第9章-集成運(yùn)算放大器

第9章集成運(yùn)算放大器9.1集成運(yùn)算放大器9.2運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用9.3運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用退出9.1集成運(yùn)算放大器9.1.1集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)9.1.2理想運(yùn)算放大器退出9.1.1集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)1．集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按功能可將其內(nèi)部電路分為輸入級(jí)、偏置電路、中間放大級(jí)以及輸出級(jí)四個(gè)部分，基本框圖如圖9-1所示。圖9-1集成運(yùn)算放大器的電路框圖1）輸入級(jí)：輸入級(jí)又稱前置級(jí)，它是一個(gè)高性能的差動(dòng)放大電路，主要用于抑制溫漂。2）中間放大級(jí)：中間放大級(jí)主要是提供足夠的電壓放大倍數(shù)，同時(shí)將輸入級(jí)的雙端輸出經(jīng)由本級(jí)后變成單端輸出，以及實(shí)現(xiàn)電位移動(dòng)等任務(wù)。3）輸出級(jí)：輸出級(jí)主要是給出較大的輸出電壓和電流，并起到將放大級(jí)與負(fù)載隔離的作用。4）偏置電路：偏置電路用來向各級(jí)電路提供合適的靜態(tài)工作電流，決定各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)。2．集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo；(2)最大輸出電壓Uopp(3)輸入失調(diào)電壓UIO；(4)輸入失調(diào)電流IIO(5)輸入偏置電流IIB；(6)共模抑制比KCMR9.1.2理想運(yùn)算放大器1．集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)理想運(yùn)算放大器的符號(hào)如圖9-2所示。由圖可以看出，集成運(yùn)算放大器具有同相（“+”號(hào)端）、反相（“-”號(hào)端）兩個(gè)輸入端。圖9-2集成運(yùn)算放大器的電路符號(hào)當(dāng)同相接地，反相接ui時(shí)，uo與ui反相，如圖9-3（a）所示；當(dāng)反相接地，同相接ui時(shí)，uo與ui同相，如圖9-3（b）所示。（a）反相輸入（b）同相輸入圖9-3同相輸入、反相輸入的特性2．集成運(yùn)算放大器的理想化條件理想運(yùn)放就是將集成運(yùn)算放大器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，即認(rèn)為集成運(yùn)放的指標(biāo)為：①開環(huán)差模電壓增益Auo→∞；②差模輸入電阻rid→∞；③開環(huán)輸出電阻ro→0；④共模抑制比KCMR→∞；⑤輸入失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO以及它們的溫漂аUIO、аIIO均為零；⑥輸入偏置電流IIB=0。3.兩個(gè)重要法則1)虛短：設(shè)運(yùn)放的同相和反相輸入端的電壓為u＋、u－，當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)。由于輸出電壓是有限值，而理想運(yùn)放的Auo為無窮大，所以u(píng)i=u＋－u－=0，即u＋=

u－。此時(shí)，運(yùn)放中兩個(gè)輸入端的電位相等，同相與反相輸入端之間的電壓差為零，可以將其視為短路，即虛短。當(dāng)電路中存在u＋=u－=0的情況，我們可以將其兩個(gè)輸入端視為與地等電位，稱之為虛地。虛地是虛短的一種特殊情況。2)虛斷：由于虛短，輸入電壓為零，而理想運(yùn)算放大器的輸入電阻rid為無窮大，使得此時(shí)同相與反相輸入端的輸入電流等于零，即i＋=i－=0。此時(shí)，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端相當(dāng)于開路，即虛斷。9.2運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用9.2.1比例運(yùn)算電路9.2.2加減運(yùn)算電路9.2.3微分與積分運(yùn)算電路退出9.2.1比例運(yùn)算電路1．反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路如圖9-4所示。圖9-4反相比例運(yùn)算電路考慮到i-=0，故i1=if，即經(jīng)整理可得：式中的負(fù)號(hào)表示電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。當(dāng)R1=Rf時(shí)，比例系數(shù)為“-1”，對(duì)應(yīng)的電路稱為反相器。圖9-4中，同相端接入電阻R2的目的是為了保持運(yùn)放電路靜態(tài)平衡，要求R2=R1//Rf，R2被稱為平衡電阻。2.同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路如圖9-5（a）所示。輸入信號(hào)ui經(jīng)R2加至集成運(yùn)放的同相輸入端。Rf為反饋電阻，將輸出電壓uo反饋至反相輸入端，形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋。R2為平衡電阻，且R2=R1//Rf。

（a）同相比例運(yùn)算電路（b）電壓跟隨器圖9-5同相比例運(yùn)算電路與電壓跟隨器由圖9-5（a）可以列出根據(jù)虛斷的概念可知：i—=i+=0，所以i1=if，即再由虛短及i+=0，有u—=u+=ui，所以，經(jīng)整理得：當(dāng)R1→∞或Rf=0時(shí)，比例系數(shù)等于1，uo=ui，對(duì)應(yīng)的電路稱為電壓跟隨器，如圖9-5（b）所示。9.2.2加減運(yùn)算電路1．加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算是指電路的輸出電壓等于各個(gè)輸入端電壓的代數(shù)和，其電路圖如圖9-6所示。圖中，有兩個(gè)輸入信號(hào)加到了反相輸入端，同相輸入端的平衡電阻R3=R1//R2//Rf。圖9-6單運(yùn)放加法運(yùn)算電路2．減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算是指電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成比例，減法運(yùn)算又稱為差動(dòng)比例運(yùn)算或差動(dòng)輸入放大，其電路如圖9-7所示。由圖可見，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別接有輸入信號(hào)ui1和ui2。從電路結(jié)構(gòu)上看，它由同相比例運(yùn)算電路和反相比例運(yùn)算電路組合而成。圖9-7單運(yùn)放減法運(yùn)算電路9.2.3微分與積分運(yùn)算電路1．積分電路將反相比例運(yùn)算電路中的反饋電阻換成電容，可構(gòu)成基本積分電路，如圖9-10所示。圖9-10積分運(yùn)算電路由虛斷和虛短的概念，可得u+=u-及i+=i-=0，即R2中無電流，其兩端無電壓降，故u+=0，亦即u-=0，故可得考慮到i-=0，故i1=ic，即假設(shè)電容的初始電壓為零，則當(dāng)輸入電壓為常數(shù)（ui=Ui）時(shí)在基本積分器的反相輸入端再增加一個(gè)輸入，如圖9-11所示，還可實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的求和積分。該電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系為圖9-11求和積分運(yùn)算電路【例9.3】在圖9-10中，R1=20kΩ，C=1uF，輸入電壓為一正向階躍電壓運(yùn)放的最大輸出電壓uom=±15V，求t≥0范圍內(nèi)uo與ui之間的運(yùn)算關(guān)系，并繪出波形。解：t≥0時(shí)，ui=1V，為常數(shù)，適用于(9-15)式，有而t≥0，故uo≤0。又因uom=±15V，故-15V≤uo≤0。當(dāng)uo=uom=-15V時(shí)，其波形如圖9-12所示。圖9-12例9.3波形圖2.微分電路基本微分電路如圖9-13所示。微分電路也稱為微分器。由虛斷和虛短的概念，可得u+=u-及i+=i-=0，即R中無電流，其兩端無電壓降，故u+=0，亦即u-=0。圖9-13微分運(yùn)算電路考慮到i-=0，故if=ic；因所以9.3運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用電壓比較器

9.3.2遲滯比較器退出電壓比較器

1.基本電路簡單電壓比較器的基本電路如圖9-14（a）所示。圖9-14所示電路只有一個(gè)門限電壓，因而也被稱為單門比較器。（a）電路圖（b）傳輸特性圖9-14簡單電壓比較器的基本電路及傳輸特性2．過零比較器過零比較器電路如圖9-15(a)所示。電路中的電阻R為限流電阻，可避免由于ui過大而損壞器件。圖9-15（b）為過零比較器的傳輸特性。過零比較器可用做波形變換器，將任意波形變換成矩形波，圖9-15（c）所示就是將正弦信號(hào)整形為方波的變換過程。（a）電路圖（b）傳輸特性（c）波形整形圖9-15過零比較器3．輸出限幅電路圖9-16（a）和圖9-16（b）所示為兩個(gè)常見的限幅電路。（a）（b）圖9-16輸出限幅電路圖9-16（a）所示電路工作時(shí)，若運(yùn)放輸出電壓值大于UZ，則輸出高電平UOH=UZ，反之則輸出低電平UOL=-UZ。圖9-16（b）所示電路中，穩(wěn)壓管接在反饋回路中，由于uo在ui過零時(shí)發(fā)生跳變，在跳變瞬間u+=u-=0，所以反饋回路中的電流為零，即跳變時(shí)刻運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，同樣得到UOH=UZ；UOL=-UZ；而在其他時(shí)刻，因?yàn)榉€(wěn)壓管導(dǎo)通，運(yùn)放處于閉環(huán)限幅狀態(tài)。9.3.2遲滯比較器遲滯比較器（又叫滯回比較器）電路如圖9-17所示。（a）（b）圖9-17遲滯比較器及其傳輸特性它是在過零比較器的基礎(chǔ)上，從輸出端引入一個(gè)分壓電阻Rf到同相輸入端，形成正反饋。這樣，作為參考電壓的u+不再固定為0，而是隨輸出電壓uo而變。雙向穩(wěn)壓管VD使得比較器的輸出電壓uo被鉗位于±UZ值。當(dāng)輸出電壓uo為正最大值UZ時(shí)，假設(shè)同相輸入端的電壓為UT，則有此間，若保持ui＜UT，則輸出電壓uo保持UZ不變。當(dāng)ui從小逐漸增大到剛剛大于UT，則輸出電壓uo迅速從UZ躍變?yōu)?UZ。其傳輸特性如圖9-17（b）所示。在圖9-17（a）中，若同相輸入端電阻R2不接地，改接一個(gè)固定的電壓UREF，如圖9-18（a）所示。此時(shí)兩個(gè)門限電壓也隨之改變，不再對(duì)稱。（a）（b）圖9-18門限電壓不對(duì)稱的遲滯比較器及其傳輸特本章小結(jié)1．運(yùn)算放大器實(shí)際上就是一個(gè)高增益直接耦合放大電路，由于它最初主要用于模擬計(jì)算機(jī)的運(yùn)算放大，故至今仍保留這個(gè)名字。集成運(yùn)算放大器是利用集成工藝，將構(gòu)成運(yùn)算放大器的所有元件集成制作在同一塊硅片上，然后再封裝于管殼內(nèi)。集成運(yùn)算放大器又簡稱集成運(yùn)