiFouRRuRRu+-=16.3.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：常用做測(cè)量放大電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。分析方法2：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+–++––16.3.4積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得

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

時(shí)，則uit0積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間輸出電壓隨時(shí)間線性變化-UOMuot0+UOMui=Ui

>0

ui=Ui

<0

采用集成運(yùn)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u0是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。tCRUFi1-=16.3.5微分運(yùn)算電路uot0t0uiifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–16.4.2

電壓比較器功能：電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(hào)的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。16.4運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：①輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，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(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器

可見，在ui

=UR

處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。閾值電壓（門限電平）：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuooURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR

時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR時(shí)，uo

=–

Uo

(sat)CuitoURouot+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，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(hào)接在反相端輸入信號(hào)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(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端過零電壓比較器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=016.2.1反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出端的信號(hào)(電壓或電流)

的一部分或全部引回到輸入端。后一頁前一頁返回16.2

放大電路中的反饋+UCCRE++––+UCCRE++––將輸出電流反饋到輸入將輸出電壓反饋到輸入開環(huán)放大倍數(shù)比較環(huán)節(jié)反饋放大電路的一般方框圖反饋電路F反饋系數(shù)輸出信號(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)凈輸入信號(hào)后一頁前一頁基本放大電路Ao跳轉(zhuǎn)1跳轉(zhuǎn)2返回比較環(huán)節(jié)閉環(huán)放大倍數(shù)后一頁前一頁直流反饋：反饋只對(duì)直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號(hào)。負(fù)反饋：反饋信號(hào)削弱凈輸入信號(hào)，使放大倍數(shù)降低。交流反饋：反饋只對(duì)交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號(hào)。正反饋：反饋信號(hào)增強(qiáng)凈輸入信號(hào)，使放大倍數(shù)提高。返回16.2.2反饋的類型16.2.2負(fù)反饋的類型1）根據(jù)反饋所采樣的信號(hào)不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。

電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流、增大輸出電阻的作用。

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作用。如果反饋信號(hào)取自輸出電壓，叫電壓反饋如果反饋信號(hào)取自輸出電流，叫電流反饋。后一頁前一頁返回2)根據(jù)反饋信號(hào)在輸入端與輸入信號(hào)比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以電壓形式作比較，稱為串聯(lián)反饋。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以電流形式作比較，稱為并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋使電路的輸入電阻增大，并聯(lián)反饋使電路的輸入電阻減小。后一頁前一頁返回負(fù)反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋的分類后一頁前一頁穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)返回16.2.3負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善基本放大電路Ao反饋電路F+–反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號(hào)開環(huán)放大倍數(shù)后一頁前一頁返回（