集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器本章要求一、了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。二、掌握運(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。三、掌握用集成運(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。四、掌握電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)集成運(yùn)算放大器簡介集成運(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。一、集成運(yùn)算放大器電路特點(diǎn)uP輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路uNuO輸入級(jí)：采用差動(dòng)放大電路，以提高輸入電阻，減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)。第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天一、集成運(yùn)算放大器電路特點(diǎn)u+輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路u-uO中間級(jí)：主要進(jìn)行電壓放大，一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，集電極電阻常采用晶體管恒流源代替，以提高電壓放大倍數(shù)。輸出級(jí)：采用互補(bǔ)對(duì)稱功放電路或射極輸出器，以便輸出足夠大的電流和功率，并降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路：一般是由恒流源電路組成，為以上三部分電路提供穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二、集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、引腳符號(hào)：引腳第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.開環(huán)差模電壓增益Auo

Auo是指集成運(yùn)放在沒有外接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)，也稱開環(huán)電壓增益。Auo一般在80～140dB，即104～107。2．最大輸出電壓Uopp集成運(yùn)放在額定電源電壓和額定負(fù)載下，不出現(xiàn)明顯非線性失真的最大輸出電壓峰值。它與集成運(yùn)放的電源電壓有關(guān)。第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3．輸入失調(diào)電壓UIO要使輸出電壓為零，必須在輸入端加一個(gè)很小的補(bǔ)償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓，一般為幾毫伏，理想集成運(yùn)放的UIO為零。4．輸入失調(diào)電流IIO輸入信號(hào)為零時(shí)，流入集成運(yùn)放兩輸入端靜態(tài)基極電流之差，一般在零點(diǎn)零幾微安級(jí)，IIO越小越好。5．輸入偏置電流IIB輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流。第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天6．最大共模輸入電壓UICM允許加在輸入端的最大共模輸入電壓。當(dāng)實(shí)際的共模信號(hào)大于UICM時(shí)，將使輸入級(jí)工作不正常，共模抑制比顯著下降。7．最大差模輸入電壓UIDM兩個(gè)輸入端間所允許加的最大電壓差值稱為最大差模輸入電壓。如果差模輸入信號(hào)超過UIDM，將引起輸入管反向擊穿而使運(yùn)放不能正常工作。8．共模抑制比KCMR主要取決于輸入級(jí)差動(dòng)電路的共模抑制比。第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天四、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1．理想運(yùn)算放大器的慨念開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)無窮大Auo

，差模輸入電阻無窮大

rid

，開環(huán)輸出電阻為零ro0，共模抑制比無窮大

KCMR

2．運(yùn)算放大器傳輸特性與基本工作方式

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

O

u+–u–

uo第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

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

O

u+–u–

uo理想運(yùn)算放大器第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)1)由于Auo→∞，而輸出電壓uo是一個(gè)有限的數(shù)值++∞uou–u+i+i––

uo

=Auo(u+–

u–

)稱為“虛短”。2)rid→∞，且u+－u-≈0輸入電流近似為0，即i+=i–0，稱“虛斷”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)。第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-1F741運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源電壓為±15V，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo=2×105，輸出飽和電壓±Uo(sat)=±13V。輸入電壓分別為：(1)u+=15μV,u-＝-10μV;(2)u+

＝-5μV,u-＝10μV；(3)u+

＝0V,u-

＝＋5mV;(4)u+

＝5Mv,u-＝0V，求輸出電壓及其極性。解：只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值超過65μV,輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天(1)(2)(3)(4)u+=15μV，u-＝－10μV；(2)u+＝－5μV，u-＝＋10μV；(3)u+＝0V,u-＝＋5mV；(4)u+＝5mV，u-＝0Vuo

=Auo(u+–

u–

)第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)集成運(yùn)算放大器在運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋，可以使輸出和輸入之間具有某種特定的函數(shù)關(guān)系，如比例、加法、減法、積分、微分、對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)、乘除等運(yùn)算。一、比例運(yùn)算1．反相輸入比例運(yùn)算電路輸入、輸出另一端均為地,“、+、-”可略。uoRFuiR2R1++––++

–

要求輸入級(jí)u+、u–

端對(duì)稱（對(duì)地電阻相同），平衡電阻R2=R1//RF第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天ifiii–i+uoRFuiR2R1++

–

反相比例運(yùn)算

因虛短,所以u(píng)–=u+=0因虛斷，i+=i–=0

，

所以ii

if

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：反饋類型交直流并聯(lián)電壓負(fù)反饋第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-2電路如圖所示，試分別計(jì)算開關(guān)S斷開和閉合時(shí)的電壓放大倍數(shù)Auf。1.當(dāng)S斷開時(shí)：解：uouiR21kΩ++––++

–

1kΩ1kΩS10kΩiiif第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2.當(dāng)S閉合時(shí)：uouiR21kΩ++––++

–

1kΩ1kΩS10kΩiiif第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2．同相輸入比例運(yùn)算電路uoRFuiR2R1++

–

R2=R1//RF由于虛短ifi1閉環(huán)電壓放大倍數(shù):因虛斷,i+=i–=0反饋類型交直流串聯(lián)電壓負(fù)反饋第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天uiuoRFR3R2++

–

R1第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)R1=

且RF

=0時(shí)，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoui++

–

uo++

–

15k

15k

+15V

7.5k

例3-3試計(jì)算圖示電路中uo的大小。解：由于

uo只與電源電壓和分壓電阻有關(guān)，而與負(fù)載電阻大小和運(yùn)放的參數(shù)無關(guān)。第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-4如圖所示電路，已知RF＝100kΩ，R1＝50kΩ，輸入電壓ui＝3sinωtV，求電壓放大倍數(shù)和輸出電壓uo。uoRFuiR2R1++

–

解：電壓放大倍數(shù)第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二、加法運(yùn)算

1.反相加法運(yùn)算電路

平衡電阻：R2=Ri1

//Ri2

//RFii3ii1if因虛短,u–=u+=0因虛斷，i–=i+=0

當(dāng)Ri1=Ri2=Ri3=RF時(shí)，uoui1RFui3Ri1Ri3++

–

R2ui2Ri2ii2第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-5一個(gè)測量系統(tǒng)的輸出電壓和某些輸入信號(hào)的數(shù)值關(guān)系為uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，試選擇圖示電路中各輸入電路的電阻和平衡電阻。設(shè)RF=100kΩ。uoui1RFui3Ri1Ri3++

–

R2ui2Ri2解：第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

2.同相加法運(yùn)算電路ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–（自行分析同相加法運(yùn)算電路）第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三、減法運(yùn)算ui2uoRFui1R3R2++

–

R1R2//R3

=R1

//RF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。

ui1單獨(dú)作用時(shí)，為反相輸入比例運(yùn)算：

ui2單獨(dú)作用時(shí)，為同相輸入比例運(yùn)算：u+第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天ui2uoRFui1R3R2++

–

R1u+如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

輸出電壓等于兩個(gè)電壓之差。第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-6在圖示電路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求輸出電壓uo。uo1ui1++

–

+–

uoui2RRRA1A2+RRR解：第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天四、積分運(yùn)算uoCFuiR2R1++

–

ifi1uC+–由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=if

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，則有第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天若ui為階躍電壓時(shí)uitOUi積分飽和線性積分時(shí)間uotO+Uo(sat)–Uo(sat)輸出電壓隨時(shí)間線性變化第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

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。第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天五、微分運(yùn)算uoC1uiR2RF++

–

由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ififi1uitOUi若ui為階躍電壓時(shí)uotO第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)集成運(yùn)算放大器在測量技術(shù)中的應(yīng)用一、電壓源、電流源I1IFRFUOUZR2++

–

R1RVS＋－+US由虛短及虛斷性質(zhì)可得輸出電壓可以認(rèn)為是恒壓源。改變反饋電阻RF的大小，可以改變輸出電壓UO的大小。第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天電流源ILRFUZR2++

–

R1RLVS＋－+USF由虛短及虛斷性質(zhì)可得

IL的大小與負(fù)載電阻RL無關(guān)，所以該電路構(gòu)成電流源電路，改變RF的大小可以改變電流源的電流值。反饋類型交直流串聯(lián)電流負(fù)反饋第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天二、電壓、電流的測量IPRF++

–

UXRP這種毫伏表能測量1mV左右電壓，具有高靈敏度，高輸入電阻、高穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)。例如：表頭是一塊100μA的直流微安表，RF取10Ω，則可測量的滿偏電壓UX=IPRF=1mV。以直流毫伏表為基礎(chǔ)，加上分壓器或分流器就可以構(gòu)成多量程的直流電壓表或電流表。如果將表頭改接到一個(gè)橋式整流電路中，就可以測量交流電壓和交流電流。第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)集成運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用一、有源濾波器濾波器就是一種選頻電路。它讓一定頻段的信號(hào)通過(衰減很小)，而抑制其余頻段的信號(hào)(衰減很大)。濾波器通常分為低通、高通、帶通及帶阻等。無源濾波器：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。第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天一、有源濾波器1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++

–

R1+–第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天uiuoRFuCCR++

–

R1+–若頻率

為變量，為通頻帶放大倍數(shù)第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天幅頻函數(shù)：相頻函數(shù):第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天幅頻特性

0|Auf0||Auf(j

)|

O幅頻函數(shù)：第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天uoRFCR++

–

R1uiRC二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，組成二階有源低通濾波器。二階一階幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2.有源高通濾波器uiuoRFCR++

–

R1第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天若頻率

為變量，uiuoRFCR++

–

R1為通頻帶放大倍數(shù)第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天幅頻函數(shù)：相頻函數(shù):第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天幅頻特性

0|Auf0||Auf(j

)|

O第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3.有源帶通濾波器將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，并使低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率，則構(gòu)成有源帶通濾波器。第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4.有源帶阻濾波器將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)，并使高通濾波器的截止頻率大于低通濾波器的截止頻率，則構(gòu)成有源帶阻濾波器。第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天控制信號(hào)二、采樣保持電路

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。模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)采樣存儲(chǔ)電容電壓跟隨器

SuC+–ui+–uo+–++

–

uG第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天采樣階段：

uG為高電平，S閉合，ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開，輸出保持該階段開始瞬間的值不變?？刂菩盘?hào)uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。

SuC+–ui+–uo+–++

–

uG第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天三、電壓比較器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。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋，運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)。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)象第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天URuouiR2++

–

R1參考電壓電壓傳輸特性:

–Uo(sat)

+Uo(sat)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)uiuoOUR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，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。ui與uo的關(guān)系第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)UR=0時(shí)，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器。電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0uouiR2++

–

R1tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ǖ?3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)uiuoURR2++

–

R1

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號(hào)接在同相端Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uouitOURt1t2電壓傳輸特性第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天輸出帶限幅的電壓比較器uo'RVSuouiR2++

–

R1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=–UZui<UR時(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

+UZ

–UZ電壓傳輸特性u(píng)iuoO第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-7電路如圖所示，輸入電壓ui是一正弦電壓，其周期為T，輸出端外接RC電路的時(shí)間常數(shù)RC<<，試畫出uo、uA、uL的波形。uoRVDuLuiRL++

–

+–CAui>0

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

ui

<0

時(shí)，uo=–

Uo

(sat)

tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天uoRVDuLuiRL++

–

+–CAtuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OtuAOtuLO由于RC<<，且uA、uL均由電阻上獲得，故為微分電路。當(dāng)uo=Uo(sat)時(shí),二極管VD導(dǎo)通,微分電路的時(shí)間常數(shù)而當(dāng)uo=-Uo(sat)時(shí),二極管VD截止,電路的時(shí)間常數(shù)變?yōu)?/p>

+Uo(sat)–Uo(sat)+Uo(sat)第57頁,共65頁，2024年2月25日，星期天例3-8如圖所示的電壓比較器，試分析并畫出其電壓傳輸特性曲線。URuouiR2++

–

R1RP當(dāng)同相輸入端P點(diǎn)電位UP為零時(shí)，電壓比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)門限電平為閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。第58頁,共65頁，2024年2月25日，星期天URuouiR2++

–

R1RP

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuo