《電工與電子學》課件：第5章集成運算放大器第3版

1、第第5 5章章 集成運算放大器集成運算放大器5.1 5.1 集成運放的基本組成集成運放的基本組成5.2 5.2 集成運放的基本特性集成運放的基本特性5.3 5.3 放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋5.4 5.4 集成運放在模擬信號運算方面的應用集成運放在模擬信號運算方面的應用5.5 5.5 集成運放在幅值比較方面的應用集成運放在幅值比較方面的應用* *5.6 5.6 應用舉例應用舉例5.1 5.1 集成運放的基本組成集成運放的基本組成5.1.1 5.1.1 概述概述5.1.2 5.1.2 集成運放的輸入級電路集成運放的輸入級電路差分放大差分放大 電路電路5.1.3 5.1.3 集成運放的輸

2、出級電路集成運放的輸出級電路互補對稱互補對稱 電路電路5.1.4 5.1.4 集成運放的圖形符號和信號輸入方式集成運放的圖形符號和信號輸入方式5.1.1 5.1.1 概述概述 集成運放是一種具有很高的電壓放大倍數(shù)，集成運放是一種具有很高的電壓放大倍數(shù)，性能優(yōu)越，集成化的多級放大器。性能優(yōu)越，集成化的多級放大器。類型：通用型、專用型類型：通用型、專用型集成運放的基本組成框圖集成運放的基本組成框圖 o 輸入級輸入級o 中間級中間級o 輸出級輸出級o 偏置電路偏置電路多級放大器的耦合方式：多級放大器的耦合方式：阻容耦合阻容耦合直接耦合直接耦合變壓器耦合變壓器耦合5.1.2 5.1.2 集成運放的輸入

3、級電路集成運放的輸入級電路 差分放大電路差分放大電路電路特點：對稱；雙湍輸電路特點：對稱；雙湍輸 入，雙湍輸出。入，雙湍輸出。1.1.靜態(tài)分析靜態(tài)分析120iiuu12,BBII12,CCII12CCuu120oCCuuu溫度變化引起的漂移溫度變化引起的漂移 12,BBii12,CCii12CCuu120oCCuuu2.2.動態(tài)分析動態(tài)分析o 差模信號輸入差模信號輸入差模信號差模信號 12,iiuu 大小相同，極性相反。大小相同，極性相反。 12iiuu與111222,ibcibcuiiuii、11bcii、分別與分別與22bcii、大小相同，方向相反大小相同，方向相反 ；12oouu與大小相

4、同，極性相反。大小相同，極性相反。12ooouuu故 ，有輸出電壓，具有放大作用。有輸出電壓，具有放大作用。記差模放大倍數(shù)為記差模放大倍數(shù)為dAo 共模信號輸入共模信號輸入共模信號共模信號 12iiuu12iiuu與大小和極性均相同。大小和極性均相同。 理想情況理想情況電路完全對稱電路完全對稱0ou 無放大作用無放大作用 實際電路，實際電路，0,ou 但很小。但很小。 cA共模抑制比共模抑制比 1dCMRcAKA記共模放大倍數(shù)為記共模放大倍數(shù)為 o 雙端輸入，雙端輸出；雙端輸入，雙端輸出；o 雙端輸入，單端輸出；雙端輸入，單端輸出；o 單端輸入，雙端輸出；單端輸入，雙端輸出；o 單端輸入，單端

5、輸出。單端輸入，單端輸出。差分放大電路的輸入差分放大電路的輸入輸出方式：輸出方式：5.1.3 5.1.3 集成運放的輸出級電路集成運放的輸出級電路 互補對稱電路互補對稱電路靜態(tài)時，靜態(tài)時，0EUiu1T動態(tài)時，在動態(tài)時，在正半周，正半周， 導通，導通，21TT導通、截止，電流回路：電流回路： 1CCLoUTRu正半周正半周 在在 負半周，負半周，iu2T 截止，電流回路：電流回路： 2CCLoURTu負半周負半周5.1.4 5.1.4 集成運放的圖形符號和信號輸入方式集成運放的圖形符號和信號輸入方式o 圖形符號圖形符號 ININOUT反相輸入端反相輸入端 同相輸入端同相輸入端 輸出端輸出端信號

6、傳遞方向信號傳遞方向輸入端輸入端輸出端輸出端o 信號輸入方式：信號輸入方式： 反相輸入方式；反相輸入方式；同相輸入方式；同相輸入方式；差分輸入方式。差分輸入方式。5.2 5.2 集成運放的基本特性集成運放的基本特性5.2.1 5.2.1 集成運放的主要參數(shù)集成運放的主要參數(shù)5.2.2 5.2.2 集成運放的電壓傳輸特性和電路模型集成運放的電壓傳輸特性和電路模型5.2.3 5.2.3 集成運放的理想特性集成運放的理想特性5.2.1 5.2.1 集成運放的主要參數(shù)集成運放的主要參數(shù) 1. 1.輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 2. 2.輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 3. 3.輸入輸入偏置電流偏置電流 4. 4

7、.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) 5. 5.最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 6. 6.最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 9.9.共模抑制比共模抑制比 7. 7.最大輸出電壓最大輸出電壓 8. 8.最大輸出電流最大輸出電流 10.10.輸入電阻輸入電阻11.11.輸出電阻輸出電阻 12.12.電源電壓電源電壓 IOuIOIOAIBImaxidUmaxicUmaxoImaxoUCMRKirorCCU5.2.2 5.2.2 集成運放的電壓傳輸特性和電路模型集成運放的電壓傳輸特性和電路模型o 電壓傳輸特性電壓傳輸特性()oiuf u()iuuu線性區(qū)：線性區(qū)：00()oiuAuA uu0A

8、()iiuu即極小。因因很大，故線性區(qū)很窄，很大，故線性區(qū)很窄，飽和區(qū)：飽和區(qū)： ,iioouUuU,iioouUuU正飽和正飽和負飽和負飽和 線性工作區(qū)模型線性工作區(qū)模型o 電路模型電路模型 iu,ou輸入電壓輸入電壓控制輸出電壓控制輸出電壓即為電壓控制電壓源的模型。即為電壓控制電壓源的模型。 5.2.3 5.2.3 集成運放的理想特性集成運放的理想特性o 理想化參數(shù)：理想化參數(shù)：開環(huán)電壓增益開環(huán)電壓增益 輸入電阻輸入電阻 輸出電阻輸出電阻 共模抑制比共模抑制比 0A ir 0or CMRKo 線性區(qū)工作的兩個重要特性：線性區(qū)工作的兩個重要特性：uu0iio 理想的電壓傳輸特性理想的電壓傳輸

9、特性uuuu正飽和正飽和負飽和負飽和o 集成運放工作狀態(tài)的判斷集成運放工作狀態(tài)的判斷開環(huán)工作開環(huán)工作 飽和區(qū)飽和區(qū)閉環(huán)正反饋閉環(huán)正反饋 飽和區(qū)飽和區(qū)閉環(huán)負反饋閉環(huán)負反饋 線性區(qū)線性區(qū)5.3 5.3 放大電路中的負反饋放大電路中的負反饋5.3.1 5.3.1 反饋的基本概念反饋的基本概念5.3.2 5.3.2 負反饋的四種類型負反饋的四種類型5.3.3 5.3.3 負反饋對放大電路性能的影響負反饋對放大電路性能的影響5.3.1 5.3.1 反饋的基本概念反饋的基本概念反饋反饋將電路的輸出信號（電壓和電流）的一部將電路的輸出信號（電壓和電流）的一部 分或全部通過一定的電路（反饋電路）送分或全部通過

10、一定的電路（反饋電路）送 回至電路的輸入回路。回至電路的輸入回路。 負反饋負反饋反饋信號反饋信號 fx與輸入信號與輸入信號 ix極性相反極性相反 正反饋正反饋反饋信號反饋信號 fx與輸入信號與輸入信號 ix極性相同極性相同 負反饋用于放大電路，正反饋用于振蕩電路。負反饋用于放大電路，正反饋用于振蕩電路。對于負反饋對于負反饋difxxx反饋系數(shù)反饋系數(shù) foxFx開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù) 0odxAx00(1)idfdodddxxxxFxxFA xxFA閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù) 0000(1)1odfidxA xAAxxFAFA011FA（深度負反饋深度負反饋） 000011fAAAFAFAF當

11、當 dxixfxox0AF5.3.2 5.3.2 負反饋的四種類型負反饋的四種類型o 按輸入回路連接方式：按輸入回路連接方式： 串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋輸入量反饋量凈輸入量輸入量反饋量凈輸入量 以電壓形式比較以電壓形式比較 difUUU并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋輸入量反饋量凈輸入量輸入量反饋量凈輸入量以電流形式比較以電流形式比較 difIIIo 按輸出回路連接方式：按輸出回路連接方式： 電壓反饋電壓反饋 反饋量取決于輸出電壓反饋量取決于輸出電壓 電流反饋電流反饋 反饋量取決于輸出電流反饋量取決于輸出電流四種類型：四種類型： 電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋 電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋

12、電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋1.1.電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋如何判定圖中各電壓極性？用瞬時極性法判定！用瞬時極性法判定！輸入回路輸入回路 difuuu反饋電壓反饋電壓 fofRuuRR2.2.電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋 如何判定圖中各電流方向？輸入回路輸入回路 difiii反饋電流反饋電流 foLRiiRR3.3.電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋 各電流方向如圖各電流方向如圖輸入回路輸入回路 difiii反饋電流反饋電流 offuuiR4.4.電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋 各電壓極性如圖各電壓極性如圖 輸入回路輸入回路 difuuu反饋電壓反饋電壓 fouRi5.3.3 5.3.3 負反饋對

13、放大電路性能的影響負反饋對放大電路性能的影響1.1.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性在深度負反饋下在深度負反饋下0011fAAFAF0022000(1)1(1)(1)fdAFAFAdAFAFA00011ffdAdAAFAAffdAA表示閉環(huán)放大倍數(shù)相對變化量表示閉環(huán)放大倍數(shù)相對變化量 00dAA表示開環(huán)放大倍數(shù)相對變化量表示開環(huán)放大倍數(shù)相對變化量 00ffdAdAAA閉環(huán)放大倍數(shù)穩(wěn)定性高閉環(huán)放大倍數(shù)穩(wěn)定性高 即即 2.2.減小非線性失真減小非線性失真 無負反饋無負反饋 有負反饋有負反饋 3.3.擴展通頻帶擴展通頻帶 4.4.改變輸入電阻和輸出電阻改變輸入電阻和輸出電阻串聯(lián)反饋使輸入電阻

14、增大串聯(lián)反饋使輸入電阻增大 并聯(lián)反饋使輸入電阻減小并聯(lián)反饋使輸入電阻減小 電壓反饋使輸出電阻減小電壓反饋使輸出電阻減小 電流反饋使輸出電阻增大電流反饋使輸出電阻增大hfhff 例題例題 在圖示電壓串聯(lián)負反饋電路中，設在圖示電壓串聯(lián)負反饋電路中，設100,10,fbRKRRK負載電阻負載電阻 LR不接，輸入電壓不接，輸入電壓 為直流電壓為直流電壓0.1V0.1V，集成運放的，集成運放的 iu開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)010000A ，輸入電阻，輸入電阻 500irK，輸出電阻，輸出電阻 500or 。試用集成運放的電路模型求此電路的輸出電壓試用集成運放的電路模型求此電路的輸出電壓 ,ou閉

15、環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)電壓放大倍數(shù) fA 、輸入電阻輸入電阻 ifr和輸出電阻和輸出電阻 ofr 。 解解 集成運放用電路模型表示后，原電路可畫成右上圖集成運放用電路模型表示后，原電路可畫成右上圖所示的等效電路，據(jù)圖列出方程：所示的等效電路，據(jù)圖列出方程：000()()()RifbiiRifofRi iiiiRr iRiuRr iRiA uuA ri代入?yún)?shù)可解得電流：代入?yún)?shù)可解得電流：522.07109.999.99ifRifiAiAiiiA輸出電壓輸出電壓 01.099oifuA riV閉環(huán)電壓放大倍數(shù)閉環(huán)電壓放大倍數(shù) 10.99ofiuAu輸入電阻輸入電阻 為求輸出電阻，令為求輸出電阻，令

16、 453iifiurMi0iu 得圖得圖 012()()/ / ofibuA uuuiiirRrRR整理后代入?yún)?shù)得整理后代入?yún)?shù)得0.6ofuri可見，可見， 453500,0.6500ifioforMrKrr()iruu和均很小，（理想特性均很小，（理想特性 0,)iiuu。5.4 5.4 集成運放在模擬信號運算方面的應用集成運放在模擬信號運算方面的應用5.4.1 5.4.1 比例運算電路比例運算電路5.4.2 5.4.2 加、減運算電路加、減運算電路5.4.3 5.4.3 積分、微分運算電路積分、微分運算電路5.4.1 5.4.1 比例運算電路比例運算電路輸出電壓與輸入電壓成比例無系。輸

17、出電壓與輸入電壓成比例無系。oiuKu1.1.反相輸入比例運算電路反相輸入比例運算電路 電路構成負反饋，集成運放工作在線性區(qū)。0ii0buuR i反相輸入端非接地，但電位為地（零）電位 “虛地”1iifuuuiiRRfoffiRuR iuR fofiRuAuR fRR、的阻值一般取的阻值一般取 11kM。得得 即即 fRRoiuu 反相器反相器1,fA 電路的輸入電阻 iifiurRi平衡電阻 /bfRRR當當 2.2.同相輸入比例運算電路同相輸入比例運算電路 0ii iuuuifRuuiiRR(1)ffoffiiiRRuuR iuuuRR1fofiRuAuR即即 當當 0fRR 或1,fA

18、oiuu電壓跟隨器電壓跟隨器電路的輸入電阻電路的輸入電阻 iifiuri 集成運放承受的共模電壓集成運放承受的共模電壓 ciuuuu/bfRRR5.4.2 5.4.2 加、減運算電路加、減運算電路1. 1. 加法運算電路加法運算電路 根據(jù)根據(jù) 0,0iiuu得得 121212iifuuiiiRR1212()ffoffiiRRuR iuuRR 如取如取 12RRR12()foiiRuuuR 和放大和放大 12fRRR12()oiiuuu 加法運算加法運算 如取如取 2. 2. 減法運算電路減法運算電路3223iRuuuRR11111ffiofiRRuuuuRuuuRRR111(1)ffiRRuu

19、RR13211231ffiiRRRRuuRRRR常取常取 1234,RRRR則則 211()foiiRuuuR差分放大差分放大 當取當取 123fRRRR得得 21oiiuuu減法運算 集成運放承受的共模電壓集成運放承受的共模電壓3223ciRuuuuRR（此電路也可用疊加原理分析輸入、輸出關系）雙運放同相輸入減法運算電路雙運放同相輸入減法運算電路12112oiRRuuR用疊加原理分析輸入、輸出關系式：用疊加原理分析輸入、輸出關系式：當當1ou單獨作用時，單獨作用時， 221221111121(1)ooiiRRRRRuuuuRRRR 2iu單獨作用時，輸出電壓分量：單獨作用時，輸出電壓分量：

20、當當221(1)oiRuuR 輸出電壓分量：輸出電壓分量： 得得 2211(1)()oooiiRuuuuuR特點：輸入電阻大特點：輸入電阻大 例題例題5.4.2 5.4.2 圖示由差分輸入運算電路和電橋組成的測溫圖示由差分輸入運算電路和電橋組成的測溫電路。其中電路。其中 為熱敏電阻，設電阻溫度系數(shù)為熱敏電阻，設電阻溫度系數(shù) 在在 時的阻值時的阻值 為精密固定電阻，且為精密固定電阻，且 TR314 10 ()C0 C051R ；123RRR、和求當環(huán)境溫度求當環(huán)境溫度T T分別為分別為2525和和55時的輸出電壓時的輸出電壓12351RRR；4510RRk，67100RRk；10UV。試試 0u

21、 。 解解 在在2525時，時，TR的阻值為的阻值為 因因 4567RRRR、 、的阻值遠大于的阻值遠大于 23,RR、故0(1)TRT R3(14 1025) 5156.164()oabRuuuR100(54.762)2.3810V同理，在同理，在55時時3(14 105)5149.98TR51105.0515149.98buV100(55.051)0.5110ouV 2125110551 51aRuUVRR3351104.7625156.1bTRuUVRR5.4.3 5.4.3 積分、微分運算電路積分、微分運算電路1.1.積分運算電路積分運算電路 o 基本積分電路基本積分電路 0ii0uu

22、iCiuiiR設電容電壓初始值為設電容電壓初始值為 (0)Cu1(0)oCCCCuuuuui dtC 1(0)Ciui dtC 1(0)Ciuu dtRC 當當(0)0,Cu1oiuu dtRC 當輸入電壓為直流電壓時，當輸入電壓為直流電壓時，,iiuU即得ioUutR C 輸入、輸出電壓波形如圖輸入、輸出電壓波形如圖 o 比例積分電路比例積分電路 1()ofiiuR ii dtC 1()foiiRuuu dtRRC ,iiuU當（直流）得()fioiRUuUtRRC o 和積分電路和積分電路 1211()oCui dtiidtCC 12121()iiuudtCRR 12,RRR當當121()

23、oiiuuudtRC 積分電路可將矩形波電壓變換為三角波電壓。積分電路可將矩形波電壓變換為三角波電壓。 例題例題5.4.3 5.4.3 在圖示電路中，在圖示電路中，設設 儲儲能），儲儲能），100,Rk10CF（無初始（無初始0t 在,Iu時輸入電時輸入電壓壓其波形如圖所示。其波形如圖所示。 試寫出試寫出 05ts 期間輸出電壓期間輸出電壓ou的表達式，并畫出其波形圖。的表達式，并畫出其波形圖。 解解 101 ,1IIts uUV （）在，361( )100 1010 10IoUu ttttRC 1ts在時，時，(1 )1ousV。(2)13 ,1,IIts uUV在( )(1 )(1)Ioo

24、UutustRC1(1)2tt 3 ,ts在(3 )1ousV 。335 1 ,IItsuUV （）在，( )(3 )(3)IooUutustRC1(3)4tt 5ts在，(5 )1ousV。波形如圖。波形如圖。 ou 例題例題5.4.4 5.4.4 圖示電路中，集成運放的電源電圖示電路中，集成運放的電源電壓為壓為 15 ,V123410,20,100,fRRkRRkRk1,CF0t 在時加入時加入 120.6 ,0.5 ,iiuV uV電容無初始儲能。試求電容無初始儲能。試求 輸出電壓上升到輸出電壓上升到6V6V所需的時間。所需的時間。 解解 集成運放集成運放 1A等構成差值放大電路，等構成

25、差值放大電路， 2A等構成基本積分等構成基本積分電路。電路。131211231ffoiiRRRRuuuRRRR21120()(0.50.6)0.210fiiRuuVR 141oouudtR C 360.2210010110t6,ouV當當 6322outs2.2.微分運算電路微分運算電路0,fCuuiiofff CuR iR i Cfd uRCd t CiuuiofduuR Cdt 微分電路可將矩形波變換成正負尖脈沖波。微分電路可將矩形波變換成正負尖脈沖波。5.5 5.5 集成運放在幅值比較方面的應用集成運放在幅值比較方面的應用 5.5.1 5.5.1 開環(huán)工作的比較器開環(huán)工作的比較器 5.5

26、.2 5.5.2 滯回比較器滯回比較器5.5.1 5.5.1 開環(huán)工作的比較器開環(huán)工作的比較器1.1.反相輸入比較器反相輸入比較器 開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài)集成運放工作在非線性區(qū)。集成運放工作在非線性區(qū)。iu輸入電壓輸入電壓 RU參考電壓參考電壓 ,iRuU當當 運放正飽和，oOHuU,iRuU運放負飽和， oOLuU2.2.同相輸入比較器同相輸入比較器,iRuUoOLuU,iRuUoOHuU3.3.輸出加限幅電路的比較器輸出加限幅電路的比較器 4.4.過零比較器過零比較器 (0RU即）可將其它波形變換為矩形圖可將其它波形變換為矩形圖。如輸入為正弦波，輸出為方波。如輸入為正弦波，輸出為方波。 5.5.

27、2 5.5.2 滯回比較器滯回比較器集成運放同相輸入端電壓集成運放同相輸入端電壓 閉環(huán)正反饋閉環(huán)正反饋集成運放工作在非線性區(qū)集成運放工作在非線性區(qū)u由輸出電壓由輸出電壓 ou和參考電壓和參考電壓 RU共同確定。共同確定。222fRoffRRuUuRRRR設加電源后集成運放正飽和，設加電源后集成運放正飽和， ,oOHuU并設并設 0,RU222fHROHffRRuUUURRRR（正值）（正值） 加入加入 ,Iu當當 Iu增大至增大至 ,IHuU運放負飽和，運放負飽和，,oOLuU222fLROLffRRuUUURRRR當當 Iu減小至減小至 ,ILuU運放運放正飽和正飽和，oOHuU。0,RU2

28、22fROLffRRUURRRR當當 時的電壓傳輸特性如圖時的電壓傳輸特性如圖 。主要參數(shù)主要參數(shù)正向閾值電壓正向閾值電壓 THHUU負向閾值電壓負向閾值電壓 TLLUU滯回電壓（回差）滯回電壓（回差）TTHTLUUU滯回電壓滯回電壓 22()TOHOLfRUUURR改變改變 22fRRR值，可改變值，可改變 THTLTUUU、；改變改變 ,RU可使電壓傳輸特性左、右移動?？墒闺妷簜鬏斕匦宰蟆⒂乙苿?。 當當 0,RU如圖如圖 ：22THOHfRUURR22TLOLfRUURR22()TOHOLfRUUURR（正值正值） （負值負值） （不變不變） 例題例題5.5.1 5.5.1 分析圖示方波分析圖示方波- -三角波產(chǎn)生電路的工作原理。三角波產(chǎn)生電路的工作原理。 解解 電路由電電路由電壓壓比較器和基本積分電比較器和基本積分電路構成。集成運放路構成。集成運放 工作在非線性區(qū)，工作在非線性區(qū)， 工作在線性區(qū)。工作在線性區(qū)。1A2A 設加電源后，集成設加電源后，集成運放運放 正飽和，電容正飽和，電容C無初始儲能。則無初始儲能。則 1A1ozuU210551tZooUuu dttR CR C （下降）（下降） 集成運放集成運放 同相輸入端電壓同相輸入端電壓1A1221212HoZRRuuURRRR當當