《電工電子技術(shù)（第2版）》 課件 第9章 集成運算放大器

第9章集成運算放大器

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1）了解集成運算放大器的基本知識；2）集成運放工作在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點；3）掌握運放的基本運算電路；4）掌握電壓比較器的基本知識；5）掌握、和石英晶體振蕩器的電路組成、工作原理和性能特點?！灸芰δ繕?biāo)】1）能分析基本運算電路；2）能分析正弦波震蕩電路。目錄

9.1集成運算放大器簡介

9.2基本運算電路

9.3電壓比較器

9.4振蕩電路

9.1集成運算放大器簡介

所謂集成電路，就是把整個電路的各元器件以及相互之間的連接同時制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體。集成運算放大器的基本放大電路

1.集成運算放大器的基本組成：1）輸入端和輸出端2）電源端3）調(diào)零端2.集成運算放大器的主要參數(shù)

集成運算放大器性能的好壞常用一些參數(shù)表征。這些參數(shù)是選用集成運算放大器的主要依據(jù)。下面介紹集成運算放大器的一些主要參數(shù)。1）最大輸出電壓UOPP

能使輸出電壓和輸出電流保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓稱為集成運算放大器的最大輸出電壓。2）開環(huán)電壓放大倍數(shù)AUO

在沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數(shù)，即為開環(huán)電壓放大倍數(shù)。3）輸入失調(diào)電壓UIO

在一般情況下，當(dāng)輸入信號為零時，輸出UO≠0，應(yīng)在輸入端加上相應(yīng)的補償電壓使其輸出電壓為零，該補償電壓稱為輸入失調(diào)電壓UIO。4）輸入失調(diào)電流IIO

當(dāng)輸入信號為零時，輸入級兩個差分端的靜態(tài)電流之差稱為輸入失調(diào)電流IIO

。5）開環(huán)差模輸入電阻ri和輸出電阻r0

運放組件兩個輸入端之間的電阻，叫做差模輸入電阻。這是一個動態(tài)電阻。

r0是集成運放開環(huán)工作時，從輸出端向里看進去的等效電阻。6）共模抑制比KCMR

差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)的比值。7）最大共模輸入電壓UICM

UICM是指集成運算放大器在線性工作范圍內(nèi)所能承受的最大共模輸入電壓。3.集成運算放大器的基本分析方法

集成運算放大器可以工作在線性區(qū)域，也可以工作在非線性區(qū)域。為了使集成運算放大器工作在線性區(qū)域，通常把外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等跨接在集成運算反復(fù)大器的輸出端，與反相輸入端之間構(gòu)成閉環(huán)工作狀態(tài)，限制其電壓放大倍數(shù)。

工作在線性區(qū)域的理想集成運算放大器有兩個重要結(jié)論：1）集成運算放大器同相輸入端和反相輸入端的電位相等（虛短）即。2）集成運算放大器同相輸入端和反相輸入端輸入電流等于零（虛斷）。

應(yīng)用上述兩個結(jié)論，可以使集成運算放大器應(yīng)用電路的分析大大簡化，是分析集成運算放大器組成的電路的依據(jù)。9.2基本運算電路1.反相比例運算電路

輸入信號經(jīng)輸入外接電阻送到反相輸入端，而同相輸入端通過電阻接地。反饋電阻跨接在輸出端和反相輸入端之間，形成電壓并聯(lián)負反饋。反相比例運算電路

根據(jù)：i+≈i－≈0，u+≈u－≈0得ii=if+i－≈if；所以，即：因此，閉環(huán)（引入反饋后的）電壓放大倍數(shù)為：

可見，u0與ui成正比，負號表示u0與ui相位相反，故稱為反相比例運算電路。2.同相比例運算電路

如圖所示，輸入信號ui

通過外接電阻R2輸入送到同相輸入端，而反相輸入端經(jīng)電阻接地。反饋電阻RF跨接在輸入端和反相輸入端之間，形成電壓串聯(lián)負反饋。根據(jù)集成運算放大器工作在線性區(qū)域時的兩條依據(jù)，可得ii=if+i－≈if

。由圖可列出：。解得：。閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：。同相比例運算電路可見,u0與ui成正比且同相，故稱此電路為同相比例運算電路。

3.加減運算電路1）加法運算電路在反相比例運算電路的輸入端增加若干輸入電路，如圖所示，則構(gòu)成反相加法運算電路。反相加法運算電路由節(jié)點電流定律得：；，有整理得：當(dāng)時，則上式為：當(dāng)時，則有：平衡電阻為：

2）減法運算電路

如果兩個輸入端都有信號輸入，則為差分輸入。差分運算在測量和控制系統(tǒng)中應(yīng)用很多，其放大電路如圖所示。差分輸入放大電路

根據(jù)疊加原理可知，u0為ui1和ui2分別單獨在反相比例運算電路和同相比例運算電路上產(chǎn)生的響應(yīng)之和，即：

當(dāng)R1=R2、R3=R4時，則有：

可見，此電路輸出電壓與兩輸入電壓之差成比例。

4.微分電路【微分運算電路圖】依據(jù)u+≈u－≈0，可得：iR=UC，所以：即：

可見u0與ui的微分成比例，因此稱為微分運算電路。a）電路圖b）波形圖微分運算電路5.積分電路【積分運算電路圖】由電路可得：可見u0與ui的積分成比例，因此稱為積分運算電路。

a）電路圖b）波形圖積分運算電路9.3電壓比較器1.過零電壓比較器

參考電壓為零的比較器稱為過零比較器（亦稱為零電平比較器），如圖所示。過零比較器a）電路圖b）傳輸特性

當(dāng)時ui<0，u0=+Uom。當(dāng)ui>0時，u0=－Uom

。即每當(dāng)輸入信號越過零時，輸入電壓就要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由一個狀態(tài)躍變到另一個狀態(tài)。因此，過零比較器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入信號的過零檢測，可以實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換。2.單限電壓比較器

將過零比較器中的同相輸入端外接一參考電壓UR，就構(gòu)成了單限比較器，如圖a所示；比較器的輸出特性如圖b所示

：

a）電路圖b）傳輸特性單限比較器當(dāng)ui<UR時，有u0=+Uom；當(dāng)ui>UR時，u0=－Uom

。3.滯回電壓比較器

滯回電壓比較器也叫遲滯電壓比較器，如圖a所示。它是從輸出端引出一個反饋電阻到同相輸入端，形成正反饋，這樣使作為參考電壓的同相輸入端的電壓隨輸出電壓而變化，達到移動過零的目的。

a）電路圖b）傳輸特性遲滯比較器

當(dāng)輸出電壓為+Uom時，同相端電壓為：只要ui<UT,輸出總是+Uom。一旦ui從小于UT逐漸增加到大于UT，輸出電壓將從+Uom躍變?yōu)椋璘om。當(dāng)輸出為－Uom時，同相端電壓為：只要ui>－UT,輸出將保持－Uom不變，一旦ui由大逐漸減小到小于－UT

，輸出電壓將從－Uom躍變到+Uom。9.4振蕩電路1.正弦波正振蕩器的基本概念

1）正弦波振蕩器的振蕩條件振蕩電路自激振蕩的條件是：（1）幅度平衡條件

要有足夠的反饋量，使，即Uf=Ui

（2）相位平衡條件

，即電路必須引入正反饋。

2）振蕩器的起振與穩(wěn)幅

當(dāng)振蕩電路剛接通電源時，電路中就產(chǎn)生了電流擾動，它包含了從低頻到高頻的各種頻率的微弱信號，其中必有一種頻率的信號滿足振蕩器的相位平衡條件，產(chǎn)生正反饋，其他頻率信號則被選頻網(wǎng)絡(luò)抑制掉。如果此時放大器的放大倍數(shù)足夠大，滿足的條件，則經(jīng)過電路的不斷放大后，輸出信號在很短的時間內(nèi)就由小變大，由弱變強，使電路振蕩起來。隨著電路輸出信號的增大，晶體管的工作范圍進入截止區(qū)和飽和區(qū)，電路的放大倍數(shù)自動地逐漸減小，從而限制了振蕩幅度的無限增大，或者在電路中采用負反饋等措施也可限制振蕩幅度。當(dāng)時，電路就有穩(wěn)定的信號輸出。3）振蕩電路的組成振蕩器由以下幾部分組成：（1）放大電路

它具有放大信號的作用，將電源的直流電能轉(zhuǎn)換成振蕩信號的交流電能。（2）反饋網(wǎng)絡(luò)

它形成正反饋，滿足振蕩器的相位平衡條件。（3）選頻網(wǎng)絡(luò)

在正弦波振蕩電路中，它的作用是選擇某一頻率，使之滿足振蕩條件，形成單一頻率的振蕩。（4）穩(wěn)幅電路

用于穩(wěn)定振蕩器輸出信號的振幅，改善波形。

4）振蕩電路的分析可采用下列步驟進行分析：（1）檢查電路是否具有放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路，特別是前三項。（2）檢查放大電路的靜態(tài)工作點是否合適，是否滿足放大條件。（3）判斷電路能否振蕩5）振蕩電路的分類

振蕩器分為RC正弦波振蕩器，LC正弦波振蕩器和石英晶體正弦波振蕩器。

2.RC正弦波振蕩電路

RC正弦波振蕩電路是利用電阻器R和電容器C組成選頻電路的振蕩電路。下圖所示為RC正弦波振蕩器的一種，又稱為文氏橋振蕩器。RC橋式振蕩器

對于RC選頻電路來講，振蕩電路的輸出電壓U0是它的輸入電壓，它的輸出電壓Ui送到同相輸入端，是集成運放的輸入電壓。當(dāng)時，U0與Ui同相，并且而同相比例運算電路的放大倍數(shù)為

文氏橋振蕩器電路中分別利用二極管的非線性和熱敏電阻的特性自動完成輸出信號幅度的穩(wěn)定。兩種電路采用不同元件，但都是利用改變負反饋深度來達到穩(wěn)幅目的。a）負溫度系數(shù)熱敏電阻穩(wěn)幅b）二極管非線性元件穩(wěn)幅具有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的文氏橋振蕩器

RC文氏橋正弦波振蕩器的特點是電路簡單、容易起振，但調(diào)節(jié)頻率不太方便，振蕩頻率不高，一般適用f0<1MHz的場合。

下圖電路中，采用雙刀多波段開關(guān)，通過切換電容器來進行頻率的粗調(diào)。采用雙連同軸電位器來實現(xiàn)頻率的細調(diào)，實現(xiàn)了在音頻范圍內(nèi)信號頻率的連續(xù)可調(diào)。橋式振蕩電路組成的正弦波音頻信號發(fā)生器3.LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路采用LC并聯(lián)回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。它主要用來產(chǎn)生高頻正弦波信號，振蕩頻率通常在0.5MHz以上。按電路中反饋網(wǎng)絡(luò)的形式不同，電路可分為變壓器反饋式振蕩器、電感三點式振蕩器、電容三點式振蕩器等。1）

LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖所示。當(dāng)信號頻率變化時，在低頻，并聯(lián)阻抗為感性，隨著頻率的降低，阻抗愈來愈??；在高頻，并聯(lián)阻抗為容性，隨著頻率的升高，阻抗值也愈來愈小，可以證明，只有在中間的某一個頻率f=f0時，并聯(lián)阻抗為純阻性且等效阻抗接近最大值。頻率f0就是的LC并聯(lián)諧振頻率。LC并聯(lián)諧振回路由諧振電路原理可知，若忽略電阻R的影響，LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為，諧振時，電壓與電流同相，電路呈純電阻性。

2）變壓器反饋式正弦波振蕩器

電路是采用高頻變壓器構(gòu)成的LC正弦波振蕩電路?！倦娐纺芊裾袷幍呐袛?/p>

】1）相位條件的判斷就是判斷電路是否為正反饋?？捎盟矔r極性法。2）幅度條件判斷當(dāng)三極管的放大倍數(shù)和繞組的匝數(shù)比合適時，即可滿足幅度平衡條件?！倦娐诽攸c】變壓器反饋式振蕩器LC容易起振，若用可變電壓器代替固定電容C,則可以方便的調(diào)節(jié)頻率，其缺點時振蕩頻率不太高，通常為幾兆赫至幾十兆赫。

3）電感三點式振蕩電路電感三點式振蕩電路又稱為哈特萊振蕩電路，電路如圖所示：【電路組成】：①放大電路②選頻網(wǎng)絡(luò)③反饋網(wǎng)絡(luò)

a）電感三點式振蕩電路b）電感三點式振蕩電路的簡化交流通路電感三點式振蕩器【相位平衡條件】用“射同基反”的口訣來判斷。含義是：對于三點式振蕩器的交流通路，如圖所示，若三極管的發(fā)射極與LC網(wǎng)絡(luò)的接點兩邊元件的電抗性相同（如都為電感或都為電容），三極管的基極與LC網(wǎng)絡(luò)的接點兩邊元件的電抗性相反（一個為電感，一個為電容）?？梢宰C明，此電路必滿足振蕩的相位平衡條件。LC三點式振蕩器交流通路

在此電路中，由于電感的三個端子分別與三極管V的三個電極相連，故稱為電感三點式振蕩器。

【振蕩頻率】

電感三點式振蕩電路的振蕩頻率由LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率確定，即：【電路特點】電感三點式振蕩器電路簡單，容易起振，調(diào)頻方便，只要將電容C換成可變電容器，就可以方便的進行頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此電路常用與對波形要求不高的設(shè)備中，其振蕩頻率通常在幾十兆赫以下。

4）電容三點式振蕩器

電容三點式振蕩器又稱為考畢茲電路，電路如圖所示。a）電容三點式振蕩電路b）簡化交流通路

電容三點式振蕩器（1）電路的組成采用分壓式偏置的共發(fā)射極電路。（2）相位平衡條件由于串聯(lián)電容的三個端子分別與三極管V的三個電極相連，故稱為電容三點式振蕩器。（3）振蕩頻率振蕩頻率由

LC回路的諧振頻率確定，即：（4）電路特點電路的反饋電壓取自電容兩端，電容對高次諧波容抗較小，所以電路對高次諧波的正反饋比基波弱，使得輸出信號波形中的高次諧波成分少，波形較好。電路的振蕩頻率較高，在電視機等高頻設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。4.石英晶體振蕩器

在要求頻率穩(wěn)定度高的場合，都采用石英晶體振蕩電路。它廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器、頻率計、電話機、電視機、VCD機、DVD機和計算機等設(shè)備中。1）石英晶體的特性（1）石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)和符號如圖所示。a）石英晶體的外形b）石英晶體的結(jié)構(gòu)c）石英晶體的符號石英晶體諧振器（2）石英晶體的壓電效應(yīng)若石英晶體兩極加一