電工學(xué)-第十六章

(16-0)第十六章

集成運算放大器

(16-1)第十六章集成運算放大器§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§16.4

運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用

§16.5使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題(16-2)集成電路:將整個電路的各個元件及連線均制造在同一塊半導(dǎo)體基片上，形成一個不可分割的整體。集成電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。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(16-3)各類型號集成芯片(16-4)一、集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點：2.輸入級采用差放電路。由于電路元件制作在一個芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，故溫度均一性好。3.電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍從100Ω到30KΩ，精度低。高阻值電阻用晶體管有源元件代替或外接。1.電感元件難于制造。制造幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成，大電容需外接。4.二極管一般用晶體管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。(16-5)三、集成運放電路的組成輸入級：常為差分放大電路。要求Ri大，Ad大，

Ac小,輸入端耐壓高。它有同相和反相兩個輸入端。中

間

級：主放大級，常為共射放大電路，多采用復(fù)合

管。要求有足夠的放大能力。輸

出

級：功率級，多采用互補功放電路或射極輸出器。要求Ro小，最大不失真輸出電壓盡可能大。偏置電路：為各級放大電路設(shè)置適宜的靜態(tài)工作點。多采用恒流源電路。(16-6)集成運放的根本結(jié)構(gòu)輸入級中間級輸出級-UCC+UCC

u＋uo

u－反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS與uo反相與uo同相(16-7)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大。(16-8)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級足夠大的電壓放大倍數(shù)(16-9)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級中間級輸出級

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。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)符號圖(b)引腳圖765F0071234U-U+-UEE+UCC輸出＋－u－u+uo(16-11)1、最大輸出電壓UOPP

使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2、開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo三、集成運放的主要參數(shù)無外加反響回路時的差模放大倍數(shù)。一般在104107之間。Auo越高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度越高。3、輸入失調(diào)電壓UIO

使輸出電壓為零時，在輸入端所加的補償電壓。此值越小越好。(16-12)4、輸入失調(diào)電流IIO5、輸入偏置電流IIB6、共模輸入電壓范圍UICM

共模電壓超出此范圍時，運放的共模抑制性能大大下降。

輸入信號為零時，兩輸入端靜態(tài)基極電流之差。此值一般在零點零幾微安級，越小越好。

輸入信號為零時，兩輸入端靜態(tài)基極電流平均值。此值一般在零點幾微安級，越小越好。線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)(飽和區(qū))：u+–u–

>/2

時，uo=+Uo(sat)

u+–u–

<-/2時，uo=–Uo(sat)

電壓傳輸特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)實際特性飽和區(qū)O實際運算放大器的兩種工作狀態(tài)uo+–+u–u++–+Auo

---線性區(qū)和飽和區(qū)

1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2.差模輸入電阻3.開環(huán)輸出電阻4.共模抑制比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!理想運算放大器圖形符號uo++

u+u––

四、理想運放及其分析依據(jù)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)(飽和區(qū))：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

電壓傳輸特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)理想特性飽和區(qū)O理想運算放大器的兩種工作狀態(tài)uo+–+u–u++–+Auo

---線性區(qū)和飽和區(qū)

放大倍數(shù)與負載無關(guān)虛開路(虛斷)理想運放工作在線性區(qū)的特點虛短路分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。u–uo_+

+

u+i–i+(16-17)虛短路不成立：虛開路成立理想運放工作在飽和區(qū)的特點uiuo+UOM-UOMu–uo_+

+

u+i–i+例:假設(shè)Uo(sat)=12V，Auo=106，那么ui滿足什么條件時，運放處于線性區(qū)?|ui|<12

VAuo越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反響才能使其擴大輸入信號的線性范圍。+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)O信號的放大、運算有源濾波電路運放線性應(yīng)用(16-19)§16.2運放在信號運算方面的應(yīng)用但凡將放大電路輸出端信號〔電壓或電流〕的一局部或全部引回到輸入端，與輸入信號迭加，就稱為反響。反響概念串聯(lián)負反響→ri↑;并聯(lián)負反響→ri↓;電壓負反響→ro↓;電流負反響→ro↑;負反響對放大電路的影響(16-20)§16.2.1比例運算作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大、反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反響或電壓串聯(lián)負反響。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反響系數(shù)有關(guān)。(16-21)i1≈

iFuo_+

+

RFR1RPuii1iF1.放大倍數(shù)虛短路虛開路一、反相比例運算電路結(jié)構(gòu)特點：負反響引到反相輸入端，信號從反相端輸入。虛地i–i+i-=

i+≈

0(16-22)平衡電阻：可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。RP=R1

//RF

為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時，需增大RF，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。i1iFuo_+

+

RFR1RPui2.電路的輸入電阻ri=R1(16-23)4.共模電壓3.反響方式電壓并聯(lián)負反響輸出電阻很小uo_+

+

RFR1RPuii1iF電位為0虛地反相輸入的重要特點:因虛短,所以u–≈u+=0，稱反相輸入端“虛地〞(16-24)(16-25)例：電路如以下圖所示，R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.假設(shè)R1不變，要求Auf為–10，那么RF、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF

=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uoRFuiR2R1++––++

–

(16-26)例：試計算以下圖開關(guān)S斷開和閉合時的Au解：S斷開:S閉合:ifi1i2

++--UiUo10RRR1S+-+R

Ri1i2iF由知：(16-27)R4R2uo_+

+

R1RPuiR3i1i2i4i3M例：求Au=?i1≈i2虛短路虛開路虛地(16-28)該放大電路，在放大倍數(shù)較大時，可防止使用大電阻。因R3的存在，削弱了負反響。(16-29)二、同相比例運算電路_+

+

RFR1R2uiuou-≈u+=ui虛短路結(jié)構(gòu)特點：負反響引到反相輸入端，信號從同相端輸入。虛開路i1iFi–i+i-≈

i+=0(16-30)(16-31)此電路輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中的作用與別離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、電壓跟隨器結(jié)構(gòu)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。

當(dāng)R1=

或RF

=0時uoui++––++

–

+-++15V+Uo-2R2R

R(16-32)例：試計算Uo解：由其為電壓跟隨器知:Uo=U-=U+

=15/2=7.5V2R+-++15V+Uo-2R

Ri+=0RL

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。(16-33)例：試計算Uo解：Ui1Ui2aUo+-++-++-+R1R2R3R4+-+Ro+-UaoR4R3Uoa(16-34)§16.2.2加法運算電路作用：將假設(shè)干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：同相求和、反相求和。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反響或電壓串聯(lián)負反響。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反響系數(shù)有關(guān)。(16-35)一、反相求和運算R12_++

RFR11ui2uoRPui1

實際應(yīng)用時可適當(dāng)增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。(16-36)i12iFi11R12_++

RFR11ui2uoRPui1

調(diào)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(guān)系，調(diào)節(jié)方便。(16-37)二、同相求和運算

實際應(yīng)用時可適當(dāng)增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2(16-38)此電路以u+為輸入，那么輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與

ui1

和ui2的關(guān)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(diào)整。i+≈0〔虛開路〕節(jié)點電壓法(16-39)uo-R1RF++ui1R21R22ui2R′

左圖也是同相求和運算電路，如何求同相輸入端的電位？提示：1.虛開路：流入同相端的電流為0。2.結(jié)點電位法求u+。(16-40)_+

+

RFR1R2ui2uoR3ui1解出：§16.2.3減法運算i11iFi12iR3(16-41)RF_+

+

R1R2ui2uoR3ui1單運放加減運算電路特例：差動放大器RFR1(16-42)

實際應(yīng)用時可適當(dāng)增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。R2_++

R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6(16-43)R2_++

R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虛短路虛開路虛開路(16-44)優(yōu)點：元件少，本錢低。缺點：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的調(diào)整計算不方便。單運放加減運算電路小結(jié)

改進：采用雙運放電路。(16-45)例：設(shè)計一加減運算電路，RF=240k

，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)畫電路。

系數(shù)為負的信號從反相端輸入，系數(shù)為正的信號從同相端輸入。ui1R1-R3RF++uoR2ui2ui3(16-46)(2)求各電阻值。R4uo=10ui1+8ui2-20ui3<-R3RF++uoR2ui2ui3ui1R1

如果不需要R4時，不能直接接地。(16-47)例：試分析雙運放加減運算電路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R6(16-48)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt

：熱敏電阻加減運放電路應(yīng)用舉例:溫度測量電路(16-50)uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+例:試分析三運放電路兩個同相輸入運算電路差分運算電路(16-51)uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開路：i–i–io≠0(16-52)三運放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+(16-53)1.它們都引入電壓負反響，因此輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.關(guān)于共模電壓：同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。比例運算電路與加減運算電路小結(jié)(16-54)知識點回憶：C§16.2.4積分運算電路(16-55)i1iFtui0tuo0輸入方波，輸出是三角波。ui-++RR2Cuo一、積分運算應(yīng)用舉例1：(16-56)

將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例-積分PI運算電路。uoCFuiR2R1++––++

–

RFifi1電路的輸出電壓上式說明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分(16-57)tui0tuo0U-UomTM積分時限應(yīng)用舉例2：如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。(7-58)線性積分波形變換移相積分運算電路在不同輸入情況下的波形階躍信號方波正弦波(16-59)積分電路的主要用途1.在電子開關(guān)中用于延遲。2.波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?.A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r間量。4.移相。(16-60)運算電路要求1.熟記各種單運放組成的根本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2.掌握以上根本運算電路的級聯(lián)組合的計算。3.會用“虛斷(ii=0)〞和“虛短(u+=u–)〞分析給定運算電路的放大倍數(shù)。4.能設(shè)計簡單的加減和積分運算電路。(16-61)§16.3.3電壓比較器作用：比較輸入電壓和參考電壓的大小。特點：由于運放開環(huán)工作或引入了正反響，故其工作于飽和區(qū)。輸出電壓為：uo=±Uo(sat)(16-62)確定運放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負反響。假設(shè)有負反響，那么運放工作在線性區(qū)；假設(shè)無負反響，或有正反響，那么運放工作在飽和區(qū)。處于飽和區(qū)運放的特點：1.虛短路不成立，虛開路成立。2.輸入電阻仍可以認為很大。3.輸出電阻仍可以認為是0。分析非線性運放電路的依據(jù)：u+>u-

則輸出為+Uom，反之輸出為-Uomuoui(16-63)uoui0+Uom-UomUR傳輸特性UR：參考電壓ui：被比較信號特點：運放處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時,uo=+Uom當(dāng)ui<UR時,uo=-Uom