16集成運算放大器

1、1第第1616章章 集成運算放大器集成運算放大器16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用16.3 16.3 運算放大器在信號處理方面的應用運算放大器在信號處理方面的應用216.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹1. 運放的電壓傳輸特性：運放的電壓傳輸特性：設：電源電壓設：電源電壓VCC=10V。 運放的運放的Aod=104Ui1mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當當Aod 時，線性區(qū)時，線性區(qū)0VVuuA+io+0uo

2、ui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui32.理想運算放大器：理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數開環(huán)電壓放大倍數 Aod=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 Ro=0為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：理想運放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負反饋！電路中有負反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（u+=u-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）3. 線性區(qū)線性區(qū)(放大區(qū)放大區(qū)

3、)uu+A+RiiRuu+ffoi1144. 非線性區(qū)（正、負飽和狀態(tài)）非線性區(qū)（正、負飽和狀態(tài)）運放工作在非線性區(qū)的條件：運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！電路開環(huán)工作或引入正反饋！運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui516.2.1 比例運算電路比例運算電路一一. 反相比例運算反相比例運算虛地點虛地點i1=if （虛斷）（虛斷）因為有負反饋，因為有負反饋，利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷u+ =0 u=u+=0（虛地）（虛地）反饋方式：反饋方式：電壓并聯負反饋電壓并聯負反饋uu

4、+A+RiiRuu+ffoi11電壓放大倍數電壓放大倍數:1fioRRuuAfo1iRuRu 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用6例題例題1. R1=10k , Rf=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo 、Ri。說明說明R0的作用，的作用， R0應為多大？應為多大？特點：特點：共模輸入電壓共模輸入電壓=0（u=u+=0）缺點：缺點：輸入電阻小（輸入電阻?。?Ri=R1） R0為平衡電阻為平衡電阻(使輸使輸入端對地的靜態(tài)電阻入端對地的靜態(tài)電阻相等相等):R0=R1/Rfuu+A+RiiRuu+ffoi110R210201fuRRAV2)

5、1)(2(iuouAu1iRR 7采用采用T型反饋網絡的反相比例電路型反饋網絡的反相比例電路目的：在高比例系數時，避免目的：在高比例系數時，避免R1阻阻值太小，使輸入電阻太小。值太小，使輸入電阻太小。112Ruiii 3322RiRi 又又1322323RuRRiRRii 44220RiRiu )/1(342142RRRRRRAu 分析：分析：u+=u-=0（虛短）（虛短） i1=i2 （虛斷）（虛斷）uu+A+oi1R2R4RR31ii24ii343221)(RiiRRui 4132121)(RRuRRRuRRuiii 8二二. 同相比例運算電路同相比例運算電路u-= u+= uii1=if

6、 （虛斷）虛斷）平衡電阻平衡電阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因為有負反饋，因為有負反饋，利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷反饋方式：反饋方式：電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri特點：特點：輸入電阻高輸入電阻高缺點：缺點：共模輸入電壓共模輸入電壓0（u=u+=ui）電壓放大倍數電壓放大倍數:1fio1RRuuA9Au=1三三.電壓跟隨器電壓跟隨器此電路是同相比此電路是同相比例運算的特殊情況，例運算的特殊情況，輸入電阻大，輸出輸入電阻大，輸出電阻小。電阻小。在電路中在電路中作用與分立元件的作用與分立元件的射極輸出器相同，射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能但是電壓跟

7、隨性能好。好。uuo+uA+uiui=u+= u-= uo因為有負反饋，因為有負反饋，利用虛短和虛斷：利用虛短和虛斷：101. 反相加法器：反相加法器：若若R1 =R2 =R, 平衡電阻平衡電阻R0= R1/ R2/Rf0 uui1 + i2= if16.2.2 加法運算電路加法運算電路uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11虛地虛地fo2i21i1RuRuRu )(i22fi11fouRRuRRu )(i2i1fouuRRu 112. 同相求和運算：同相求和運算：當當R1 = R2 = Rf = R時時, uuuuRi1RRf+i1A+ofiu+i2R12uu+A+ouu+f

8、ifRRRii112i2111i212)()(uRRRuRRRu of21i1i21212(1)()()uRRRuAuuuRRRRR 2ioi1uuu 同相比例運算同相比例運算: uRRu)1(fo1216.2.3 減法運算電路減法運算電路1、利用加法器和反相比例器、利用加法器和反相比例器)(OA2fi11fuRRuRRuo i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uO A/2R13疊加原理疊加原理2、差動減法器、差動減法器 ui1作用作用i11fuRRuo ui2作用作用i22331f)1(uRRRRRuo

9、 綜合：綜合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2uuuu3Rf+i1+12RRoARuuuR+ufA+o1RR2i2R+3uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo則有：則有：14Ruii 虛虛地地tiCuud1CCO 16.2.4 積分電路積分電路tuRCd1i uu+oiiAC+iR1RCuC15反相積分器：反相積分器：如果如果u i=直流電壓直流電壓,輸出將反相積分，經輸出將反相積分，經過一定的時間后輸出飽和。過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0-UomTM積分時間積分時

10、間設設Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1 FtuRCud1io tuRCi1 求積到飽和值的時間：求積到飽和值的時間：MiOM1TuRCU s05. 0iOMM uRCUT16練習練習: : 畫出在給定輸入波形畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。作用下積分器的輸出波形。R=10K,C=100uFR=10K,C=100uFuu+oiA+iR1RCiCCutui0212345tuo0-2-4-6)0(d1)1(iooutuRCu tuRCi1 17應用舉例：應用舉例：輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu1816.2

11、.5 微分電路：微分電路：u-= u+= 0Riu OdtduCiiC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiC19)90sin( tRC tRCuo cos tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio 90uuo1CRAi+R+iiC205、在圖（、在圖（a）所示電路中，已知輸入電壓）所示電路中，已知輸入電壓uI的波形的波形如圖（如圖（b）所示，當）所示，當t0時時uO0。試畫出輸出電壓。試畫出輸出電壓uO的波形。的波形。21若若t0時時uO0，則，則t5ms時時uO10055103V2.5V。當當t15mS時時uO100(5)10103（2.5）V

12、2.5V。22因此輸出波形如圖所示因此輸出波形如圖所示236 6、電路如圖、電路如圖, ,由理想運放組成求和積分器由理想運放組成求和積分器, ,相應兩相應兩個輸入信號波形如圖。設運放最大輸入電壓個輸入信號波形如圖。設運放最大輸入電壓Vom=Vom=10V,10V,寫出輸出關系式寫出輸出關系式o=f(o=f(i1,i1,i2)i2)，并畫出輸出波形。并畫出輸出波形。 241. 1. 運放工作在非線性狀態(tài)運放工作在非線性狀態(tài)電路開環(huán)或引入正反饋。電路開環(huán)或引入正反饋。2. 2. 運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法： 若若U+U- 則則UO=+UOM； 若若U+U- 則則

13、UO=-UOM。 虛斷（運放輸入端電流虛斷（運放輸入端電流=0） 注意：此時不能用虛短！注意：此時不能用虛短！uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOM16.3.3 16.3.3 比較器比較器25uoui0+UOM-UOM1. 過零比較器過零比較器: （門限電平（門限電平=0）uoui0+UOM-UOM一一. .單門限電壓比較器單門限電壓比較器uuu-+ui+OA+uu-u+iOu+A26tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)檩^器將正弦波變?yōu)榉讲?。方波。uuu-+ui+OA+272. 單門限比較器（與參考電壓比較）單門限比較器（與參考電壓比較）uou

14、i0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓為參考電壓當當ui UREF時時 , uo = +Uom當當ui UREF時時 , uo = -Uom 運放處于運放處于開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài)uuU+i-uuAOREF28uoui0+Uom-UomUREF當當ui UREF時時 , uo = -Uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入uuu-+ui+OA+UREF29uoui0+UZ-UZ（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了忽略了UD3. 限幅電路限幅電路使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值uuZ+O+-AuZ+DuRi當當ui 0時時 , uo = +UZ當當ui 0

15、時時 , uo = -UZ當當ui 0時時 , uo = +UZ 31二二. 遲滯比較器遲滯比較器1.工作原理工作原理兩個門限電壓。兩個門限電壓。特點特點:電路中使用正反饋電路中使用正反饋運放工作在非線性區(qū)。運放工作在非線性區(qū)。（1）當）當uo =+UZ時，時，（2）當）當uo =-UZ時，時，REFZURRRURRRUu2ff2f2T REFZURRRURRRUuf2ff22T UT+稱上門限電壓稱上門限電壓UT-稱下門限電壓稱下門限電壓UT+- UT-稱為回差電壓稱為回差電壓uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R232遲滯比較器的電壓傳輸特性：遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設設ui , 當當ui = UT+時時, uo從從+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R233例題：例題：R