第11章 運(yùn)算放大器

第11章集成運(yùn)算放大器11.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹11.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用11.3

放大電路中的負(fù)反饋11.4運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用11.5運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用11.6使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題（自學(xué)）2024/3/11第11章運(yùn)算放大器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，了解有源濾波器的工作原理。4.掌握運(yùn)算放大器電路反饋類(lèi)型判斷方法。5.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求:第11章集成運(yùn)算放大器2024/3/12第11章運(yùn)算放大器11.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成電路

是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。集成電路分類(lèi)按集成度按導(dǎo)電類(lèi)型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬2024/3/13第11章運(yùn)算放大器各類(lèi)型號(hào)集成芯片2024/3/14第11章運(yùn)算放大器11.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011

ro低:幾十

~幾百

KCMR高:70dB~130dB1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；

2.電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；

3.電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接；

4.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。2024/3/15第11章運(yùn)算放大器+UCC–UEEuou–u+11.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級(jí)：采用帶恒流源的差分放大電路，輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)。

中間級(jí)：常用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，電壓放大倍數(shù)高。

輸出級(jí)：一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

偏置電路：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決定各級(jí)Q。2024/3/16第11章運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)765F0071234u-u+-UCC+UCC輸出F007817234562024/3/17第11章運(yùn)算放大器11.1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB2024/3/18第11章運(yùn)算放大器11.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器的條件Auo

，rid

，ro0，KCMR

2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)（飽和區(qū)）：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)Ouo++

u+u––

2024/3/19第11章運(yùn)算放大器3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)因?yàn)閡o

=Auo(u+–u–

)，Auo

所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即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)反饋使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)0rid

ro0

(3)輸出電壓uo與負(fù)載無(wú)關(guān)

2024/3/110第11章運(yùn)算放大器4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)2024/3/111第11章運(yùn)算放大器11.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。

運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。2024/3/112第11章運(yùn)算放大器11.2.1比例運(yùn)算1.

反相比例運(yùn)算（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

所以i1

if

靜態(tài)時(shí)u+、u–

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF2024/3/113第11章運(yùn)算放大器

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i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因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。2024/3/114第11章運(yùn)算放大器例1：電路如圖所示，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)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)

10=100k

R2=10100(10+100)=9.1k

uoRFuiR2R1++––++

–

2024/3/115第11章運(yùn)算放大器2.同相比例運(yùn)算因虛斷i+=0，所以u(píng)+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

靜態(tài)時(shí)u+、u

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–uoRFuiR2R1++––++

–

i+i-iFi12024/3/116第11章運(yùn)算放大器結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡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。2024/3/117第11章運(yùn)算放大器

當(dāng)R1=

且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++––++

–

這是一電壓跟隨器，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=7.5V。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V7.5k

例：2024/3/118第11章運(yùn)算放大器11.2.2加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0R2=R11

//R12

//RFii2ii1ifui2uoRFui1R12R11++

–

R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

若R11

=R12=R1

若R1

=RF

2024/3/119第11章運(yùn)算放大器2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1R22R21++

–

R1+–2024/3/120第11章運(yùn)算放大器方法2：

平衡電阻：

R21//R22

=R1

//RFu+ui2uoRFui1R22R21++

–

R1+–2024/3/121第11章運(yùn)算放大器1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響。同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1R22R21++

–

R1+–ui2uoRFui1R12R11++

–

R2+–1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響。2024/3/122第11章運(yùn)算放大器11.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––

若R1

=R2

，R3

=RF

若R1

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。常用做測(cè)量放大電路2024/3/123第11章運(yùn)算放大器分析方法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+–++––2024/3/124第11章運(yùn)算放大器11.2.4積分運(yùn)算電路

由虛短及虛斷性質(zhì)可得

u+=u-=0,i1=ififi1uoCFuiR2R1++––++

–

uC+–2024/3/125第11章運(yùn)算放大器若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=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uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–Ui2024/3/126第11章運(yùn)算放大器

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

–

RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)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(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。2024/3/127第11章運(yùn)算放大器11.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

u+=u-=0,i1=ifuoC1uiR2RF++––++

–

uitOuotOUi–Ui2024/3/128第11章運(yùn)算放大器比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分

控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++

–

R1ifiRiC2024/3/129第11章運(yùn)算放大器例2：設(shè)RF＞＞R4，試證：uoRFuiR2R1++––++

–

R3R4Ai1ifi3i4證：2024/3/130第11章運(yùn)算放大器例3：已知：ui1=1V，ui2=2V，

ui3=3V，

ui4=4V，

R1=R2=2kΩ，R3=R4=RF

=1kΩ，求uo。ui1uoRFui2R1R2++

–

R3ui3ui4R4u+u-解：應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法求u+：應(yīng)用疊加原理求uo：2024/3/131第11章運(yùn)算放大器例4：求uo與ui1、ui2的運(yùn)算關(guān)系式。R1/Kui1R1++

–

KR2ui2R2++

–

uouo1解：第一級(jí)：第二級(jí)：2024/3/132第11章運(yùn)算放大器例5：求uo。ui∞－++△2Ruo2∞－++△RFR1Ruo1+uo－R2R23解：uo1=－uiRfR1第一級(jí)：第二級(jí)：uo2=－uo12RR2RfR1=uiuo=uo2－uo12RfR1RfR1=ui+

ui3RfR1=ui2024/3/133第11章運(yùn)算放大器例6：圖示電路是廣泛應(yīng)用于自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的比例－積分－微分電路。試求該電路uo

與ui的關(guān)系式。uo∞－++△CFuiR1C1R2RFu+=u－

=0解：i1iR1iC1if2024/3/134第11章運(yùn)算放大器11.3放大電路中的負(fù)反饋凡是將放大電路(或某個(gè)系統(tǒng))輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)某種電路(反饋網(wǎng)絡(luò))引回到輸入端，稱為反饋。11.3.1反饋的基本概念如果反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)增加，稱為正反饋。如果反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小，稱為負(fù)反饋。無(wú)負(fù)反饋放大電路方框圖AxIxO2024/3/135第11章運(yùn)算放大器11.3.1反饋的基本概念帶有負(fù)反饋放大電路的方框圖AxIxOFxF+–xD基本放大電路反饋電路比較環(huán)節(jié)xI—輸入信號(hào)xO—輸出信號(hào)xF

—反饋信號(hào)xD

—凈輸入信號(hào)凈輸入信號(hào)xD=xI

xF反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小，則為負(fù)反饋。反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)增大，則為正反饋。2024/3/136第11章運(yùn)算放大器11.3.2負(fù)反饋與正反饋的判別瞬時(shí)極性法是判別正、負(fù)反饋的基本方法：設(shè)接地參考點(diǎn)的電位為零。某點(diǎn)在某瞬時(shí)的電位高于零電位者，則其瞬時(shí)極性為正(用“＋”表示)；反之為負(fù)(用“－”表示)?！稹?024/3/137第11章運(yùn)算放大器AF+–xIxOxFxD根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接方式不同，負(fù)反饋有以下四種類(lèi)型。在輸出端反饋量取自輸出電壓為電壓反饋，取自輸出電流為電流反饋；在輸入端反饋量以電流的形式出現(xiàn)，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較為并聯(lián)反饋；反饋量以電壓的形式出現(xiàn)，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較為串聯(lián)反饋。負(fù)反饋的類(lèi)型有：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。2024/3/138第11章運(yùn)算放大器11.3.3負(fù)反饋的類(lèi)型ui+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–

設(shè)某一瞬時(shí)uI

為正，則此時(shí)uO也為正，同時(shí)反饋電壓uF

也為正。

凈輸入信號(hào)ud=ui

uf小于輸入信號(hào)，即uF

的存在使凈輸入信號(hào)減小，所以為負(fù)反饋。反饋電壓

取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。

uF

與uI

在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。判別圖示電路的反饋類(lèi)型1．串聯(lián)電壓負(fù)反饋首先用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。11.3.3負(fù)反饋的類(lèi)型2024/3/139第11章運(yùn)算放大器AF+–uFuDuIuO

串聯(lián)電壓負(fù)反饋方框圖uI+–R1R2uORF+–+–+RLuD+–uF+–

反饋電壓1．串聯(lián)電壓負(fù)反饋2024/3/140第11章運(yùn)算放大器uOR1R2RF+–uI+–+–+RL

iIiDiF-設(shè)某一瞬時(shí)uI

為正，則此時(shí)uO

為負(fù)，各電流實(shí)際方向如圖所示。

凈輸入電流

iD=iI

iF小于輸入電流，即iF

的存在使凈輸入電流減小，所以為負(fù)反饋。反饋電流

取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。

iF

與

iI

在輸入端以電流形式作比較，兩者并聯(lián)，故為并聯(lián)反饋。判別圖示電路的反饋類(lèi)型

2．并聯(lián)電壓負(fù)反饋首先用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。2024/3/141第11章運(yùn)算放大器AF+–uIuOiFiDiI

并聯(lián)電壓負(fù)反饋方框圖uOR1R2RF+–uI+–+–+RLiDiF

iI-反饋電流

2．并聯(lián)電壓負(fù)反饋2024/3/142第11章運(yùn)算放大器

uD=uI

uF

為負(fù)反饋；反饋電壓

uF=RiO

與輸出電流成比，故為電流反饋；判別圖示電路的反饋類(lèi)型

3．串聯(lián)電流負(fù)反饋AF+–uFuDuIiO串聯(lián)電流負(fù)反饋方框圖uF

與uI

在輸入端以電壓形式作比較，兩者串聯(lián)，故為串聯(lián)反饋。R2uOR+–+–+RLuD+–

uF+–iOuI+–2024/3/143第11章運(yùn)算放大器圖中iD=iI

iF判別圖示電路的反饋類(lèi)型

4．并聯(lián)電流負(fù)反饋并聯(lián)電流負(fù)反饋方框圖AF+–uIiOiDiIiFiFRFiRuRRuI+–+–+RL

iOR1iIiDR2-2024/3/144第11章運(yùn)算放大器如何判別電路中反饋類(lèi)型小結(jié)(1)反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負(fù)載電阻靠近“地”端引出的，是電流反饋；(2)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端，是串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；(3)反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小的，是負(fù)反饋。(也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；若反饋量不為零，則為電流反饋。)2024/3/145第11章運(yùn)算放大器[例1]

判別圖示電路從A2

輸出端引入A1

輸入端的反饋類(lèi)型。uOuI+–+–+

uO1uD+–+–+RL

RuF+–A1A2[解]反饋電路從A2

的輸出端引出，故為電壓反饋；反饋電壓uF

和uI

輸入電壓分別加在的同相和反相兩個(gè)輸入端，故為串聯(lián)反饋；設(shè)為uI

正，則uO1

為負(fù)，uO

為正。反饋電壓uF

使凈輸入電壓uD=uI–uF

減小，故為負(fù)反饋；串聯(lián)電壓負(fù)反饋。2024/3/146第11章運(yùn)算放大器uOuI+–+

RuO1iI+–+RL

-A1A2iDiF

a[例2]

判別圖示電路從A2

輸出端引入A1

輸入端的反饋類(lèi)型。[解]

反饋電路從RL

靠近“地”端引出，為電流反饋；反饋電流iF

和iI

輸入電流加在A1的同一個(gè)輸入端，故為并聯(lián)反饋；設(shè)為uI

正，則uO1

為正，uO

為負(fù)。反饋電流實(shí)際方向如圖所示，凈輸入電流iD=iI–iF

減小，故為負(fù)反饋；并聯(lián)電流負(fù)反饋。2024/3/147第11章運(yùn)算放大器11.3.4負(fù)反饋對(duì)放大電路工作的影響1．提高放大電路的穩(wěn)定性AF+–xIxDxOxF開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)引入負(fù)反饋后凈輸入信號(hào)xD=xI

xF引入負(fù)反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)對(duì)上式求導(dǎo)可見(jiàn)，引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)降低了，而放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻提高了。2024/3/148第11章運(yùn)算放大器uF負(fù)反饋改善了波形失真2．改善非線性失真加入負(fù)反饋無(wú)負(fù)反饋FufAuuIuO+–uDuO大小略大略小略小略大uIAu接近正弦波2024/3/149第11章運(yùn)算放大器3．對(duì)放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響四種負(fù)反饋對(duì)ri

和ro

的影響串聯(lián)電壓串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電流riro減低增高增高增高增高減低減低減低思考題：為了分別實(shí)現(xiàn)：(a)穩(wěn)定輸出電壓；(b)穩(wěn)定輸出電流；(c)提高輸入電阻；(d)降低輸出電阻。應(yīng)引入哪種類(lèi)型的負(fù)反饋？2024/3/150第11章運(yùn)算放大器*11.3.5分立元件放大電路中的負(fù)反饋RE

電阻無(wú)旁路電容的分壓式偏置放大電路交流通道RE

為反饋元件，由瞬時(shí)極性法知ube、ui、

uf

三者同相ube=ui

uf其有效值Ube<Ui

故為負(fù)反饋。稱為交流電流串聯(lián)負(fù)反饋。2024/3/151第11章運(yùn)算放大器直流通道RE

也是直流反饋元件反饋信號(hào)UF=RE·IE凈輸入信號(hào)UBE=VB

REIEVB

為RB1

與RB2

分壓所固定直流負(fù)反饋過(guò)程假如溫度升高ICUF=RE

IEUBEIBIC則穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)稱為直流電流串聯(lián)負(fù)反饋。RB2RB1RCREB+UCCT－＋UBE－＋UCEIEIC·IB2024/3/152第11章運(yùn)算放大器11.4運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用11.4.1有源濾波器

濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號(hào)，而抑制無(wú)用的信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過(guò)，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過(guò)，衰減很大。

無(wú)源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。

有源濾波器：含有運(yùn)算放大器的濾波器。

缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。

按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。2024/3/153第11章運(yùn)算放大器1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++

–

R1+–++––設(shè)輸入為正弦波信號(hào),則有故：2024/3/154第11章運(yùn)算放大器若頻率

為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為

幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O2024/3/155第11章運(yùn)算放大器

當(dāng)

>

0時(shí)，|T(j

)|

衰減很快

顯然，電路能使低于

0的信號(hào)順利通過(guò)，衰減很小，而使高于

0的信號(hào)不易通過(guò)，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(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，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

)|

O2024/3/156第11章運(yùn)算放大器2.有源高通濾波器uiuoRFCR++

–

R1+–+–設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有故：2024/3/157第11章運(yùn)算放大器

可見(jiàn)，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，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

)|

O2024/3/158第11章運(yùn)算放大器模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)1.電路11.4.2采樣保持電路SuC+–ui+–uo+–++

–

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

用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。采樣存儲(chǔ)電容控制信號(hào)電壓跟隨器2024/3/159第11章運(yùn)算放大器2.工作原理11.4.2采樣保持電路1.電路采樣階段：uG為高電平，S閉合(場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：uG為0，

S斷開(kāi)(場(chǎng)效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開(kāi)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(hào)的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++

–

2024/3/160第11章運(yùn)算放大器11.4.3電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來(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。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(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。2024/3/161第11章運(yùn)算放大器理想運(yùn)放工作在飽和區(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

2.i+=i－

0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O2024/3/162第11章運(yùn)算放大器電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門(mén)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)可見(jiàn)，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓2024/3/163第11章運(yùn)算放大器uitOUROuot+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)uiuoOUR2024/3/164第11章運(yùn)算放大器ui>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)uiuoOUR2024/3/165第11章運(yùn)算放大器URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot+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uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t22024/3/166第11章運(yùn)算放大器輸出帶限幅的電壓比較器設(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–UZuo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uo

(sat)ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)2024/3/167第11章運(yùn)算放大器過(guò)零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╱ouiR2++

–

R1+–+–電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O2024/3/168第11章運(yùn)算放大器11.5

運(yùn)放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用：產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點(diǎn)：不用外接輸入信號(hào)，即有輸出信號(hào)。2024/3/169第11章運(yùn)算放大器11.5.1矩形波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu)

由滯回比較器、RC充放電電路組成，

電容電壓uC

即是比較器的輸入電壓，2.工作原理設(shè)電源接通時(shí)，

uo

=+Uo(sat)

，uC(0)=0。

電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。uo

通過(guò)RF對(duì)電容C充電，uC

按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。RFCuC+–R1R2uo++

–

+–充電UR+–2024/3/170第11章運(yùn)算放大器當(dāng)uo

=+Uo(sat)時(shí)，電容充電，uC上升，電容放電，

uC下降，當(dāng)uC=UR

時(shí)，uo

跳變成–Uo(sat)當(dāng)uC=–UR

時(shí)，uo

跳變成

+Uo(sat)

，電容又重新充電。放電2.工作原理RFCuC+–R1R2uo++

–

+–充電UR+–RFCuC+–R1R2uo++

–

+–UR+–2024/3/171第11章運(yùn)算放大器3.工作波形4.周期與頻率充電放電uouCt1t3t2T=T1+T2電容充放電過(guò)程，uC的響應(yīng)規(guī)律為T(mén)1T2T–Uo(sat)+Uo(sat)2024/3/172第11章運(yùn)算放大器在充電過(guò)程中在放電過(guò)程中矩形波的周期矩形波的頻率充放電時(shí)間常數(shù)相同：

=RC

矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號(hào)源2024/3/173第11章運(yùn)算放大器

A1：滯回比較器

因

u–=0，所以當(dāng)u+=0時(shí)，A1狀態(tài)改變11.5.2三角波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu)A2：反相積分電路Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R12024/3/174第11章運(yùn)算放大器2.工作原理A1：滯回比較器因

u-=0，所以當(dāng)u+=0時(shí)，A1狀態(tài)改變輸出uo1改變(+UZ

躍變到–UZ或–UZ

躍變到+UZ)，當(dāng)同時(shí)積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R12024/3/175第11章運(yùn)算放大器TT1T23.工作波形4.周期與頻率T=T1+T2

=2T1=2T2uo1UZ–UZtOuo(1)改變比較器的輸出uo1、電阻R1、R2即可改變?nèi)遣ǖ姆怠?/p>

(2)改變積分常數(shù)RC

即可改變?nèi)遣ǖ念l率。2024/3/176第11章運(yùn)算放大器Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1三角波發(fā)生器在三角波發(fā)生器的電路中，使積分電路的正、反向積分的時(shí)間常數(shù)不同，即可使其輸出鋸齒波。11.5.3鋸齒波發(fā)生器CR3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1uo1R4'D1.電路2024/3/177第11章運(yùn)算放大器2.波形11.5.3鋸齒波發(fā)生器CR3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1uo1R4'D1.電路tUZ–UZuouo1Ouo2024/3/178第11章運(yùn)算放大器1．自激振蕩的條件11.5.4RC正弦波振蕩電路電路中無(wú)外加輸入電壓，