《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與實驗應(yīng)用教程》第5章 集成運算放大器的線性運用

第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用本章小結(jié)5.1基本運算電路5.2有源濾波電路5.3集成運算放大器的頻率特性5.4集成功率放大器及其應(yīng)用5.5集成運放使用知識引言本章重點集成運放的應(yīng)用電路；集成運放的應(yīng)用知識。集成運放接入適當?shù)呢摲答伨涂梢詷?gòu)成不同功能的線性應(yīng)用電路，可用“虛短”“虛斷”進行分析第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用5.1基本運算電路5.1.1比例運算電路5.1.2加減運算電路5.1.3微分與積分運算電路5.1.1比例運算電路一、反相比例運算電路虛斷虛地為使兩輸入端對地直流電阻相等：R2=R1//Rf為深度電壓并聯(lián)負反饋，Auf=

Rf/R11輸入電阻較小R

if=R1，輸出電阻近似為02uIC=0

，對KCMR的要求低up=un=0虛地3特點平衡電阻RifR

if8uiR1uoRfiiuninifupR2ip二、同相比例運算電路跟隨器當R1=

，Rf=0時，inupunip為深度電壓串聯(lián)負反饋，Auf=1+Rf/R11輸入電阻大，

R

if=

；輸出電阻→02uIC=ui，對KCMR的要求高，up=un=uI3特點Auf=15.1.2加減運算電路一、求和運算電路1.反相求和運算電路un電路點評反相求和運算電路調(diào)一路輸入端電阻時并不影響其他路信號產(chǎn)生的輸出值，調(diào)節(jié)方便，使用較多。若Rf=R1=R2

則uO=

(uI1+uI2)

R2//R3=R1//Rf若R2=R3=R1=Rf

，則

uO=uI1+uI2

2.同相求和運算電路up電路點評與反相求和運算電路比較，同相求和運算電路共模輸入電壓較高，調(diào)節(jié)不太方便，但其輸入電阻大，常用于輸入電阻較大的場合。R2//R3//R4=R1//Rf若R2=R3=R4，Rf=2R1

則

uO=uI1+uI2

up同相求和運算電路利用疊加定理ui2=0ui1使：ui1=0ui2使：一般R1=R

1；Rf=R

fuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1

)二、減法運算電路upun減法運算實際是差分電路例5.1.1

高輸入電阻減法運算電路輸入電阻無窮大輸入電阻無窮大

例5.1.2

加減運算電路1.集成運放溫度測量電路Rt為正溫度系數(shù)傳感器T=0℃時，uid=0，uo=0，指示0℃T=100℃時，uid=1.7V，uo=2V，指示100℃溫度指示三、應(yīng)用實例2.+1～—1可變增益放大電路用一個電位器可在+1～-1范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)增益（a）α=0（b）α=0.5（c）α=13.儀用放大器高輸入阻抗，高共模抑制比，調(diào)節(jié)R1，可方便改變增益同相輸入同相輸入差分輸入uO1uO2為保證測量精度需元件對稱性好u+=u-=usio=i1=us/R1特點：電壓—電流轉(zhuǎn)換器1輸出電流與負載大小無關(guān)2電壓源轉(zhuǎn)換成為電流源討論5.1.3微分與積分運算電路unR2=Rf虛地虛斷RfC1=

—

時間常數(shù)例一、微分運算電路uItOuOtO二、積分運算電路=當uI=UI時，設(shè)uC(0)=0

時間常數(shù)

=

R1Cf積分電路輸出電壓：tuIOtuOO例：10k

10nF

時間常數(shù)

=

R1Cf=0.1ms設(shè)uC(0)=0=

5VuI/Vt/ms0.10.30.55

5uO/Vt/ms=5V5

5三、應(yīng)用舉例開關(guān)延遲電路電子開關(guān)當uO

6V時S閉合，tuOO6V1msuItO

3VtusO

3V例第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用5.2有源濾波電路5.2.1無源RC低通和高通濾波電路5.2.2有源低通濾波電路5.2.3有源高通濾波電路5.2.4有源帶通濾波電路5.2.5有源帶阻濾波電路理想濾波器的頻率特性f·f·f·f·通通通阻通阻通阻阻阻低通高通帶通帶阻濾波電路有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。分類硬件濾波軟件濾波按處理方法分無源濾波器有源濾波器按構(gòu)成器件分模擬濾波器數(shù)字濾波器按所處理信號分低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按頻率特性分一階濾波器二階濾波器……N階濾波器按傳遞函數(shù)分引入一、RC低通濾波電路1.頻率特性的描述RC?????令1/RC=

H則fH=1/2

RC?滯后????fO|Au

|10.707O–45

–90

fHf幅頻特性相頻特性5.2.1無源RC低通和高通濾波電路2.頻率特性的波特圖f/fH0?20lg|Au

|/dB–200–45

–90

fH–400.11101000.1110f/fH頻率特性波特圖?–90

f0|Au

|10.7070–45

fHff

0.1fH20lg|Au|=0dBf=fH20lg|Au|=20lg0.7070=-3dBf

10fH20lg|Au|=-20lgf/fH–3dB–20dB/十倍頻–

45

/十倍頻?則fL=1/2

RC二、RC高通濾波電路???令1/RC=

L超前f

10fL20lg|Au|=0dBf=fL20lg|Au|=20lg0.7071=-3dBf

0.1fL20lg|Au|=-20lgf/fHRC??波特圖頻率特性?90

fO|Au

|10.707O45

fLff/fLO?20lg|Au

|/dB–20O45

90

–400.11100.1110f/fL–20dB/十倍頻–45

/十倍頻例5.2.1求已知一階低通電路的上限截止頻率。0.01F1k

1k

1//1k

0.01F例5.2.2已知一階高通電路的fL=300Hz，求電容C。500

C2k

戴維寧定理等效可取用標稱值為0.22μF的電容—通帶放大倍數(shù)···一、一階

LPF其中，

Auf=1+Rf/R1fH=1/2

RC—上限截止頻率··fH歸一化幅頻特性f·0-3-20dB/十倍頻5.2.2有源低通濾波電路Rf8CR1R··二、二階LPF1.簡單二階LPF通帶增益：Auf=1+Rf/R1問題：在f=fH

附近，輸出幅度衰減大。–40dB/十倍頻-40f/fH0-10-2010-301·改進思路：在提升fH

附近的輸出幅度。8CR1RCRRf···2.實用二階LPF8CR1RfRCR··Q=1

/

(3-Auf)Q—等效品質(zhì)因數(shù)-40f/fn0-3-10-2010-30Q=0.707Q=1Q=2Q=51····正反饋提升了f

n附近的

Au。Good!Auf=3時Q

電路產(chǎn)生自激振蕩·–40dB/十倍頻特征頻率：當Q=0.707時，fn=fH。例5.2.3

已知R

=

160k

，C=0.01

F，R1

=

171k

，Rf=

100k

，求該濾波器的截止頻率、通帶增益及Q值。8CR1RfRCR··[解]Q=1/(3-Auf)=1/(3

-1.585)=0.707Q=0.707時，fn=fH特征頻率：

上限截止頻率：fH=99.5Hz8CR1RfRCR··通帶增益：Auf=1+Rf/

R1Q=1/(3-Auf)f/fn0-3-10-2010-30-40Q=0.707Q=1Q=2Q=51·Auf=3時，Q

，電路產(chǎn)生自激振蕩二階低通、高通，為防止自激，應(yīng)使Auf<3。5.2.3有源高通濾波電路5.2.4有源帶通濾波電路構(gòu)成思路：ffHffLffLfH·f0fH>fL·8CR1RfRC1R3R2·LPFBPF要求

R3C1>RC中心頻率：等效品質(zhì)因素：Q=1/(3-Auf)通頻帶：BW=f0/Q最大電壓增益：Au0

=Auf/(3-Auf)=2R=C=R8CR1RfRC1R3R2··例5.2.4

已知R

=

7.96k

，C=0.01

F，R3

=

15.92k

，R1=

24.3k

，Rf=

46.2k

求該電路的中心頻率、帶寬BW及通帶最大增益Au0。[解]Q=1/(3-Auf)=1/(3

-2.9)=10BW=f0/Q=2000/10=200HzAu0

=Auf/(3-Auf)=2.9/(3-2.9)

=29構(gòu)成思路：由LPF和HPF組成，且使LPF的截止頻率低于HPF的截止頻率。5.2.5有源帶阻濾波電路討論何謂有源濾波電路？何謂無源濾波電路？兩者相比較，前者有何優(yōu)缺點？

2.試比較一階和二階有源低通濾波電路的幅頻特性，說明二階比一階濾波電路性能好的原因。討論小結(jié)1答：由電阻、電容、電感等無源元件組成的濾波器稱為無源濾波電路，含有有源器件的濾波器則稱為有源濾波電路。有源濾波電路通常由集成運放和RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，與無源濾波電路相比有以下優(yōu)點：（1）通帶內(nèi)可提供增益，二階電路在特征頻率附近引入正反饋，使特征頻率處衰減減小，通帶內(nèi)幅頻特性平坦；（2）負載對濾波特性影響很小。缺點：不適宜高壓、高頻、大功率的場合。討論小結(jié)2答：一階有源濾波電路幅頻特性的過渡帶衰減速度為20dB/十倍，而二階有源濾波電路過渡帶衰減速度為40dB/十倍頻，因此后者濾波性能較好。而且二階有源濾波電路當選用適當Q值時，可使通帶內(nèi)幅頻特性平坦。二階比一階濾波性能好的主要原因：首先是提高了RC濾波網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)，使過渡帶衰減速度增加；其次，引入了正反饋，使特征頻率附近的衰減得到補償，通帶內(nèi)幅頻特性變平坦。第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用5.3集成運算放大器的頻率特性5.3.1晶體管的高頻特性5.3.2集成運放的頻率特性及其高頻參數(shù)5.3.3集成運放交流放大電路及其頻率特性一、晶體管的高頻等效電路5.3.1晶體管的高頻特性因

值隨頻率升高而降低，高頻下不能采用H參數(shù)等效電路。1.晶體管的混合型等效電路B

EBCrbb

rb

erb

cCb

cCb

eCb

e

：不恒定，與工作狀態(tài)有關(guān)Cb

c

：幾pF，限制著放大器頻帶的展寬BB

C??Erbb

rb

eCb

eCb

c?????受控電流源???三極管跨導(dǎo)低頻電流放大系數(shù)??表示基極有效輸入電壓Ube對Ic的控制作用??

與頻率f的關(guān)系

=0.707

0

f

o0.707

of

1fTf

—共發(fā)射極截止頻率fT

—

特征頻率

=1可求得：同樣可求得：可見：O二、晶體管的頻率參數(shù)fL=0Aud一、集成運放的頻率特性未加頻率補償加頻率滯后補償5.3.2集成運放的頻率特性及其高頻參數(shù)1、小信號頻率參數(shù)f

/

Hz20lgAud(f)

/dBfHOfT（1）開環(huán)帶寬BWBW=

f

H（2）

單位增益帶寬BWGBWG=

f

T運放閉環(huán)工作時，

帶寬增益積=Aud

fHfH為開環(huán)增益下降3dB時的頻率通用型集成運放帶寬較窄(幾赫茲)fT為開環(huán)增益下降至0dB(即Aud=1)時的頻率帶寬增益積=1

f

T=

fT=BWG=Aud

f

H

BWG=AudBWf=0，使Auf=1，f↑，Auf

降為0.707時的頻率即為fT。BWG=AufBWf如741型運放:Aud

=104，BW=7Hz，Auf

=10，則BWf=7kHz0二、集成運放的高頻參數(shù)2、大信號動態(tài)參數(shù)（1）轉(zhuǎn)換速率SR輸入輸出

A741為0.5V/s高速型SR>10V/s否則將引起輸出波形失真例如：則：須使：SR>2

fUom

A741，Uom=10V最高不失真頻率為8kHz（2）全功率帶寬BWP輸出為最大峰值電壓時不產(chǎn)生明顯失真的最高工作頻率3、高速寬帶集成運放當

BWG>2MHz，BWP>20kHz，SR>6V/s選高速寬帶運放5.3.3集成運放交流放大電路及其頻率特性輸入為差分電路，采用單電源時輸入端靜態(tài)電位不能為0；輸出為OTL電路，靜態(tài)輸出電壓為0.5VCC。為滿足0輸入時輸入和輸出端等電位，U+=U-

=UO=0.5VCC應(yīng)使：交流通路Rf8uiR1uo通帶內(nèi)：

.8uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RRC3一、單電源反相交流放大電路例5.3.2根據(jù)元件參數(shù)求電路的fL，當運放BWG=1MHz,求電路的fH。C38uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RR10

F10

k

10

F100

k

1

k

8R1RfR4單電源10k

100k

交流通路C38uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RRR40.5VCC0.5VCC二、單電源同相交流放大電路匯集放大的功能：要求：(1)各信號源間互不影響；(2)匯集后信號間互不調(diào)制，以免出現(xiàn)新頻率的信號。

反相輸入加法電路能較好地實現(xiàn)低頻信號的匯集放大。8ui1R1R4+VCCuoR5ui2ui3–VEER2R3R

R1=R2=R3因為：集成運放開環(huán)增益很高，在閉環(huán)增益很小時，很深的電壓并聯(lián)負反饋，使反相端的閉環(huán)輸入電阻近似為0，各信號源間互不影響。三、應(yīng)用實例第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用5.4集成功率放大器及其應(yīng)用引入5.4.1 常用集成功放及其應(yīng)用5.4.2 集成功放使用注意事項引入組成特點輸出功率大、效率高有過流、過壓、過熱保護前置級、中間級、輸出級、偏置電路5.4.1常用集成功放及其應(yīng)用12348765引腳圖1.典型應(yīng)用參數(shù)：直流電源：4

12V額定功率：660mW

帶寬：300kHz輸入阻抗：50k

一、LM386集成功放及其應(yīng)用

LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610F36k10F100F220F0.1

F810.047F+VCC62.典型應(yīng)用電路輸出電容(OTL)頻率補償，抵消電感高頻的不良影響防止自激等調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)特點輸出短路保護、自動限制功耗、有過熱關(guān)機保護參數(shù)直流電源：

2.5~

20V功率帶寬：

100kHz

輸出功率：22W(RL=4

)開環(huán)增益：80dB輸入阻抗：50k

電源濾波頻率補償防自激等輸出功率可大于15WR1C2220k68022FR3R2ui12435C1C7C3C4C5C61F22k220F220F0.1F45+VCC(16V)20400.01F0.1F-VEE(-16V)R4大電容濾除低頻成分小電容濾除高頻成分雙電源(OCL)應(yīng)用二、TDA2040集成功放及其應(yīng)用單電源(OTL)應(yīng)用：交流電壓串聯(lián)負反饋使U1=0.5VCCC268022FR4ui435C1C6C3C4C5C71F22

k2.2F220

F0.1

F45

+VCC(16V)0.01

FR6R522

k22k22

kR2R321R1204035430dB三、TDA1521集成功放及其應(yīng)用5.4.2集成功率放大器使用注意事項集成功放種類很多，可按其典型應(yīng)用電路接線即可1合理選擇品種和型號2合理安裝元器件及布線3按規(guī)定選用負載4合理選用散熱裝置第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用5.5集成運放使用知識集成運放使用知識一、集成運放類型及選擇1、集成運放的類型2、集成運放的選擇按制造工藝材料分雙極性、CMOS、BIFET兼容型按功能分

通用性、專用型（高阻、低漂、高速、寬帶、低耗、低噪、高精度等）盡量選用通用型器件，對于低頻、輸入幅度在數(shù)mv以上，信號源內(nèi)阻及負載電阻適中，一般采用通用型；1大對于內(nèi)阻很高的信號源應(yīng)選用高阻型；2對于微弱信號放大，選用高精度低漂型；3工作頻率比較高應(yīng)采用寬帶型；4輸出幅度大、變化速率高，應(yīng)采用高速型；5二、集成運放使用注意事項查閱手冊了解引腳的排列及功能；檢查接線有否錯誤或虛連，輸出端不能與地、電源短路；輸入信號應(yīng)遠小于UIdM和UICM，以防阻塞或損壞器件；電源不能接反或過高，拔器件時必須斷電；輸入端外接直流電阻要相等，小信號高精度直流放大需調(diào)零；為了防止公共電源來的低頻和高頻干擾，同時也防止本身對外界信號的干擾，集成運放電源端加接電源去耦合電容。三、集成運放外圍元件的選擇四、集成運算放大電路常見故障及處理方法反饋電阻值不低于1kΩ,不大于1MΩ；1輔助電路電阻元件根據(jù)應(yīng)用電路的阻抗要求來選擇；2決定運算關(guān)系的元件應(yīng)取穩(wěn)定度和精度高的元件；3交流放大電路中耦合電容的容量應(yīng)按下限頻率要求來確定。4故障原因

器件內(nèi)部故障電路外圍元件故障處理方法

先分析后動手，先斷電檢查后通電檢查，先靜態(tài)測量后動態(tài)測量，快速找出故障點。集成運算放大電路常見故障及處理方法。見書（P179）第5章集成運算放大器的線性應(yīng)用小結(jié)一、集成運放信號運算電路組成集成運放、反饋電路、輔助電路等。反饋電路在輸入端接于集成運放反相端；運算關(guān)系由反饋電路和輔助電路決定。（1）運