計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)（第2版）集成運(yùn)算放大器

計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ) 集成運(yùn)算放大器 教學(xué)提示： 隨著集成技術(shù)的發(fā)展和制作工藝的日趨成熟，各種集成電路大量涌現(xiàn)和普遍運(yùn)用，打破了傳統(tǒng)的分立電路設(shè)計(jì)方法。了解集成電路的性能和掌握集成電路的使用方法是電子技術(shù)中不可缺少的知識(shí)。 教學(xué)目標(biāo)： (1) 了解集成運(yùn)算放大電路組成、主要參數(shù)和使用的注意事項(xiàng)； (2) 理解理想運(yùn)算放大電路和電壓傳輸特性； (3) 掌握理想運(yùn)算放大電路的基本分析方法； (4) 理解比例、加、減、微分、積分的基本運(yùn)算原理； (5) 理解比較器工作原理，了解有源濾波器的工作原理； (6) 理解正弦振蕩電路的工作原理。 第 7章 集成運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器概述 基本運(yùn)算電路 信號(hào)處理電路 信號(hào)產(chǎn)生電路 集成運(yùn)算放大器概述 整個(gè)電路的元器件及其相互連接，同時(shí)集中制作在一塊硅片上，組成一個(gè)不可分隔的整體，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。 集成電路簡(jiǎn)單分類(lèi) : 從元件集成度分有 :小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模。 從導(dǎo)電類(lèi)型的角度分有 :單極型、雙極型和混合型。 按功能分有 :數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩類(lèi)。 模擬集成電路種類(lèi)繁多有 :集成運(yùn)算放大器、集成功率放大 器、集成穩(wěn)壓電源電路、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換集成電路、 寬帶放大器電路和音響集成電路等。 本章主要介紹集成運(yùn)算放大電路 (運(yùn)算放大器或集成運(yùn)放 ) 。 數(shù)字集成電路將在本書(shū)的最后兩章中介紹。 運(yùn)算放大器的組成 高電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接藕合的放大電 路。 可作為直流放大器，也可作為交流放大器使用。 集成運(yùn)算放大器的類(lèi)型很多，電路也不相同，但在結(jié)構(gòu)上有共 同之處，圖 輸入級(jí) :是差分放大電路 ， 輸入電阻高 、 零點(diǎn)飄移小和能抑制干擾信號(hào) 。 它有兩個(gè)輸入端 ， 分別由同相輸入端和反相輸入端構(gòu)成 。 電壓放大級(jí) :是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電壓放大 。 具有高的電壓放大倍數(shù) . 輸出級(jí)與負(fù)載相連接 ， 輸出電阻低 ， 帶負(fù)載能力強(qiáng) (有一定的輸出功率 ). 集成運(yùn)算放大器只有一個(gè)輸出端 偏置電路為上述各級(jí)提供合適和穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流 ， 理想運(yùn)算放大器的電路符號(hào)如圖 集成運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端 。 集成運(yùn)算放大器的外形有雙列直插式和金屬圓殼兩種封裝 。 在一個(gè)封裝中含有一個(gè)或多個(gè)的集成運(yùn)算放大器 。 圖 集成運(yùn)算放大器電路符號(hào) 雙列直插式 圖 輸入端和輸出端的電壓相位關(guān)系有如下三種 。 (1)當(dāng)從 “ +”端輸入信號(hào) u+時(shí) ， 輸出端輸出電壓與輸入信號(hào)同相位 。 “ +”端稱為同相輸入端 。 (2)在從 “ -”端輸入信號(hào) 輸出端輸出電壓與輸入信號(hào)反相位 。 “ -”端稱為反相輸入端 。 (3)從 “ +”和 “ -”兩端輸入差模信號(hào) u+ - 輸出端輸出的電壓相位與輸入差模信號(hào)相位相反 。 圖 ” 表示理想運(yùn)算放大器 (開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) )。 要參數(shù) 基極 )電流 放輸入端是差分對(duì)管的基極 。 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 ， 即 在信號(hào)內(nèi)阻變化時(shí)所引起的輸出電壓的變化也就小 ， 其值 約為零點(diǎn)幾個(gè)微安 。 想運(yùn)放 ， 由于差分輸入級(jí)元件參數(shù)不可能完全對(duì) 稱等原因 ， 在輸 入電壓為零時(shí) ， 輸出電壓不為零 。 此時(shí) ， 若使輸出電壓為零 ， 則需在輸入端加一個(gè)補(bǔ)償電壓 ， 稱 為 輸 入 失調(diào)電壓 。 1 10 運(yùn)放輸入信號(hào)電壓為零時(shí) ， 放大器兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差 ， 即= |輸入失調(diào)電流 它反映了輸入級(jí)差分管的對(duì)稱性的程度 。 其值越小越好 。 運(yùn)放在無(wú)反饋下 ， 輸出信號(hào)電壓 稱為開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)表示為： 通常越大越好 。 單位常用： V/V； V/一般可達(dá) 104107。 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) (稱增益 )還可以表示為： 單位用 貝 ),稱增益 。 大輸出電壓是指不失真的最大輸出電壓 。 指運(yùn)放反相輸入端和同相輸入端之間所能承受的最大電壓值 。 超過(guò)此電壓值 ， 輸入級(jí)的某一個(gè)管的發(fā)射結(jié)將造成反向擊穿 。 放對(duì)共模信號(hào)具有抑制能力 . 0UA 理想運(yùn)算放大器 理想化運(yùn)算放大器的主要條件是： 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù) ； 差模輸入電阻 ； 輸入偏置電流 0； 共模抑制比 ； 有無(wú)限寬頻帶 。 實(shí)際運(yùn)算放大器比較接近于理想化運(yùn)算放大器的條件 ， 本章所討論運(yùn)算放大器 ， 都是依據(jù)理想化的條件進(jìn)行處理 。 (1)線性工作狀態(tài) : 運(yùn)放輸出信號(hào)電壓 u+ u )間滿足線性放大關(guān)系： u+ (7由于 ， 而輸出電壓 因此 (u+ = 0 (7 得 u + = u - (7表明：運(yùn)算放大器在線性區(qū)工作時(shí) ， 其同相輸入端與反相輸 出端的電位相等 。 據(jù)式 (7明 ， 運(yùn)算放大器兩輸入端的電壓為零 ， 但兩輸入 端又 沒(méi)有短路 ， 通常稱為 “ 虛短 ” 。 由于運(yùn)放的差模輸入電阻 ， 而且 u+ = 所以有 i + = i -= 0 (7式 (7明：運(yùn)放在線性區(qū)工作時(shí) ， 流進(jìn)運(yùn)放兩輸入端的電 流為零 。但又沒(méi)有開(kāi)路 ， 通常稱為 “ 虛斷 ” 。 u + = u -和 i+ =i -=0 是判定和分析運(yùn)放在線性區(qū)工作的兩條重要依據(jù) 。 (2)非線性工作狀態(tài) 當(dāng)運(yùn)放工作進(jìn)入非線性的飽和區(qū)時(shí) ， 不能滿足式 (7 放大關(guān)系 : u+ (7由于運(yùn)放 ， 只要輸入端加入很小的電壓 ， 都會(huì)使運(yùn)算放大器進(jìn)入非線性的飽和區(qū) ， 輸出端輸出的是飽和電壓 。 輸入差模電壓 ， 即 u + 有兩種可能： 當(dāng) u+ 則 +當(dāng) u+ 70V， 運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū) ,所以輸出電壓 14 如果 u+ = 0V， 1 則 14V。 圖 基本運(yùn)算電路 輸入信號(hào)從運(yùn)放的反相輸入端加入的運(yùn)算電路稱為反相運(yùn)算電路 ， 如圖 1接到運(yùn)放的反相輸入端 ， 同相輸入端經(jīng)電阻 由于 ， 為使運(yùn)放工作在線性區(qū) ， 形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋 。 運(yùn)放在線性區(qū)工作的條件 ， 依據(jù)式 (7式 (7 u+， i+ = 0 則 u+ = i+ 0 圖 因?yàn)?而 電壓并聯(lián)負(fù)反饋的反饋電流 所以 寫(xiě)成 (7式 (7明： 其比例系數(shù)為 1， 與運(yùn)放的參數(shù)無(wú)關(guān) 。 從式 (7可獲得反相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù) (7如 1， 那么 - = 這時(shí)反相比例運(yùn)算電路就是一個(gè)反相器 。 在實(shí)際電路中 ， 通常選取電阻 1/ 保證反相輸入端和同相輸入端對(duì)地的電阻相等 ， 處于平衡狀態(tài) ,避免輸入偏置電流產(chǎn)生附加的差動(dòng)輸入電壓 0 : 如圖 從運(yùn)放的同相輸入端加入輸入信號(hào)的運(yùn)算稱為同相比例運(yùn)算電路 。 2接到運(yùn)放的同相輸入端 , 反相輸入端經(jīng) 為使運(yùn)放工作在線性區(qū) ， 形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋 。 依據(jù)式 (7式 (7 運(yùn)放在線性區(qū)工作的條件： u+ ， i+ = 0 所以 u+ = 其中 : 表明：輸出電壓 比例系數(shù)為 (1+1) ， 僅由電阻 同相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)： 從式看出 ， 同相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù) 1。 保證兩個(gè)輸入端平衡 ， 應(yīng)選取電阻 1/ 如果讓 f = 0， 則 1。 這時(shí) 同相比例運(yùn)算電路 就是一個(gè)電壓跟隨器 ， 如圖 0 圖 加、減法運(yùn)算電路 求和 )運(yùn)算電路 電路的輸出量能反映多個(gè)輸入量相加結(jié)果的電路稱為加法運(yùn)算電路 。 如圖 在理想條件下 ， 由于虛短 ， u+ = 0， 并且流入運(yùn)放的電流 0， 所以 ( 33221103322110 得表明：輸出端的電壓是各輸入端電壓不同的電阻比例進(jìn)行加法運(yùn)算 。 與運(yùn)放的參數(shù)無(wú)關(guān) 。 當(dāng)選取 R= f， 則 = -( (7 表明：輸出端電壓是輸入端電壓的負(fù)和 。 為了運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端的對(duì)稱 ， 通常選取 。 圖 可得 輸出端的電壓是輸入端電壓的函數(shù)和 ， 圖 減法運(yùn)算電路 在運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同時(shí)都加上輸入信號(hào) ， 利用其同相和反相的輸出關(guān)系實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 。 圖 在理想條件下 ， 虛斷 : 因?yàn)?虛短 : u+ = 果選擇 上式可簡(jiǎn)化成 (7說(shuō)明了 :輸出電壓與輸入電壓的差值成正比 。 減法運(yùn)算電路的差模電壓放大倍數(shù)為 : (7若 得 輸出電壓等于兩輸入電壓的減法運(yùn)算 。 1 112323100111323)1( 得)( 2110 1120120 ii 圖 微、積分運(yùn)算電路 積分運(yùn)算是指運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓成積分比例的運(yùn)算 a) 理想條件下 : i+ =0 ， u+ = 0。 所以 (7反映出輸出電壓與輸入電壓的積分關(guān)系 ， 負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相 。 圖 a) 10011解得 當(dāng)輸入是一個(gè)正向階躍電壓 時(shí) ， 式 (7簡(jiǎn)化為： = 輸出電壓隨時(shí)間線性變化 ， 如圖 b)所示 。 圖中 當(dāng) t ， E； 當(dāng) t ， u o( 這里 ， 在 - uO( , 輸出的最大電壓值受到供電電源電壓的限制 ， 使運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài) ， 持不變 ， 積分停止 。 10圖 b) 【 例題 圖 設(shè)集成運(yùn)算放大器是理想的 。 已知 0000-)=0， 輸入電壓如圖 a)所示 。 試求出電壓的穩(wěn)態(tài)值和波形 。 【 解 】 已知 ， 電路的初始狀態(tài) t=0時(shí) ， -)=0， 0)=0， 當(dāng) 0 = -= 5(V) 當(dāng) 00 uO( = 5 - = 0 輸出電壓波形如圖 b)所示 。 圖 0 0101010505)(1236110 0105 0 0 01010105055)()()(12361211020 微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算 。 簡(jiǎn)單的微分運(yùn)算電路如下圖 在理想條件下： i+ =0 u+ = 0 而 =- 以 (7式 (7明 :輸出電壓是輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分成正比 。 11 當(dāng)輸入為正向階躍電壓 時(shí) ， 由于電源有一定的內(nèi)阻 ， 在 t=0時(shí) ， 隨著電容 漸衰減 ， 直至趨近于零 。 如圖 圖 信號(hào)處理電路 電壓比較器是一種用來(lái)比較輸入信號(hào)電壓 在兩者的電壓幅度不相等的時(shí)候 ， 運(yùn)放進(jìn)入非線性的飽和區(qū)工作 。 輸出電壓將產(chǎn)生躍變 ， 輸出的電壓有高 、 低電平兩種狀態(tài) 。 運(yùn)放通常是在開(kāi)環(huán)下工作 。 比較器的輸出電壓從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平時(shí) ， 相應(yīng)的輸入電壓值 閥值 )電壓 只有一個(gè)門(mén)限電壓的電壓比較器 稱為單門(mén)限電壓比較器 。 圖 考電壓 稱為過(guò)零比較器 。 圖 圖 參考電壓 輸入電壓 集成運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)下工作 ， 電壓放大倍數(shù)很高 。 當(dāng)輸入電壓 運(yùn)放會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)工作 ， 即 低電平 。 如左圖 輸入信號(hào)電壓是從反相端接入 ， 參考電壓接在同相端 ， 稱為反相單門(mén)限電壓比較器 。 如果輸入信號(hào)電壓是從同相端接入 ， 參考電壓接 在反相端 ， 則稱為同相單門(mén)限電壓比較器 。 【 例題 圖 a)所示比較器電路 ,正弦輸入電壓 畫(huà)出電路中 波形 。 【 解 】 這是過(guò)零比較器 ， 運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性如圖 b)所示 。 圖 作過(guò)程 : (1)a)所示 ，比較器輸出有正負(fù)極性的方波 如圖 b)所示； (2)經(jīng)過(guò) 由于 圖 當(dāng) uO(電平 。 當(dāng) 1導(dǎo)通 ， 反相輸入端的電位高于同相輸 入端 ， uO(電平 。 如圖 若 且 則 - 圖 圖 從輸出端通過(guò) 門(mén)限電壓 比較器在工作時(shí) 門(mén)限電壓 當(dāng) uO( 當(dāng) uO( 門(mén)限電壓差 )(0222s a )(0222s a )(022 2s a 圖 滯電壓比較器的傳輸特性 ， 如圖 當(dāng) 時(shí) ， 高電位 +uO( ， 從高電位 +uO(跳到低電位 與此同時(shí) ， 門(mén)限電壓也從 下跳到 ， 而 保持著低電位 變 。 當(dāng) 只要不低于門(mén)限電壓 U 保持著低電位 變 。 當(dāng) 時(shí) ， 從低電位 uO(跳到高電位 +uO( 圖 信號(hào)產(chǎn)生電路 正弦信號(hào)產(chǎn)生電路 振蕩 路在無(wú)輸入信號(hào)下 ， 輸出端有一定頻率和幅度信號(hào)輸出的現(xiàn)象 。 圖 電路接成正反饋形式 ， 外接正弦信號(hào) 經(jīng)基本放大電路放大后引回反饋信號(hào) 如果 這時(shí)除去如圖 利用正反饋回來(lái)的信號(hào)維持放大器的輸出 ， 就是自激振蕩 。 圖 振蕩條件 : 在自激振蕩情況下 ， 由于 放大電路的電壓放大倍數(shù)為： 正反饋系數(shù) 所以有 (7即 = 1 (7 2 n =1,2,3 ) (7電路產(chǎn)生自激振蕩兩個(gè)條件：在正反饋下 (1)滿足相位平衡條件 : 式 (7 i=f ； (2)滿足振幅平衡條件 : 式 (7 =1 . 000:1 極座標(biāo)形式為 起始振蕩 電路與電源接通 ， 電路中就會(huì)產(chǎn)生各種頻率的正弦和非正弦的擾動(dòng)信號(hào) ,經(jīng)過(guò)放大后被反饋電路引回到放大器的輸入端 。 其中只有符合 “ 電路頻率特性 ” 的某一頻率的正弦信號(hào) ， 且滿足自激振蕩的兩個(gè)條件 ， 則該正弦信號(hào)經(jīng)放大后 ， 被反饋電路引回到放大器的輸入端又被放大 (其他頻率的信號(hào)則被衰減 )。 如此自動(dòng)循環(huán) ， 輸出電壓的幅度越來(lái)越大 ， 最后受到電路中的非線性元件的限制 ， 輸出電壓的幅度趨向一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值 ， 到達(dá)一個(gè)穩(wěn)態(tài)平衡 ， 實(shí)現(xiàn)了自激振蕩 。 “ 電路頻率特性 ” 是選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 。 選頻網(wǎng)絡(luò)通常由電阻 、 電感和電容組成 。 組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為 組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為 2. 圖 由兩部分組成： 同相比例運(yùn)算電路和 (選頻網(wǎng)絡(luò) :又起到正反饋網(wǎng)絡(luò)的作用 )。 串聯(lián) 1 : 并聯(lián) 2 : 反饋系數(shù) : 111112f3)1( 222021200圖 (7由式 (7得選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性 : (7當(dāng)自激振蕩時(shí) ， f = 則式 (7 F = 1/3 據(jù)式 (7相比例運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù) ， 并選取 2 有 = 1+(1) = 3 所以得 : = 1 (7式 (7 : f = 0 (7 )(3121000則3)()(31002002r ct f 由上分析可看出： f = 0 ， 說(shuō)明 相位 ， 即 振蕩電路起振時(shí)放大器電壓放大倍數(shù)滿足 。 穩(wěn)定振蕩時(shí)應(yīng)滿足 = 1； 如圖 正弦振蕩頻率為 1/(2 只要通過(guò)改變 的數(shù)值 ， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩頻率的調(diào)整 。 方波產(chǎn)生電路 (多諧振蕩電路 ) 如圖 a)所示為一方波產(chǎn)生電路 。 電路由一個(gè)遲滯電壓比較器和具有延時(shí)作用的 雙向穩(wěn)壓管使輸出電壓幅度被限制在 圖 波產(chǎn)生的過(guò)程 ,波形如圖 b)所示 。 (1)電源接通瞬間 ， 電路中的擾動(dòng)信號(hào)正反饋放大 。 運(yùn)算放大器飽和輸出的電壓被雙向穩(wěn)壓管限幅在 + u+ = (7(2)同時(shí) ， 輸出端電壓 +向 當(dāng) = u+時(shí) ， 運(yùn)算放大器翻轉(zhuǎn) ， 輸出電壓為 當(dāng) 電容上所充的電壓又經(jīng)過(guò)電阻 當(dāng) u+， 運(yùn)算放大器又發(fā)生翻轉(zhuǎn) ， 輸出電壓為 + 輸出端電壓 +又向 開(kāi)始新的一個(gè)周期充