第三章 集成運(yùn)算放大器

1、12022-2-13第三章第三章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用3.13.1集成放大器基礎(chǔ)集成放大器基礎(chǔ)3.23.2負(fù)方饋放大器負(fù)方饋放大器3.33.3集成放大器的線性應(yīng)用集成放大器的線性應(yīng)用3.43.4集成放大器應(yīng)用技術(shù)集成放大器應(yīng)用技術(shù)22022-2-133.1.1 3.1.1 集成放大器概念集成放大器概念【集成放大器的特點(diǎn)集成放大器的特點(diǎn)】1 1電容元件是由半導(dǎo)體電容元件是由半導(dǎo)體PNPN結(jié)形成，只有幾十個(gè)微法，若需用結(jié)形成，只有幾十個(gè)微法，若需用大電容時(shí)要外結(jié)，因而集成放大器內(nèi)部只能采用直接耦合放大電大電容時(shí)要外結(jié)，因而集成放大器內(nèi)部只能采用直接耦合放大電路；路；2 2集成元

2、件雖然精度不高，但對稱性好，距離近，溫度性容集成元件雖然精度不高，但對稱性好，距離近，溫度性容易保持一致；易保持一致；3 3電阻元件有半導(dǎo)體電阻形成，大小一般在電阻元件有半導(dǎo)體電阻形成，大小一般在10010030K30K，需用大電阻時(shí)可外接，或采用半導(dǎo)體三極管組成的有源負(fù)載代替；需用大電阻時(shí)可外接，或采用半導(dǎo)體三極管組成的有源負(fù)載代替；4 4集成放大器工作電源電壓比數(shù)字集成電路要高，一般在集成放大器工作電源電壓比數(shù)字集成電路要高，一般在（10103030）V V左右，雙電源放大器要求正負(fù)對稱電源；左右，雙電源放大器要求正負(fù)對稱電源；32022-2-13【集成放大器的結(jié)構(gòu)集成放大器的結(jié)構(gòu)】由輸入

3、級(jí)、中間由輸入級(jí)、中間 放大級(jí)、放大級(jí)、 輸出級(jí)三部分組成輸出級(jí)三部分組成 【集成放大器的分類集成放大器的分類】分為通用型和專用型分為通用型和專用型 （分為高精度型、高輸入阻抗型、低功耗型、（分為高精度型、高輸入阻抗型、低功耗型、 高速型等。）高速型等。）42022-2-13【集成放大器的主要參數(shù)集成放大器的主要參數(shù)】（1 1）開環(huán)放大倍數(shù)）開環(huán)放大倍數(shù)A A（2 2）輸出失調(diào)電壓）輸出失調(diào)電壓U UIOIO（3 3）輸入失調(diào)電流）輸入失調(diào)電流I IIOIO（4 4）最大輸出電壓）最大輸出電壓U UO O（5 5）最大共模輸入電壓）最大共模輸入電壓U Uicmaxicmax（6 6）其他性能指

4、標(biāo)：差模輸如電阻、輸出電阻、）其他性能指標(biāo)：差模輸如電阻、輸出電阻、 共模抑制比、靜態(tài)功耗、溫度漂移等。共模抑制比、靜態(tài)功耗、溫度漂移等。52022-2-133.1.3 3.1.3 理想集成放大器及其分析重點(diǎn)理想集成放大器及其分析重點(diǎn)1 1集成放大器的理想特性集成放大器的理想特性【集成放大器的理想?yún)?shù)集成放大器的理想?yún)?shù)】開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)A=A=差模輸入電阻差模輸入電阻rid=rid=輸出電阻輸出電阻ro=0ro=0輸入偏置電流輸入偏置電流IB1=IB2=0IB1=IB2=0共模抑制比共模抑制比KCMR=KCMR=上限頻率上限頻率fH=fH=62022-2-132 2集成放大器

5、的分析重點(diǎn)集成放大器的分析重點(diǎn)（1 1）線性區(qū)：）線性區(qū)：虛短路原則（簡稱虛短路原則（簡稱“虛短虛短”）：）：反相輸入端電位反相輸入端電位和同相輸入端電位幾乎相等，稱為虛短路。和同相輸入端電位幾乎相等，稱為虛短路。 即：即： 因此有：因此有： 虛斷路原則（簡稱虛斷路原則（簡稱“虛斷虛斷”）：）：集成放大器的差集成放大器的差模輸入電阻模輸入電阻rid=rid=，輸入偏置電流，輸入偏置電流i+=i-0i+=i-0稱為稱為虛斷路。虛斷路。0Auuuo uu72022-2-13（2 2）非線性區(qū)）非線性區(qū) 當(dāng)當(dāng)u+u+u-u-時(shí)時(shí)uo=-UOMuo=-UOM 當(dāng)當(dāng)u+u+u-u-時(shí)時(shí)uo=+UOMuo

6、=+UOM此時(shí)此時(shí) ，虛短路原則不成立，但虛斷路，虛短路原則不成立，但虛斷路原則仍然成立，即有原則仍然成立，即有i+=i-0 i+=i-0 82022-2-133.23.2負(fù)反饋放大器負(fù)反饋放大器3.2.13.2.1反饋的基本概念反饋的基本概念1 1反饋：反饋：將放大電路輸出信號(hào)的一部分或全部將放大電路輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回到輸入端，稱為反饋。經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回到輸入端，稱為反饋。2 2反饋的分類：反饋的分類：（1 1）分類：正反饋和負(fù)反饋、直流反饋和交流）分類：正反饋和負(fù)反饋、直流反饋和交流反饋、電壓反饋和電流反饋、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋、電壓反饋和電流反饋、串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。反饋。

7、（2 2）有無反饋的判別：看電路中是否存在連接）有無反饋的判別：看電路中是否存在連接輸出回路和輸入回路的反饋通路。輸出回路和輸入回路的反饋通路。92022-2-133 3反饋類型的判別方法反饋類型的判別方法: :（1 1）正、負(fù)反饋的判別：）正、負(fù)反饋的判別：采用瞬時(shí)極性法。采用瞬時(shí)極性法。102022-2-13圖（圖（a a）中，在）中，在udud正方向設(shè)定情況下，有正方向設(shè)定情況下，有 可判斷電路引入正反饋。可判斷電路引入正反饋。 在圖（在圖（b b）中，）中， 可判斷電路引入負(fù)反饋?？膳袛嚯娐芬胴?fù)反饋。)(uuuuuuudoi凈輸入電壓)(fidfoiiiiiuuu凈輸入電壓11202

8、2-2-13（2 2）直流反饋與交流反饋的判別：反饋信號(hào)中只有）直流反饋與交流反饋的判別：反饋信號(hào)中只有直流分量，成為直流反饋；反饋信號(hào)中只有交流分直流分量，成為直流反饋；反饋信號(hào)中只有交流分量，成為交流反饋。反饋信號(hào)中既有直流分量又有量，成為交流反饋。反饋信號(hào)中既有直流分量又有交流分量，成為交直流反饋。交流分量，成為交直流反饋。（5 5）電壓反饋與電流反饋的判別：）電壓反饋與電流反饋的判別：通常采用負(fù)載短通常采用負(fù)載短路法。路法。（6 6）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判別：）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋的判別：根據(jù)輸入信號(hào)與根據(jù)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的連接方式判別。反饋信號(hào)的連接方式判別。122022-2-133

9、.2.23.2.2負(fù)反饋的分析方法負(fù)反饋的分析方法在負(fù)反饋放大器中，如圖所示，開環(huán)放大器的放在負(fù)反饋放大器中，如圖所示，開環(huán)放大器的放大倍數(shù)：大倍數(shù)： A=xo/A=xo/xdxd 反饋網(wǎng)絡(luò)中反饋系數(shù)反饋網(wǎng)絡(luò)中反饋系數(shù): : F= F= xfxf/xo/xo反饋放大器的閉環(huán)放反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)大倍數(shù): : AfAf=xo/xi=xo/xi反饋分析框圖反饋分析框圖132022-2-13化簡得：化簡得： AFAxAFAxxxAxxxAddfddiof1)1 (142022-2-131.1.當(dāng)當(dāng)1+AF01+AF0時(shí)，。引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)下降，時(shí)，。引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)下降，但整個(gè)閉環(huán)放

10、大器其他性能都會(huì)得到顯著改善。但整個(gè)閉環(huán)放大器其他性能都會(huì)得到顯著改善。2.2.當(dāng)當(dāng)1+AF01+AF0 時(shí)，即放大倍數(shù)增加，電路轉(zhuǎn)為正時(shí)，即放大倍數(shù)增加，電路轉(zhuǎn)為正反饋，使反饋放大器性能不穩(wěn)定。反饋，使反饋放大器性能不穩(wěn)定。3.3.當(dāng)當(dāng)1+AF=0 1+AF=0 時(shí)，。既在沒有輸入信號(hào)（時(shí)，。既在沒有輸入信號(hào)（xi=0 xi=0）時(shí)也產(chǎn)生輸出信號(hào)，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩，時(shí)也產(chǎn)生輸出信號(hào)，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩，簡稱自激。自激破壞了放大器的正常工作狀態(tài)，簡稱自激。自激破壞了放大器的正常工作狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)設(shè)法避免。而對于振蕩電路，卻正是利用應(yīng)當(dāng)設(shè)法避免。而對于振蕩電路，卻正是利用自激產(chǎn)生各種波形信號(hào)。

11、自激產(chǎn)生各種波形信號(hào)。152022-2-133.2.33.2.3負(fù)反饋放大器的四種組態(tài)負(fù)反饋放大器的四種組態(tài)1.1.電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋（1 1）電路組成：）電路組成：（2 2）反饋特點(diǎn)：）反饋特點(diǎn)：電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓、減小輸出電阻的作用，其過程如下：用，其過程如下：電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋162022-2-13根據(jù)虛短、虛斷原則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：根據(jù)虛短、虛斷原則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：1111RRRRRUUAFFiOf172022-2-132.2.電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋（1 1）電路組成：）電路組成： （2 2）反饋特點(diǎn)：

12、當(dāng)）反饋特點(diǎn)：當(dāng)iiii一定時(shí)一定時(shí)ifif愈大，反饋愈強(qiáng)，愈大，反饋愈強(qiáng)，凈輸入電流凈輸入電流idid愈小，反饋效果愈好。愈小，反饋效果愈好。iiii要保持一定，要保持一定，則則iiii信號(hào)源內(nèi)阻應(yīng)很大，反饋效果才會(huì)好。信號(hào)源內(nèi)阻應(yīng)很大，反饋效果才會(huì)好。電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋182022-2-13根據(jù)虛短、虛斷原則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：根據(jù)虛短、虛斷原則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：1RRUUAFiOf192022-2-133.3.電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋（1 1）電路組成：）電路組成：電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋202022-2-13（2 2）反饋特點(diǎn)：電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電）反饋特點(diǎn)：電

13、流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流、提高輸出電阻的作用。其過程如下流、提高輸出電阻的作用。其過程如下; ; odfoiuui212022-2-134.4.電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋（1 1）電路組成：如圖所示）電路組成：如圖所示（2 2）反饋特點(diǎn)：由于是并聯(lián)反饋，宜采用）反饋特點(diǎn)：由于是并聯(lián)反饋，宜采用高內(nèi)阻的信號(hào)源。高內(nèi)阻的信號(hào)源。 電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋222022-2-13根據(jù)虛短、虛斷原則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：根據(jù)虛短、虛斷原則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為： )1 (1RRRRUUAFLiOf232022-2-133.2.4 3.2.4 負(fù)反饋對放大器性能的影響負(fù)反饋對放大器性能的影響1.1.提高放

14、大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性2.2.改變電路的輸入電阻和輸出電阻改變電路的輸入電阻和輸出電阻（1 1）引入串聯(lián)負(fù)反饋，增大輸出電阻）引入串聯(lián)負(fù)反饋，增大輸出電阻（2 2）引入并聯(lián)負(fù)反饋，減小輸入電阻）引入并聯(lián)負(fù)反饋，減小輸入電阻（3 3）引入電壓負(fù)反饋，減小輸出電阻）引入電壓負(fù)反饋，減小輸出電阻（4 4）引入電流負(fù)反饋，增大輸出電阻）引入電流負(fù)反饋，增大輸出電阻242022-2-133.3.展寬通頻帶展寬通頻帶4.4.減小非線性失真和抑制干擾減小非線性失真和抑制干擾 負(fù)反饋對放大電路性能的影響與反饋負(fù)反饋對放大電路性能的影響與反饋深度有關(guān)深度有關(guān)252022-2-135.5.負(fù)反饋的應(yīng)用

15、原則負(fù)反饋的應(yīng)用原則（1 1）若要穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，應(yīng)引）若要穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，應(yīng)引 入直流負(fù)反饋，若需改變其動(dòng)態(tài)性能入直流負(fù)反饋，若需改變其動(dòng)態(tài)性能 指標(biāo)，應(yīng)引入交流負(fù)反饋。指標(biāo)，應(yīng)引入交流負(fù)反饋。（2 2）若要穩(wěn)定輸出電壓，應(yīng)引入電壓負(fù)反）若要穩(wěn)定輸出電壓，應(yīng)引入電壓負(fù)反 饋，若要穩(wěn)定輸出電流，應(yīng)引入電流饋，若要穩(wěn)定輸出電流，應(yīng)引入電流 負(fù)反饋。負(fù)反饋。（3 3）若要提高輸入電阻，應(yīng)采用串聯(lián)負(fù)反）若要提高輸入電阻，應(yīng)采用串聯(lián)負(fù)反 饋，反之，引入并聯(lián)負(fù)反饋。饋，反之，引入并聯(lián)負(fù)反饋。（4 4）若要降低輸出電阻，應(yīng)采用電壓負(fù)反）若要降低輸出電阻，應(yīng)采用電壓負(fù)反 饋，反之，引入電流負(fù)

16、反饋。饋，反之，引入電流負(fù)反饋。262022-2-133.2.53.2.5集成放大器組成的三種基本實(shí)用放大器集成放大器組成的三種基本實(shí)用放大器1.1.反相比例放大器反相比例放大器反相比例放大反相比例放大272022-2-13 根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)可知：根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)可知：閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， , , 即即 ，該電路就成了反相器。，該電路就成了反相器。1FoRRuuAiuf1FRR iuuo1ufA282022-2-132.2.同相輸入比例運(yùn)算電路同相輸入比例運(yùn)算電路 Rp +uouiRFR1i1if同相比例放大同相比例放大 同

17、反相輸入比例運(yùn)算電路一樣根據(jù)運(yùn)放工同反相輸入比例運(yùn)算電路一樣根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的虛短和虛斷兩條分析依據(jù)，閉作在線性區(qū)的虛短和虛斷兩條分析依據(jù)，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：環(huán)電壓放大倍數(shù)為：1Fo1RRuuAiuf可見同相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍可見同相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)必定大于或等于數(shù)必定大于或等于1 1。302022-2-13電壓跟隨器：當(dāng)電壓跟隨器：當(dāng) 或或 時(shí)，時(shí)， 即即: :0fR1Riuuo1ufAui +uo電壓跟隨器電壓跟隨器312022-2-133.3.R2 +uoRFR1ui1ui2R3差分放大器差分放大器322022-2-13加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路若若 , ,則

18、：則：可見輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之間是一種反相輸可見輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之間是一種反相輸入加法運(yùn)算關(guān)系。入加法運(yùn)算關(guān)系。)(22F11FoiiuRRuRRuF21RRR)(21oiiuuu332022-2-13若：若： （斷開），則：（斷開），則： 若：若： ， 且且,則：則：若：若： ，則：，則：3R21F11Fo1iiuRRuRRu21RR F3RR )(121FoiiuuRRuF321RRRR12oiiuuu由此可見，輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比，由此可見，輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比，實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。（2 2）減法運(yùn)算電路）減法運(yùn)算電路342022-2-133

19、.3.13.3.1集成放大器在模擬運(yùn)算中的應(yīng)用集成放大器在模擬運(yùn)算中的應(yīng)用1.1.加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路（1 1）反相輸入加法）反相輸入加法運(yùn)算電路運(yùn)算電路: :2211ififouRRuRRu反相加法反相加法352022-2-13（2 2）同相輸入加法運(yùn)算電路）同相輸入加法運(yùn)算電路其中其中 ；21133iifouukRRRu2221RRRk2212RRRk同相加法同相加法362022-2-132.2.減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路第一級(jí)為反相放大器，第二級(jí)為反相輸入加法運(yùn)算第一級(jí)為反相放大器，第二級(jí)為反相輸入加法運(yùn)算電路。完成電路。完成ui2ui2與與ui1ui1的相減運(yùn)算。的相減運(yùn)算。2311

20、2122iffifouRRRRuRRu372022-2-13【】321o82010iiiuuuu382022-2-13解：由題中給出的運(yùn)算關(guān)系可知解：由題中給出的運(yùn)算關(guān)系可知u ui i3 3與與u uo o反反 相，相，而而u ui1i1和和u ui2i2與與u uo o同相，故可用反相加法運(yùn)算電同相，故可用反相加法運(yùn)算電路將路將u ui1i1和和u ui2i2相加后，其和再與相加后，其和再與u ui3i3反相相加，反相相加，從而可使從而可使u ui3i3反相一次，而反相一次，而u ui1i1和和u ui2i2反相兩次。反相兩次。根據(jù)以上分析，可畫出實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算的電路根據(jù)以上分析，可畫出實(shí)現(xiàn)

21、加減運(yùn)算的電路圖，如下圖所示。圖，如下圖所示。392022-2-13 ui2 R3 + + uo1 ui1 Rf1 R1 R2 R6 + + uo ui3 Rf2 R4 R5 A1 A2 完成例題函數(shù)關(guān)系的電路圖完成例題函數(shù)關(guān)系的電路圖402022-2-13 22f211f1o1iiuRRuRRu34f222f111f15f2o15f234f2iiiiuRRuRRuRRRRuRRuRR412022-2-13根據(jù)題中的運(yùn)算要求設(shè)置各電阻阻值間的比例關(guān)系：根據(jù)題中的運(yùn)算要求設(shè)置各電阻阻值間的比例關(guān)系： ， ， ， 15f2RR101f1RR202f1RR84f2RR422022-2-13各電阻的阻

22、值分別為：各電阻的阻值分別為：k 100f2f1RRk 101Rk 52Rk 5 .124Rk 1005R432022-2-13平衡電阻平衡電阻R R3 3、R R6 6的值分別為的值分別為：k 5 . 2100/5/10/f1213RRRRk 10100/100/5 .12/f2546RRRR442022-2-133.3.（1 1）積分運(yùn)算電路）積分運(yùn)算電路dtuRCui1o輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的積分成正比。輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的積分成正比。452022-2-13（2 2）微分運(yùn)算電路）微分運(yùn)算電路dtduRCRiRiuiCRoiCuiRP +CRiRuo輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的微

23、分成正比輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的微分成正比 。462022-2-13【例例2 2】利用積分電路將方波變成三角波時(shí)間常數(shù)利用積分電路將方波變成三角波時(shí)間常數(shù) t t = = R R1 1C Cf= 0.1 msf= 0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt472022-2-13設(shè)設(shè) uCuC(0) = 0(0) = 0tutd51.01o1.00ms1.05d) 5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0tut=5V= -5V482022-2-133.3.23.3.2集成放大器在信號(hào)測量中的應(yīng)用集成放大器在信號(hào)測量中的應(yīng)用 集成運(yùn)放具有靈敏度、準(zhǔn)確度高，集成運(yùn)放具有靈敏

24、度、準(zhǔn)確度高，線性好，輸入電阻高等特點(diǎn)被用在各種線性好，輸入電阻高等特點(diǎn)被用在各種信號(hào)測量電路中，由其在精密微信號(hào)測信號(hào)測量電路中，由其在精密微信號(hào)測量方面有廣泛的應(yīng)用。量方面有廣泛的應(yīng)用。492022-2-131 1直流電壓、電流、電阻測量：直流電壓直流電壓、電流、電阻測量：直流電壓 表、電流表、歐姆表表、電流表、歐姆表2. 2. 測量放大器：對微弱信號(hào)進(jìn)行放大測量放大器：對微弱信號(hào)進(jìn)行放大3. 3. 光電測量電路：將光電器件轉(zhuǎn)換的電信、光電測量電路：將光電器件轉(zhuǎn)換的電信、 號(hào)進(jìn)行放大號(hào)進(jìn)行放大4. 4. 溫度的測量：將溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電信溫度的測量：將溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電信 號(hào)進(jìn)行放大號(hào)進(jìn)行放大5. 5. 精密整流：將較小的整流信號(hào)放大。精密整流：將較小的整流信號(hào)放大。502022-2-133.43.4集成