第十六章電工學-集成運算放大器

1、電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)第十六章 集成運算放大器16.116.1 集成運放簡介集成運放簡介16.216.2 運放在信號運算方面的應(yīng)用運放在信號運算方面的應(yīng)用16.316.3 運放在信號處理方面的應(yīng)用運放在信號處理方面的應(yīng)用電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)16.116.1 集成運放簡介集成運放簡介一、運放構(gòu)成一、運放構(gòu)成輸入級中間級偏置 電路輸出級輸入端輸出端輸 入 級：由差放構(gòu)成由差放構(gòu)成。可減小零點漂移和抑制干擾。中 間 級：共射放大電路共射放大電路。用于電壓放大。輸 出 級：互補對稱電路互補對稱電路。降低輸出電阻，提高帶載 能力。偏置電路：由恒流源電路構(gòu)成。確定運放各級的靜

2、態(tài) 工作點。電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)二、運放特點二、運放特點 實際運放特點實際運放特點 開環(huán)電壓放大倍數(shù)高開環(huán)電壓放大倍數(shù)高(10(104 4-10-107 7) )； 輸入電阻高（約幾百輸入電阻高（約幾百KK）；）； 輸出電阻低（約幾百輸出電阻低（約幾百）；）； 漂移小、可靠性高、體積小、漂移小、可靠性高、體積小、 重量輕、價格低重量輕、價格低 。3 3）開環(huán)輸出電阻）開環(huán)輸出電阻 r ro o002 2）差模輸入電阻）差模輸入電阻 r ridid 4 4）共模抑制比）共模抑制比 K KCMRRCMRR 理想運放及其分析依據(jù)理想運放及其分析依據(jù) 理想化條件理想化條件：1 1）開環(huán)

3、電壓放大倍數(shù)）開環(huán)電壓放大倍數(shù) A Auouo +-u-u+uo理想運放電路模型電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ) 實際運放的參數(shù)指標很接實際運放的參數(shù)指標很接近理想化條件，故用理想運放近理想化條件，故用理想運放代替實際運放所引起的誤差并代替實際運放所引起的誤差并不嚴重，在工程上是允許的。不嚴重，在工程上是允許的。 右圖所示為運放輸入和輸右圖所示為運放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，出電壓的關(guān)系曲線，稱為傳輸稱為傳輸特性特性。從圖中看到，實際運放。從圖中看到，實際運放的傳輸特性與理想運放比較接的傳輸特性與理想運放比較接近。近。o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性理想特性u+ - u-運算放大

4、器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)虛斷虛斷虛短虛短線性區(qū)線性區(qū)： u uo o=A=Auouo(u(u+ +-u-u- -) )r rid id ，故，故兩輸入端的輸入電流為零。 A Auouo ，u uo o為有限值，為有限值，故故 u u+ +-u-u- -=u=uo o/A/Auouo0 0 即即 u u+ + u u- -分析依據(jù)分析依據(jù)當有信號輸入時當有信號輸入時，如同相端，如同相端接地，即接地，即u u+ +=0 =0 則則 u u- - 0 0電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)飽和區(qū)：飽和區(qū)： uoAuo(u+-u-) 當當u+ u- 時時,u

5、o=+uo(sat) 當當u+ u- 時時,uo=-uo(sat) 但兩輸入端的輸入電流仍為零但兩輸入端的輸入電流仍為零。o+Uo(sat)-Uo(sat)實際特性u+ - u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ) 運放能完成信號的代數(shù)運算有：運放能完成信號的代數(shù)運算有：比例、加減、積比例、加減、積分分與與微分微分等簡單運算，還能完成等簡單運算，還能完成對數(shù)對數(shù)與與反對數(shù)反對數(shù)以及以及乘乘除除等復雜運算。它們都是線性范圍內(nèi)的運算，都適用等復雜運算。它們都是線性范圍內(nèi)的運算，都適用疊加原理疊加原理。16.216.2 運放在信號運算方面的應(yīng)用運放在信號運算方面的應(yīng)用 在討論運放的

6、運算功能之前，要弄清幾個問題：在討論運放的運算功能之前，要弄清幾個問題：如如何保證運放工作在線性區(qū)何保證運放工作在線性區(qū) ? ? 我們還知道：負反饋能減小放大倍數(shù)，且反饋愈深我們還知道：負反饋能減小放大倍數(shù)，且反饋愈深作用愈明顯；加上負反饋還可在其它方面改善放大電路作用愈明顯；加上負反饋還可在其它方面改善放大電路的性能，所以的性能，所以解決之道是：解決之道是：在電路中引入深度負反饋在電路中引入深度負反饋。電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)uou-u+ +- 下面的問題是從輸出端將反饋引到同相端還是反相端 ？ 答案是：答案是： 引回到反相端引回到反相端Z一、比例運算一、比例運算 1 1、反相輸

7、入比例運算、反相輸入比例運算 Rf 反饋電阻；反饋電阻； R2 平衡電阻，用于消除靜態(tài)平衡電阻，用于消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響?；鶚O電流對輸出電壓的影響。 R2= = R1Rf 由KCLKCL、KVLKVL和運放工作在線性區(qū)運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)分析依據(jù)： 1fii0uu111iiuuuiRRfFFoouuuiRR i1uiuo +-ifR1R2Rf及電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)o1FiRuuR 由此得：由此得： 1oFufiuRAuR 說明：說明：1 1、式中的負號表示輸出與輸入反相，因此又把反相輸入的、式中的負號表示輸出與輸入反相，因此又把反相輸入的比例運算電路稱為比例運

8、算電路稱為反相器反相器；2 2、如、如R R1 1和和R RF F的阻值足夠精確，而運放的開環(huán)放大倍數(shù)很高，的阻值足夠精確，而運放的開環(huán)放大倍數(shù)很高，就可以認為輸出與輸入信號的關(guān)系只取決于兩電阻的比值，就可以認為輸出與輸入信號的關(guān)系只取決于兩電阻的比值，而與運放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，保證了比例運算的精度而與運放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，保證了比例運算的精度和穩(wěn)定性（深度負反饋）。和穩(wěn)定性（深度負反饋）。 反饋類型：反饋類型： 深度并聯(lián)電壓負反饋深度并聯(lián)電壓負反饋 電路阻抗特征：電路阻抗特征：輸入電阻不高，輸出電阻很低。電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)i1uiuo +-ifR1R2Rf2 2、同

9、相輸入比例運算、同相輸入比例運算1fiiiuuu及111RuRuii有FFfRuuRuuioioo1(1)FiRuuR11oFufiuRAuR 反饋類型：反饋類型： 深度串聯(lián)電壓負反饋串聯(lián)電壓負反饋 得得電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)二、加法運算二、加法運算 i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路 在反相端輸入若干路信號，在反相端輸入若干路信號，構(gòu)成反相加法運算電路構(gòu)成反相加法運算電路 f111213iiiio123111213()FFFiiiRRRuuuuRRR ofFuiR 11111iuiR21212iuiR31313iuiR由此得11

10、12131RRRR當當時，時，1FRR再若再若，則則o1231()FiiiRuuuuR o123()iiiuuuu 電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)ui1uo +-R3R2RFi1R1減法電路ifui2三、減法運算三、減法運算 當兩個輸入端都有信號輸當兩個輸入端都有信號輸入時，即為差動輸入，可進行減入時，即為差動輸入，可進行減法運算法運算 1-111111ioiiFuuuui RuRRR3o211231(1)FFiiRRRuuuRRRR2-323iuuRRR123FRRRRo211()FiiRuuuR12i1oFuiuRARuu 由于電路存在共模電壓，為了由于電路存在共模電壓，為了保證運算

11、精度，應(yīng)當選用共模抑制保證運算精度，應(yīng)當選用共模抑制比較高的運算放大器。比較高的運算放大器。 電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)四、積分運算四、積分運算 oc111fiFFuui dtu dtCRC -0u ui1uo +-R2CFi1R1積分電路ifuci1f1uiiR當輸入信號為階躍電壓時，當輸入信號為階躍電壓時，o1iFUutRC uiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ) 右圖是在控制和測量系統(tǒng)中常用右圖是在控制和測量系統(tǒng)中常用的比例的比例- -積分調(diào)節(jié)器（積分調(diào)節(jié)器（PIPI調(diào)節(jié)器）：調(diào)節(jié)器）：o111()FiiFRuuu dtRRC ui

12、1uo +-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF 可視為反相比例運算反相比例運算和積分運積分運算算的疊加。 與以前學過的RC積分電路相比，運放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。這是因為充電電流基本恒定。f11iUiiR電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)五、微分運算五、微分運算 ui1uo +-R2C1i1微分電路ifucRF微分運算是積分的逆運算，微分運算是積分的逆運算，ci111duduiCCdtdt 當輸入信號為階躍電壓當輸入信號為階躍電壓時，輸出為尖脈沖電壓。微分時，輸出為尖脈沖電壓。微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。電路穩(wěn)定性不高，用得較少。( (波形如右圖波形如右圖) )o

13、f11iFFFduui Ri RR Cdt uiUuooottui1uo +-R2C1icPD調(diào)節(jié)器iRRF 右圖是在控制系統(tǒng)中使調(diào)右圖是在控制系統(tǒng)中使調(diào)節(jié)過程加速的比例節(jié)過程加速的比例微分調(diào)節(jié)器微分調(diào)節(jié)器（PDPD調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器）。電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ) 運放除了能完成信號的運算，還能完成信號濾波、運放除了能完成信號的運算，還能完成信號濾波、采樣保持及比較等處理工作。采樣保持及比較等處理工作。16.316.3 運放在信號處理方面的應(yīng)用運放在信號處理方面的應(yīng)用一、有源濾波器有源濾波器 濾波器是一種選頻電路選出有用信號，而抑制無用信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減?。欢?/p>

14、在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減大。按選擇頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。 將由RC組成的無源濾波器再接到運算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運放是有源器件），性能會得到較大的改善：體積小、效率高、頻率特性好等。電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)uiuo +-RC有源低通濾波器ucRFR1如圖為有源低通濾波器。如圖為有源低通濾波器。11icUUUj CRj C1iUj RC1(1)FoRUUR1101/1/11/oFFufiRRRRUAj RCjU 00112fRCRC或ufA0ufA02ufAo0 幅頻特性20111/ufFRRA 電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)

15、基礎(chǔ)011FufRAR 01122FufufRARA0ufA0ufA02ufAo0幅頻特性當當0稱為剪切頻率電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)二、采樣保持電路 當輸入信號變化較快時要求輸出信號能快速而準確地跟隨輸入信號的變化進行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計算機和程序控制等裝置中。uiuo +-RC采樣保持電路ucR1S控制信號ououi采采樣樣 保保持持t輸入輸出波形電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)三、電壓比較器uRuo +-R2電壓比較器R1ui 運放工作于開環(huán)狀態(tài)，運放工作于開環(huán)狀態(tài)，u uR R是參是參考電壓，當輸入與參考電壓有微小考電壓，當輸入與參考電壓有微小差值時，輸出信號便會達到飽和，差值時，輸出信號便會達到飽和，即運放工作于非線性即運放工作于非線性飽和區(qū)。飽和區(qū)。 參考電壓等于零時，稱為過零參考電壓等于零時，稱為過零比較器。比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性uouiuR電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸