電工電子學(xué)第9章：集成運(yùn)算放大器

第八章集成運(yùn)算放大器8.1集成運(yùn)算放大器概述8.3運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用8.4運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用8.2運(yùn)算放大電路中的負(fù)反饋1、了解集成運(yùn)放的基本組成、特點(diǎn)、電壓傳輸特性和主要參數(shù)。2、理解反饋的概念，了解反饋的類型。3、掌握理想運(yùn)算放大器的分析方法。4、重點(diǎn):用集成運(yùn)放組成的比例、加、減、微分和積分電路。5、理解用集成運(yùn)放組成的電壓比較器的工作原理。本章要求：集成電路：用一定的生產(chǎn)工藝把整個(gè)電路中的元器件及它們之間的連線制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。集成電路特點(diǎn)：工作穩(wěn)定，使用方便，體積小，重量輕，功耗小，實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的統(tǒng)一。數(shù)字集成電路模擬集成電路：集成運(yùn)算放大器集成電路簡(jiǎn)介8.1集成運(yùn)算放大器概述一、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及組成

集成運(yùn)算放大器是一種具有高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是一種常用的模擬集成電路。特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸

ri

高:幾十k

幾百k

KCMR（共模抑制比）很大

ro

?。簬资?/p>

~幾百

Auo

很大:104~107組成：由四個(gè)基本部分組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路u-u+uo集成運(yùn)放的組成輸入級(jí)：集成運(yùn)放的關(guān)鍵部分，要求其輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào),常采用差動(dòng)放大電路。中間級(jí)：主要作用是進(jìn)行電壓放大，又稱電壓放大級(jí)。常采用一級(jí)或多級(jí)共射放大電路構(gòu)成。輸出級(jí)：要向負(fù)載提供一定的功率，要求輸出阻抗小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。偏置電路：為各級(jí)提供合適的偏置電流。輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)二、集成運(yùn)放的工作原理反相輸入端同相輸入端輸出端+UCC

ui-UCCuoT3T4T5T1T2IS123+VD1VD2VD3VD4集成運(yùn)放的輸入級(jí)——差動(dòng)放大器基本差放的電路組成由兩個(gè)對(duì)稱的單管共射放大電路組成輸入方式雙端輸入：信號(hào)由兩個(gè)輸入端之間輸入。ui=ui1-ui2單端輸入：信號(hào)由一端輸入，另一端接地。

ui=ui1；ui2=0雙端輸出：信號(hào)由兩個(gè)輸出端之間輸出。uo=uo1-uo2單端輸出：信號(hào)由某一端對(duì)地輸出。uo=uo1輸出方式共模輸入

兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等,極性相同,即ui1=ui2,稱為共模輸入。差模輸入

兩個(gè)輸入信號(hào)大小相等,極性相反,即ui1=-ui2,稱為差模輸入。輸入信號(hào)零點(diǎn)漂移的抑制Δuo1Δuo2Δuoui1

=ui2

=0差模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù)共模抑制比差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比++Aouou

+u-。。

。+UCC－UEE運(yùn)放的符號(hào)：運(yùn)放外形：81圓殼式雙列直插式123456782－反相輸入端，輸出與輸入反相3－同相輸入端，輸出與輸入同相4－負(fù)電源端7－正電源端6－輸出端1和5－外接調(diào)零電位器8－空端三、集成運(yùn)放的特性1)開環(huán)差模電壓增益Ao：指運(yùn)放輸出端與輸入端之間無(wú)外加回路(稱開環(huán))時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的比值。

是決定運(yùn)放運(yùn)算精度的主要因素。越大越好。2)最大輸出電壓Uomax：

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。3)輸入失調(diào)電壓UIO4)輸入失調(diào)電流IIO5)輸入偏置電流IIB愈小愈好1、主要參數(shù)6)共模輸入電壓范圍UICM7)共模抑制比KCMR2、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性指開環(huán)應(yīng)用時(shí)輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系曲線：+Uo(sat)-Uo(sat)ud

=u+－u-

uo線性區(qū)負(fù)飽和區(qū)正飽和區(qū)可見，集成運(yùn)放有兩個(gè)工作區(qū)：線性區(qū)、飽和區(qū)工作在線性區(qū)時(shí)：工作在飽和區(qū)時(shí)：Uo+、Uo-的絕對(duì)值分別小于正負(fù)電源值四、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1、理想運(yùn)算放大器

Ao

，KCMR

，rid

，ro02、理想運(yùn)放的電路符號(hào)和電壓傳輸特性Uo

+Uo

-ud

=u+－u-

uouo++

u

+u-。。

。3、理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的分析依據(jù)∵Ao

=

，uo為有限值①“虛短”：差模輸入電壓約等于0，即u+=u－++∞uou-。u+i+i-∴u＋－u－

=0

可以認(rèn)為集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位相等，象短接一樣，稱為“虛短”。如果運(yùn)放的同相端接地,

則反相輸入端近似等于“地”電位，稱虛地。

②“虛斷”：輸入電流約等于0，即i+=i－=0∵rid＝

∴

兩個(gè)輸入端的電流視為0，好像輸入端與運(yùn)放斷開一樣，稱為“虛斷”。++∞uou-。u+i+i-一、反饋的基本概念反饋：指將輸出量（電壓或電流）的一部分或全部，通過(guò)一定的電路（反饋網(wǎng)絡(luò)）引回到輸入端，來(lái)影響輸入量（電壓或電流）的一種過(guò)程。8.2放大電路中的負(fù)反饋反饋放大電路的三個(gè)環(huán)節(jié)：基本放大電路比較環(huán)節(jié)1、反饋的定義和表示法反饋電路F反饋電路

輸出信號(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)反饋系數(shù)凈輸入信號(hào)基本放大電路Ao放大倍數(shù)2、負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式負(fù)反饋：Xf和Xi極性相反使Xd減小，反饋信號(hào)削弱凈輸入信號(hào)。正反饋：Xf和Xi極性相同使Xd增大，反饋信號(hào)增強(qiáng)凈輸入信號(hào)。++–開環(huán)放大倍數(shù)

引入反饋后，反饋放大電路的放大倍數(shù)稱為閉環(huán)放大倍數(shù)，用Af表示，則反饋放大電路的基本關(guān)系式：

引入負(fù)反饋后，閉環(huán)放大倍數(shù)下降。——反饋深度反映了負(fù)反饋的強(qiáng)弱程度。若稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)：

在深度負(fù)反饋的條件下，閉環(huán)放大倍數(shù)Af取決于反饋系數(shù)F，與開環(huán)放大倍數(shù)Ao無(wú)關(guān)。

越大，越小，反饋越強(qiáng)烈。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)。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)。引入交流負(fù)反饋的目的：改善放大電路的性能。引入直流負(fù)反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。二、負(fù)反饋的類型1.負(fù)反饋的類型1)根據(jù)反饋信號(hào)本身的交、直流性質(zhì)，分為直流反饋和交流反饋。2)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。3)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。3、負(fù)反饋放大電路分析分析步驟：2)判別是否負(fù)反饋？1)找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。3)是負(fù)反饋！判斷是何種類型的負(fù)反饋？分析方法：1)反饋極性的判別：瞬時(shí)極性法a、先假設(shè)輸入信號(hào)的瞬時(shí)極性，并用符號(hào)、表示；－＋b、沿反饋環(huán)路逐步判定并標(biāo)出有關(guān)各點(diǎn)信號(hào)的極性，確定反饋信號(hào)的瞬間極性；c、根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的作用判定正負(fù)反饋。如果反饋信號(hào)使輸入信號(hào)加強(qiáng)則為正反饋；如果反饋信號(hào)使輸入信號(hào)減弱則為負(fù)反饋。在單級(jí)集成運(yùn)放放大電路中，當(dāng)反饋信號(hào)引到同相端時(shí)為正反饋，引到反相端時(shí)為負(fù)反饋。方法2)反饋方式的判別：a、在輸出回路：根據(jù)反饋信號(hào)的采樣判定是電流反饋還是電壓反饋。將采樣輸出端短路（令uo＝0），若反饋信號(hào)消失則為電壓反饋，否則為電流反饋。將采樣輸出端開路（令io＝0），若反饋信號(hào)消失則為電流反饋，否則為電壓反饋。方法b、在輸入回路：判定是并聯(lián)反饋還是串聯(lián)反饋。若反饋信號(hào)和輸入信號(hào)在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)，則為串聯(lián)反饋；若以電流加減形式出現(xiàn)則為并聯(lián)反饋。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)：若反饋信號(hào)和輸入信號(hào)接在放大器同一輸入端則為并聯(lián)反饋，否則為串聯(lián)反饋。例1：

1)判定反饋元件（電阻和電容）

(1）連接在輸入與輸出之間的元件。

(2）輸入回路與輸出回路所共有的元件。電阻Rf連接輸入回路和輸出回路，所以Rf是反饋元件。uo++

+－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－＋＋＋

2)判定反饋極性瞬時(shí)極性法反饋信號(hào)為正，加在反相輸入端，使得凈輸入減小，為負(fù)反饋。

3)判定反饋類型輸出端短路uf消失，則為電壓反饋；在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）可見為串聯(lián)反饋反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋判斷反饋類型4）反饋過(guò)程分析：當(dāng)ui一定時(shí)，負(fù)載變化可見，通過(guò)反饋的引入，使得輸出電壓得到穩(wěn)定5）電路分析計(jì)算：由“虛斷”：由“虛短”：uo++

+－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－＋＋＋uo++

+－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－Rio

1)判定反饋元件（電阻和電容）

(1）連接在輸入與輸出之間的元件。

(2）輸入回路與輸出回路所共有的元件

2)判定反饋極性瞬時(shí)極性法

3)判定反饋類型電阻Rf連接輸入回路和輸出回路，所以Rf是反饋元件，與R1組成反饋網(wǎng)絡(luò)。反饋信號(hào)為正，加在反相輸入端，使得凈輸入減小，為負(fù)反饋。輸出端短路uf不消失，則為電流反饋；或者計(jì)算uf的值（正比與io）在輸入端以電壓加減形式出現(xiàn)（或電路結(jié)構(gòu)）可見為串聯(lián)反饋反饋類型：電流串聯(lián)負(fù)反饋例2、判斷電路的反饋類型4）反饋過(guò)程分析：當(dāng)ui一定時(shí)，負(fù)載變化可見，通過(guò)反饋的引入，使得輸出電流得到穩(wěn)定5）電路分析計(jì)算：由“虛斷”：由“虛短”：uo++

+－－+uf－+uiudR1R2RfRL+－Rio運(yùn)放負(fù)反饋簡(jiǎn)便判斷法總結(jié)2、反饋電路直接從輸出端引出的,是電壓反饋；從負(fù)載電阻RL靠近“地”端引出的，是電流反饋。3、輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端上的，是串聯(lián)反饋；加在同一個(gè)輸入端上的是并聯(lián)反饋。1、反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小的是負(fù)反饋；使凈輸入信號(hào)增大的是正反饋。在單級(jí)集成運(yùn)放放大電路中，當(dāng)反饋信號(hào)引到同相端時(shí)為正反饋，引到反相端時(shí)為負(fù)反饋。三、負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響基本放大電路Ao反饋電路F

+–1.對(duì)放大倍數(shù)的影響負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。同相，所以AoF是正實(shí)數(shù)負(fù)反饋時(shí)，中，則有：放大倍數(shù)的相對(duì)變化：Af的變化量為A的引入負(fù)反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。在中，對(duì)Ao求導(dǎo)，負(fù)反饋深度越深，放大電路越穩(wěn)定。在深度負(fù)反饋時(shí)，Af=1/F，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，這時(shí)放大電路的工作非常穩(wěn)定。2.改善波形的失真Auiufud加反饋前加反饋后uoui小大小大小大

負(fù)反饋是利用失真的波形來(lái)改善波形的失真，因此只能減小失真，而不能完全消除失真。

uoAF3.展寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：fAu無(wú)負(fù)反饋有負(fù)反饋4.對(duì)輸入電阻的影響1）串聯(lián)負(fù)反饋無(wú)負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：使電路的輸入電阻提高分析：無(wú)負(fù)反饋時(shí)：有負(fù)反饋時(shí)：2）并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻降低分析：

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。

電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。1）電壓負(fù)反饋使電路的輸出電阻降低2）電流負(fù)反饋使電路的輸出電阻提高5.對(duì)輸出電阻的影響8.3集成運(yùn)放

在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用一、比例運(yùn)算

二、加法運(yùn)算

三、減法運(yùn)算

四、積分運(yùn)算

五、微分運(yùn)算一、比例運(yùn)算1、反相輸入比例運(yùn)算（1）電路組成（2）電路分析∵

虛斷∵

虛短∴

u-=u+

uo++∞.uiR2Rfu+u_。。R1.。。++––iiifi-i+運(yùn)放的同相端接地——“虛地”∴

u-=u+=0uo++∞.uiR2Rfu+u_。。R1.。。++––反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋若取Rf＝R1，則uo＝-ui，Auf＝-1。電路為反相器。平衡電阻，保證輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等R2=R1//Rf

⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低。

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(wú)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”?！咛摱?/p>

∴∵虛斷++∞..uoR2Rfu+u_。ui。

R1ifii2、同相輸入比例運(yùn)算（1）電路組成（2）電路分析反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋

當(dāng)R1=

或Rf

=0時(shí)，uiuo++∞.u+u_。。

URLR1R2++∞..uoR2Rfu+u_。ui。

R1uo=ui

，

Auf=1，

稱電壓跟隨器。⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低。

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(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。二、加法運(yùn)算

1、反相加法運(yùn)算∵虛地u-=u+=0

當(dāng)Rf＝Ri1＝Ri2時(shí)，uo＝－(ui1＋ui2)∵虛斷++∞...ui2ui1uoR2Rfu+u_。。

Ri1Ri2。i1i2ifi-i1+i2=if，即∵ff++∞..uoRfu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri12、同相加法運(yùn)算++∞..uoRfu+u_。。.ui2。

Ri2R1ui1Ri2++∞...ui2ui1uoR2Rfu+u_。。

Ri1Ri2。反相加法運(yùn)算電路同相加法運(yùn)算電路R2=Ri1//Ri2//

Rf三、減法運(yùn)算由虛斷可得：由虛短可得：++∞...ui2ui1uoR3Rfu+u-。。

R1。R2分析方法二：利用疊加原理

++∞...ui2ui1uoR3Rfu+u-。。

R1。R2思考減法運(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。

如果取R1

=R2

，R3

=Rf

如果取R1

=R2

=R3

=Rf

輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。++∞...ui2ui1uoR3Rfu+u-。。

R1。R2四、積分運(yùn)算由虛短及虛斷性質(zhì)可得

ii=if，u+=u-=0if=?C++∞.uoR2u+u_。R1ui。.iiif+–則若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui時(shí)，則uot0-UOM+UOMt0ui積分飽和線性積分時(shí)間輸出電壓隨時(shí)間線性變化t0uiuot0-UOM+UOM輸入為方波，輸出為三角波。因此，積分電路除了具有運(yùn)算功能外，還可用于波形轉(zhuǎn)換。五、微分運(yùn)算uot0t0ui++∞.uoR2u+u_。uiRf。.Ciiif由虛短及虛斷性質(zhì)可得例1：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF

=50k

。求：1、Auf

；

2、若R1不變，要求Auf為–10，則RF

應(yīng)為多少？RF++∞..uiuoR2u+u_。。

R1解：1、Auf=–RF

R1

=–50

10=–52、∵

Auf=–RF

R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=10

10=100++∞..ui1ui2uo1R4R2R1。R3++∞..uoR1。R2。例2：分析如下電路，寫出輸出信號(hào)表達(dá)式。第一級(jí)為同相輸入比例運(yùn)算第二級(jí)為減法運(yùn)算－8.4運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用

一、有源濾波器二、電壓比較器

會(huì)分析、畫傳輸特性、根據(jù)輸入波形畫輸出波形了解概念一、有源濾波器濾波器：

選頻電路。它能選出有用頻率信號(hào)，而抑制無(wú)用頻率信號(hào)。無(wú)源濾波器：

由電阻、電容和電感元件組成的濾波器。有源濾波器：

由運(yùn)算放大器組成的濾波器。缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。特點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。1.有源低通濾波器電路能使低于

0（

0＝1/RC）的信號(hào)順利通過(guò)，衰減很??；而使高于

0的信號(hào)不易通過(guò)，衰減很大。2.有源高通濾波器電路使頻率大于

0

的信號(hào)通過(guò)，而小于

0

的信號(hào)被阻止3.帶通濾波器和帶阻濾波器帶通濾波器使通頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)可以通過(guò)，通頻帶以外的信號(hào)被阻止二、電壓比較電路

電壓比較電路用來(lái)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(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。功能：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。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：輸出只有兩種可能+Uo

或–Uo

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo

=+Uo

u+<u－

時(shí)，uo

=

–

Uo

電壓傳輸特性Uo

+Uo

-ud

=u+－u-

uo電壓傳輸特性-Uo

+Uo有運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)1、基本比較電路

可見，在ui

=UR

處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。閾值電壓（門限電平）：輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。即uiuooUR++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2uitoouot+UO–UOt1t2UR++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2ui

>UR，uo=+UOui

<UR，uo=–UOuiuoo–UO+UOUR電壓傳輸特性u(píng)ouio–UO+UOUR++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2+_++∞uiuou+u_。。

R1URR2uitoURouot+UO–UOouot+UO–UOt1t2++∞uiuou+u_。。

R1+_URR2+_++∞uiuou+u_。。

R1URR2輸出帶限幅的電壓比較電路設(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-UZuiuoo–UO+UOUR電壓傳輸特性++∞uiuou+u_。。

R1+_URR.DZR22、過(guò)零電壓比較電路uiuoo–UO+UOUR=0uitoouot+UO–UO++