電工與電子技術(shù)第三章-集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

第三章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

第一節(jié)

直接耦合放大器

第二節(jié)差動(dòng)放大電路

第三節(jié)集成放大器簡介

第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電路中的應(yīng)用

第五節(jié)放大電路中的負(fù)反饋

第六節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用作業(yè)返回第一節(jié)直接耦合放大器級(jí)與級(jí)之間不經(jīng)電抗元件而直接連接的方式，稱為直接耦合。UCC

零點(diǎn)漂移---當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端電壓偏離原來的起始電壓緩慢地?zé)o規(guī)則的上下漂動(dòng)，這種現(xiàn)象叫零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因---溫度變化、電源電壓的波動(dòng)、電路元件參數(shù)的變化等等。第一級(jí)產(chǎn)生的零漂對放大電路影響最大。各級(jí)工作點(diǎn)相互影響適于放大直流或變化緩慢的信號(hào)電壓放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)之積零點(diǎn)漂移第二節(jié)差動(dòng)放大電路

基本差動(dòng)放大電路

典型差動(dòng)放大電路

具有恒流源的差動(dòng)放大電路

差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式一、基本差動(dòng)放大電路電路由兩個(gè)特性完全相同的基本放大電路組成。1.抑制零點(diǎn)漂移的原理靜態(tài)時(shí)，Ui1=Ui2=0，由于電路對稱RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2ui＋UCCuoV1V2溫度上升，引起兩邊電流變化由于電路對稱，零漂被抑制。2.動(dòng)態(tài)工作原理差模信號(hào)－－極性相反，幅值相同的信號(hào)。

u

i1=－u

i2

共模信號(hào)－－極性相同，幅值相同的信號(hào)。

ui1=ui2差模輸入（信號(hào)）共模輸入（干擾信號(hào)）差動(dòng)放大電路對差模信號(hào)有放大作用，對共模信號(hào)有抑制作用。共模、差模同時(shí)輸入若電路完全對稱，AC＝0，只有差模信號(hào)輸出，若電路不完全對稱，AC≠0，既有差模信號(hào)又有共模信號(hào)輸出。二、典型差動(dòng)放大電路加入射極公共電阻RE（共模反饋電阻）可以克服電路不完全對稱引起的零漂。負(fù)電源EE的作用是補(bǔ)償RE上的電壓降，從而保證兩管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。RCRCRB1RB1RPREEE－＋＋UCCui1ui2uiuoV1V2To↑IC1↑IC2↑IE↑UE↑UBE1↓UBE2↓IB1↓IB2↓IC1↓IC2↓

RE能夠抑制零漂、共模信號(hào)，對差模信號(hào)無影響。且RE越大，抑制作用越強(qiáng)。但EE也需增大。

RP為調(diào)零電阻，用來調(diào)節(jié)平衡。一般取值不大。KCMR是衡量放大信號(hào)的能力的技術(shù)指標(biāo)。

Ad:差模放大倍數(shù)；AC:共模放大倍數(shù)KCMR越大，抑制共模信號(hào)越強(qiáng)。共模抑制比（KCMR）RL′=RC//(RL/2)接入負(fù)載電阻RL電路分析靜態(tài)時(shí)流過RE電流=IE1+IE2=2IE動(dòng)態(tài)時(shí)由于RE對差模信號(hào)無影響。忽略RP的影響KCMR是衡量放大信號(hào)的能力的技術(shù)指標(biāo)。

Ad:差模放大倍數(shù)；AC:共模放大倍數(shù)KCMR越大，抑制共模信號(hào)越強(qiáng)。共模抑制比（KCMR）差模輸入電阻rid≈2(RB1+rbe)忽略RP輸出電阻rO＝2RC三、具有恒流源的差動(dòng)放大電路RCRCRB1RB1RP＋UCCuoV1V2－UEERRR1R2RE3V3ui

R1、R2提供穩(wěn)定的iB

，晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，iC近似恒定。rCE≈∞。ui1ui2V3、RE3、R1、R2組成具有恒流源特性的電路。電路采用恒流源代替RE，其等效電阻大，抑制共模信號(hào)、零漂能力強(qiáng)，又不需要過大的負(fù)電源UEE?！穑璘EEui○○uO四、差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)電路單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)電路輸入差模信號(hào)近似均勻的分布在兩個(gè)管子上主要技術(shù)指標(biāo)與雙入雙出一致。RB1單端輸出只取自一個(gè)管子的集電極變量。依對稱性：rO＝RC○uO單端輸入、單端輸出的差動(dòng)電路RB1＋UCC○RCRC雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)電路第三節(jié)集成放大器簡介

集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

集成運(yùn)算放大器的簡單介紹

集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

集成運(yùn)算放大器的理想化模型

集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點(diǎn)一、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成電路：將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成完整的能完成特定功能的電子電路。運(yùn)算放大器：具有高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大器。二、集成運(yùn)算放大器的簡單介紹1.集成運(yùn)放的組成差動(dòng)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入輸出抑制零漂，共模抑制比高低輸出電阻，多采用射隨器放大作用的主要單元提供各級(jí)靜態(tài)電流2.集成運(yùn)放的管腳圖及符號(hào)F007管腳圖

F741（F007）12348765符號(hào)A---反相輸入端B---同相輸入端F---輸出端

AV－＋u+u－uoABF＋信號(hào)從反相輸入端輸入時(shí)，輸出與輸入相位相反。信號(hào)從同相輸入端輸入時(shí)，輸出與輸入相位相同。三、集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1.輸入失調(diào)電壓UiO

當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)，為使輸出的電壓值為零，在輸入端加入的補(bǔ)償電壓。其值越小越好（0.5～5mV）2.輸入失調(diào)電流IiO

輸入電壓為零時(shí)，流入放大器兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差。

IiO＝IB1－IB2

其值越小越好（1nA~10nA）3.開環(huán)差模放大倍數(shù)Auo

運(yùn)放在開環(huán)時(shí)的差模放大倍數(shù)其值越高越好（104～107）5.最大輸出電壓Uopp

輸出不失真的最大輸出電壓值6.共模抑制比KCMR

F741通用型集成運(yùn)放

F324通用型單電源四運(yùn)放

AD547低溫漂精密運(yùn)放

OP07低輸入失調(diào)電壓精密運(yùn)放AD744高速運(yùn)放常用集成運(yùn)放芯片四、集成運(yùn)算放大器的理想化模型實(shí)際運(yùn)放

u+u－uoriroAOUiuiAO很高，>104ri很高，幾十~幾百KΩrO很低，幾十~幾百ΩKCMR很高理想運(yùn)放

u+u－uoAOUiuiAO＝∞r(nóng)i=∞ rO=0KCMR＝∞五、集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點(diǎn)運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性集成運(yùn)放的輸出電壓uO與輸入電壓ui

(u+－u－)之間的關(guān)系uO＝f(ui)稱為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性。uOui+UOM－UOMuO＝AO

ui

=AO(u+－u－)

ui

<|UiM|

，

運(yùn)放工作在線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)ui

>|UiM|

，運(yùn)放飽和，工作在非線性區(qū)線性區(qū)引入深度負(fù)反饋，可以使運(yùn)放工作在線性區(qū)。

∞－＋uo＋ud反饋電路開環(huán)系統(tǒng)：不加反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電路系統(tǒng)，此時(shí)的放大倍數(shù)叫開環(huán)放大倍數(shù)。uOui+UOM－UOM理想運(yùn)放的電壓傳輸特性u(píng)i≠0，|uO|＝±UOM即u+≠

u－時(shí)，運(yùn)放處于非線性區(qū)。閉環(huán)系統(tǒng)：加上反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電路系統(tǒng)，此時(shí)的放大倍數(shù)叫閉環(huán)放大倍數(shù)。運(yùn)算放大器的分析特點(diǎn)1.線性區(qū)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓通常非常接近于零，但不是短路，故簡稱為“虛短”。虛短

uO＝AO（u＋－u－）

AO≈∞u＋－u－≈uo／AO≈0u＋≈u－當(dāng)u＋＝0（接地）u

－≈

u

＋≈0

稱此時(shí)的反相輸入端為“虛地點(diǎn)”。反之，也成立。

u+u－uoAOUiui虛斷流入集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流通常為零，但又不是斷路故簡稱為“虛斷”?！遰i≈∞ I－≈I+≈02.非線性區(qū)在非線性區(qū)，虛短概念不成立，但虛斷概念成立。

u+I－uoAOUiu－I+例：利用理想運(yùn)放組成的二極管檢測電路，求出流過D的電流iD

及D兩端的電壓uD。

∞－＋uo＋ui15V1.5KΩ－0.67VDiDiRi＋i

－解：虛地點(diǎn)第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電路中的應(yīng)用

分析線性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念

基本運(yùn)算電路一、分析線性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念虛短u＋≈u－I－≈I+≈0虛斷

u+I－uoAOUiu－I+二、基本運(yùn)算電路比例電路

∞－＋uo＋uiifi1R1R2Rf1.反相比例電路

∵i+≈0（虛斷）∴u

+＝0

u

+≈u

－≈0（虛地點(diǎn)）

i1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f即ui/R1=－uo/

Rf

uo、ui

符合比例關(guān)系，負(fù)號(hào)表示輸出輸入電壓變化方向相反。電路中引入深度負(fù)反饋，閉環(huán)放大倍數(shù)Auf與運(yùn)放的Au無關(guān)，僅與R1、Rf

有關(guān)。

R2－－平衡電阻同相端與地的等效電阻。其作用是保持輸入級(jí)電路的對稱性，以保持電路的靜態(tài)平衡。

R2＝R1//Rf當(dāng)R1＝Rf

時(shí)，uo＝－ui

，該電路稱為反相器。2.同相比例電路

∞－＋uo＋ifi1uiR2R1Rf

∵i+≈0（虛斷）∴u

+＝ui

u

+≈u

－≈ui

（虛短）

i1=（0－ui）／R1if=(u－－uo

)／Rf

=(ui－uo)／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f當(dāng)Rf＝有限值時(shí)，R1＝∞

∞－+uo＋ui

R2－－平衡電阻

R2＝R1//RfAuf=1→電路成為電壓跟隨器。

uo＝ui此電路輸入電阻大，輸出電阻小。例：應(yīng)用運(yùn)放來測量電阻的電路如圖，U＝10V，R1=1MΩ，輸出端接電壓表，被測電阻為Rx，試找出Rx與電壓表讀數(shù)uo之間的關(guān)系。Rx

∞－＋＋R1－＋U－＋V解:此電路為反相比例電路例：理想化運(yùn)放組成的電路如圖，試推算輸出電壓uo的表達(dá)式。

∞－＋uo＋uiR1R3R2R4u+解:此電路為同相比例電路判斷這個(gè)等式、×√啊，見鬼了!哈，verygood!例：圖示電路為T型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路，試推算輸出輸入之間的關(guān)系。

∞－＋uo＋uii2i1R1RR2R3R4i4i3Mu

+≈u

－≈0（虛地點(diǎn)）∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i2=ui／R1解:此電路只在要求放大倍數(shù)較大、輸入電阻較高和避免阻值過高時(shí)才采用。加法運(yùn)算電路uo

∞－＋＋ui2ifi2R2RPRfui3i3R3ui1i1R1在調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻的阻值時(shí)，不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。求和電路也可從同相端輸入，但同相求和電路的共模輸入電壓較高，且不如反相求和電路調(diào)節(jié)方便。減法運(yùn)算電路（差動(dòng)運(yùn)算電路）

∞－＋uo＋ui2ifi1R1R2Rfui1R3利用疊加原理同相端輸入ui1反相端輸入當(dāng)R1=R2=R3=Rf

=R時(shí)，uo=ui2－ui1(減法器）R2//R3=

R1//

Rf

例：用運(yùn)放組成的直流毫伏表電路如圖所示，設(shè)表的內(nèi)阻可忽略，試求IO與VS的關(guān)系。

∞－＋VO＋VSI2I1R1R1mAI0I解:電路實(shí)為反相比例電路RVO=－VSI1=I2(虛斷）IO=I－I2=VO/R－VS/R1I=VO/RI1=I2=VS/R1=－VS(1/R+1/R1)例：已知RF＝4R1，求u0與ui1、ui2的關(guān)系式。

A1－+＋ui1

A2－＋uo＋ui2R1R2RFuo′解:A1為跟隨器；A2為差放。uo′=ui1uo＝5ui2－4ui1例：如圖，求uo

與ui1、ui2的關(guān)系式。

A1－+＋ui1

A2－＋uo＋ui210KΩuo′10KΩ30KΩ10KΩ6KΩ解:A1為反向加法器；A2為反相比例電路。例：如圖，求uo

。

A1－

+＋

A3－＋uo＋100Kuo150K80K20K

A2－

+＋12K50K100K12K11K30K60Kuo2－0.3V0.4V

A1：反相比例

A2：同相比例

A3：差動(dòng)輸入解：積分電路

∞－＋uo＋uiiCi1RRPCuituOt－UOMuo正比于ui的積分延遲積分電路的應(yīng)用uitUuOtT－U信號(hào)延遲時(shí)間T后，電壓值達(dá)到U方波轉(zhuǎn)化為三角波uituOt微分電路iR

∞－＋＋uiRRPCiCuouo正比于ui的微分uituOt例：電路如圖，已知運(yùn)放±UOMAX=±10V，輸入信號(hào)波形如圖，R＝1MΩ，C＝0.05μF，求輸出波形。（電容初始能量為零）

∞－＋＋uiRRPCuoui

/vt/s1－1RC=1×106×0.05×10－6=0.05Su0=

UOMAX＝－10=－20tt=0.5SuO/vt/s－100.5解:例：電路如圖所示，已知R1=R2=10KΩ,C=0.1μF,集成運(yùn)放±UOmax=±18V,求：

試導(dǎo)出uo與u1、u2關(guān)系式；

已知u1、u2波形，試畫出uo波形。

∞－＋＋u1R1RCuou2R2t=10ms=－15Vt=20msu0=－10Vu1/vt/ms1－0.50.5t/ms10102020u2/vu0/vt/ms－1510

20－10－12例:已知運(yùn)放±UOMAX=±15V試求圖中uo1、uo2、uo3及開關(guān)S閉合0.2s后uo的值。

A1－+＋－2Vuo1

A2－＋uo2＋0.5VR10KΩ10KΩ10KΩ20KΩ

A3－＋＋uo3R20KΩ

∞－＋＋Ruo1μF10KΩS解:輸出電壓超出UOMAX，∴uo=－15V第五節(jié)放大電路中的負(fù)反饋

反饋的基本概念

負(fù)反饋對放大器性能的影響一、反饋的基本概念正反饋：輸入量不變，輸出量由于加反饋而變大。負(fù)反饋：輸入量不變，輸出量由于加反饋而變小。反饋：指將輸出量的一部分或全部按一定方式送回到輸入回路來影響輸入量的一種連接方式。放大電路反饋電路輸出信號(hào)反饋信號(hào)輸入信號(hào)比較環(huán)節(jié)凈輸入信號(hào)負(fù)反饋的分類電壓負(fù)反饋--反饋信號(hào)取自輸出電壓,反饋信號(hào)與輸出電壓成比例;電流負(fù)反饋--反饋信號(hào)取自輸出電流,反饋信號(hào)與輸出電流成比例;串聯(lián)負(fù)反饋--反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以串聯(lián)的形式作用與輸入端；并聯(lián)負(fù)反饋--反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以并聯(lián)的形式作用與輸入端。串聯(lián)電流負(fù)反饋電壓并聯(lián)二、負(fù)反饋對放大器性能的影響電壓放大倍數(shù)被降低電路加入負(fù)反饋，使凈輸入信號(hào)減小，等于削弱了輸入信號(hào)，使得放大倍數(shù)減小。

增加放大倍數(shù)的穩(wěn)定性電路加入負(fù)反饋，放大倍數(shù)被降低的同時(shí)，也使由于溫度、負(fù)載、元器件等條件變化而引起的放大倍數(shù)的變化大大減小，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性得到提高。

擴(kuò)展通頻帶|A|fBOBF電路加入負(fù)反饋，通頻帶由BO加寬到BF。

減小非線性失真電路加入負(fù)反饋，使凈輸入信號(hào)減小，iC減小，改善了非線性失真。

串聯(lián)負(fù)反饋增加輸入電阻，并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻。電壓反饋能穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻；電流反饋能穩(wěn)定輸出電流，增加輸出電阻。

抑制干擾和噪聲放大電路反饋電路加入負(fù)反饋的電路，以降低放大倍數(shù)為代價(jià)，換來了放大器諸多方面性能的改善。第六節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用電壓比較器運(yùn)放的非線性應(yīng)用非線性應(yīng)用電路具有兩種類型，一類是運(yùn)放本身工作在非線性狀態(tài)，如開環(huán)或正反饋狀態(tài)。另一類是運(yùn)放本身工作在線性狀態(tài)，由外部電路中引入了非線性元件，使輸出與輸入不再是線性關(guān)系。一、電壓比較器過零比較器比較器是一種用來比較輸入信號(hào)Ui和參考電壓UR的電路。

∞－＋＋uiRRPuouOui+UOM－UOMu+≠

u－時(shí)，即ui≠0，uO＝±UOMui

<0正飽和uO＝+UOM

ui

>0負(fù)飽和uO＝－UOM

uOui+UOM－UOM若ui為正弦波uituOt－UOM+UOMu0為方波關(guān)于UOM—飽和電壓

UOM→UCC

任意電平比較器限幅措施

∞－＋＋uiRRPuoUZui

<0正飽和uO＝+(UZ+UD)ui

>0負(fù)飽和uO＝－(UZ+UD)uOui+UZ－UZui

<UR

正飽和uO＝+UZui

>UR

負(fù)飽和uO＝－UZ

uOui+UZ－UZUR

∞－＋＋uiR1R2uoUZUR常用集成比較器LM311電壓比較器12348765+－+V+GNDV－比較器的特點(diǎn)及分析方法比較器中運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，輸入與輸出之間成非線性關(guān)系，因此虛短等深度負(fù)反饋概念不再適用，僅在判斷臨界狀態(tài)時(shí)才適用。uT=UR—臨界電壓，可稱為門檻電平

ui=UT時(shí)，u+=u－，uo=0在ui>UT和