第3章集成運(yùn)算放大器3.1

1、 第第3章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 3.1 集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介 3.2 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用集成運(yùn)放的線性應(yīng)用 3.3 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用 3.4 集成運(yùn)放組成的信號(hào)發(fā)生器集成運(yùn)放組成的信號(hào)發(fā)生器 3.5 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 3.6 集成運(yùn)放使用常識(shí)集成運(yùn)放使用常識(shí) 3.1 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn) （1）集成運(yùn)放的基本特性，虛短、虛斷的概念。）集成運(yùn)放的基本特性，虛短、虛斷的概念。 （2）反饋的概念及反饋類型的判定。）反饋的概念及反饋類型的判定。 技能點(diǎn)技能點(diǎn) 掌握集成運(yùn)放兩種工作狀態(tài)的判斷。掌握集成運(yùn)放兩種工作狀態(tài)的

2、判斷。 3.1.1 概述概述 1、集成運(yùn)放的外形與符號(hào)、集成運(yùn)放的外形與符號(hào) 常見集成運(yùn)放的外形多為金封圓殼式和塑封雙列直插式兩種常見集成運(yùn)放的外形多為金封圓殼式和塑封雙列直插式兩種類型。類型。 目前廣泛目前廣泛應(yīng)用的主要是雙列直插式，根據(jù)其內(nèi)部所包含的運(yùn)放的個(gè)數(shù)，應(yīng)用的主要是雙列直插式，根據(jù)其內(nèi)部所包含的運(yùn)放的個(gè)數(shù)，又分為單運(yùn)放、雙運(yùn)放以及四運(yùn)放等形式。又分為單運(yùn)放、雙運(yùn)放以及四運(yùn)放等形式。 a) 圓形封裝圓形封裝 b) 雙列直插式雙列直插式 c) LM324的引腳及功能的引腳及功能圖圖3-1 集成運(yùn)放的外形、引腳排序及功能集成運(yùn)放的外形、引腳排序及功能 除了電源端外，每個(gè)單元電路都有除了電

3、源端外，每個(gè)單元電路都有同相輸入端同相輸入端u+（簡(jiǎn)稱同（簡(jiǎn)稱同相端）、相端）、反相輸入端反相輸入端u-（簡(jiǎn)稱反相端）與（簡(jiǎn)稱反相端）與信號(hào)輸出端信號(hào)輸出端uo三個(gè)端口。三個(gè)端口。a) 新符號(hào)新符號(hào) b) 舊符號(hào)舊符號(hào)圖圖3-2 集成運(yùn)放的符號(hào)集成運(yùn)放的符號(hào) 從外部功能來(lái)看，從外部功能來(lái)看，集成運(yùn)放集成運(yùn)放可以簡(jiǎn)單地可以簡(jiǎn)單地等效為等效為一個(gè)高性能的一個(gè)高性能的電壓放大電壓放大器器，相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的器件。，相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的器件。 在將其應(yīng)用于實(shí)際電路的過(guò)程中，只需掌握其外部特性，不必考慮芯片在將其應(yīng)用于實(shí)際電路的過(guò)程中，只需掌握其外部特性，不必考慮芯片內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 3.1.

4、2 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器 1、理想運(yùn)放的性能指標(biāo)、理想運(yùn)放的性能指標(biāo) 所謂理想運(yùn)算放大器，是指其具有以下主要的所謂理想運(yùn)算放大器，是指其具有以下主要的性能指標(biāo)：性能指標(biāo)： （1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aud = ； （2）輸入電阻）輸入電阻rid = ； （3）輸出電阻）輸出電阻rod = 0。 此外，其它的性能也認(rèn)為是理想化的。此外，其它的性能也認(rèn)為是理想化的。 盡管理想運(yùn)放實(shí)際上并不存在，但盡管理想運(yùn)放實(shí)際上并不存在，但由于集成運(yùn)放制造工由于集成運(yùn)放制造工藝的不斷改進(jìn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)不斷提高，故一般在藝的不斷改進(jìn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)不斷提高，故一般在分析分析集成運(yùn)放的應(yīng)用電

5、路時(shí)集成運(yùn)放的應(yīng)用電路時(shí)，將實(shí)際的集成運(yùn)放理想化將實(shí)際的集成運(yùn)放理想化所造成所造成的誤差極小，在工程估算、分析中是的誤差極小，在工程估算、分析中是允許允許的。的。 2、集成運(yùn)放的傳輸特性集成運(yùn)放的傳輸特性 （1）線性區(qū)）線性區(qū) 曲線上升部分的斜率：曲線上升部分的斜率：運(yùn)放的開環(huán)電運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)壓放大倍數(shù)Aud。 在虛線所包括的輸入信號(hào)范圍內(nèi)，運(yùn)放在虛線所包括的輸入信號(hào)范圍內(nèi)，運(yùn)放的輸出電壓通?？杀硎緸榈妮敵鲭妷和ǔ？杀硎緸?uo =Aud ( u+u-） =Auduid， uo與與uid成線性放大關(guān)系。成線性放大關(guān)系。非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)0+UomUomuouid圖圖3-4 集成運(yùn)放

6、的傳輸特性集成運(yùn)放的傳輸特性 （2）非線性區(qū)）非線性區(qū) 在虛線框以外所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)區(qū)域。在虛線框以外所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)區(qū)域。 輸出電壓僅為輸出電壓僅為Uom或或-Uom（近似為正、（近似為正、負(fù)電源的電壓值），且不隨輸入信號(hào)而負(fù)電源的電壓值），且不隨輸入信號(hào)而改變，即改變，即uo與與ui 為非線性關(guān)系。為非線性關(guān)系。通常通常Aud非常高，可達(dá)幾十萬(wàn)倍非常高，可達(dá)幾十萬(wàn)倍 電壓傳輸特性中的線性區(qū)電壓傳輸特性中的線性區(qū)非常窄。非常窄。電路引入負(fù)反饋電路引入負(fù)反饋 運(yùn)放運(yùn)放開環(huán)開環(huán)或電路中或電路中引入引入正反饋正反饋3、集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)、集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)以以通用型集成運(yùn)放通用型集

7、成運(yùn)放F741為例。為例。例：已知例：已知F741開環(huán)電壓增益的典型值開環(huán)電壓增益的典型值A(chǔ)ud =200000（倍），差模（倍），差模輸入電阻為輸入電阻為rid =2M，若輸出電壓的最大峰值為，若輸出電壓的最大峰值為 uo =12V（設(shè)所用的電源為（設(shè)所用的電源為12V），試求），試求 1）輸入電壓）輸入電壓( u+u-）的最大值；）的最大值；2）輸入電流）輸入電流i+（i-）的最大值。）的最大值。 解：運(yùn)放工作在線性區(qū)，則有解：運(yùn)放工作在線性區(qū)，則有uo =Auduid = Aud（u+u-），由此），由此可得可得 1）( u+u-）= uo / Aud =12V/ 200000 =0.0

8、6mV； 2）i+ = ( u+u-）/ rid = 0.06mV/2M =0.06mV/2000000=0.03A 。 計(jì)算表明，計(jì)算表明，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有 u+u-0，u+u-；i+ =i-0。 集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)重要概念：集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)重要概念： （1）集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的電壓近似相等，理想化時(shí)可以）集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的電壓近似相等，理想化時(shí)可以認(rèn)為認(rèn)為u+ =u-，即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端為等電位，可視為短路，稱，即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端為等電位，可視為短路，稱之為之為“虛短虛短”。 （2）集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的輸入電流近似為）集成運(yùn)放兩個(gè)

9、輸入端的輸入電流近似為0，理想化時(shí)可以，理想化時(shí)可以認(rèn)為認(rèn)為i+ =i- =0，無(wú)電流輸入運(yùn)放，即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端相當(dāng)于，無(wú)電流輸入運(yùn)放，即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端相當(dāng)于斷路，稱之為斷路，稱之為“虛斷虛斷”。 在實(shí)際應(yīng)用電路中，要輸入幾乎為在實(shí)際應(yīng)用電路中，要輸入幾乎為0的的信號(hào)是不現(xiàn)實(shí)的，所以，實(shí)現(xiàn)運(yùn)放工作在線信號(hào)是不現(xiàn)實(shí)的，所以，實(shí)現(xiàn)運(yùn)放工作在線性區(qū)的必要條件是在電路中引入性區(qū)的必要條件是在電路中引入深度的負(fù)反深度的負(fù)反饋。饋。 4、集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)、集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn) （1）輸出電壓只有正向飽和電壓）輸出電壓只有正向飽和電壓+Uom和負(fù)向飽和電壓和負(fù)向飽和電壓-Uom兩兩種

10、狀態(tài)，即種狀態(tài)，即 uo =+Uom （u+ u- ）；）； uo =-Uom （u+ u- ）。）。 （2）由于集成運(yùn)放的輸入電阻極大（理想時(shí)）由于集成運(yùn)放的輸入電阻極大（理想時(shí)rid = ），故輸入），故輸入端電流端電流i+ =i-0。即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端仍然是。即運(yùn)放的兩個(gè)輸入端仍然是“虛斷虛斷”。 由于集成運(yùn)放的開環(huán)極大（理想時(shí)由于集成運(yùn)放的開環(huán)極大（理想時(shí)Aud = ），極小的輸入），極小的輸入信號(hào)即可使輸出信號(hào)為信號(hào)即可使輸出信號(hào)為+Uom或或-Uom，故，故集成運(yùn)放處于開環(huán)集成運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋時(shí)，工作在非線性工作區(qū)?；蛘答仌r(shí)，工作在非線性工作區(qū)。反饋的基本概念反饋的基本概念反

11、饋：反饋：將輸出量的一部分將輸出量的一部分 或全部通過(guò)一定的電路形式作用或全部通過(guò)一定的電路形式作用 到輸入回路，用來(lái)影響其輸入量到輸入回路，用來(lái)影響其輸入量 的措施。的措施?；痉糯箅娐坊痉糯箅娐贩答伨W(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)輸入量輸入量?jī)糨斎肓績(jī)糨斎肓糠答伭糠答伭?輸出量輸出量反饋放大電路的方框圖反饋放大電路的方框圖一、什么是反饋一、什么是反饋3.1.3 放大電路中的負(fù)反饋放大電路中的負(fù)反饋二、如何判斷有無(wú)反饋二、如何判斷有無(wú)反饋通過(guò)尋找電路中有無(wú)反饋通路可判斷出電路是否引了反饋。通過(guò)尋找電路中有無(wú)反饋通路可判斷出電路是否引了反饋。有無(wú)反饋的判斷有無(wú)反饋的判斷無(wú)反饋無(wú)反饋無(wú)反饋無(wú)反饋有反饋有反饋反饋的

12、分類及判別反饋的分類及判別1.分類分類 （1）正反饋：）正反饋： 引入的引入的反饋信號(hào)反饋信號(hào)Xf增強(qiáng)了外加輸入信號(hào)的增強(qiáng)了外加輸入信號(hào)的作用，作用，使使放大電路的放大電路的凈輸入信號(hào)增加凈輸入信號(hào)增加，導(dǎo)致，導(dǎo)致放大電路的放大倍數(shù)提高的反饋。放大電路的放大倍數(shù)提高的反饋。 正反饋主要用于振蕩電路、信號(hào)產(chǎn)生電正反饋主要用于振蕩電路、信號(hào)產(chǎn)生電路，其他電路中則很少用正反饋。路，其他電路中則很少用正反饋。（2）負(fù)反饋：）負(fù)反饋： 引入的引入的反饋信號(hào)反饋信號(hào)Xf削弱了外加輸入信號(hào)削弱了外加輸入信號(hào)的作用，的作用，使使放大電路的放大電路的凈輸入信號(hào)減小凈輸入信號(hào)減小，導(dǎo)致放大電路的放大倍數(shù)減小的反饋

13、。導(dǎo)致放大電路的放大倍數(shù)減小的反饋。 一般放大電路中經(jīng)常引入負(fù)反饋，以一般放大電路中經(jīng)常引入負(fù)反饋，以改善放大電路的性能指標(biāo)。改善放大電路的性能指標(biāo)。反饋的分類及判別反饋的分類及判別反饋極性的判定反饋極性的判定 +R1R2Rfuiuo圖圖3-6 正反饋放大器正反饋放大器 引入深度的負(fù)反饋是使引入深度的負(fù)反饋是使運(yùn)放工作在線性放大區(qū)的必運(yùn)放工作在線性放大區(qū)的必要條件，也是判斷運(yùn)放是否要條件，也是判斷運(yùn)放是否工作在線性區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。工作在線性區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)用于線性放大的運(yùn)放應(yīng)用于線性放大的運(yùn)放電路都是深度的負(fù)反饋放大電路都是深度的負(fù)反饋放大器。器。+VCC R1 R2 T1R4 T2uO+-+-R3

14、R5 C1 +R6 C2 C3 + uI uF 分立元件放大電路反饋極性的判斷分立元件放大電路反饋極性的判斷 結(jié)論：負(fù)反饋結(jié)論：負(fù)反饋 3、負(fù)反饋放大器的類型、負(fù)反饋放大器的類型（1）電壓反饋和電流反饋）電壓反饋和電流反饋1）定義定義電壓反饋電壓反饋v 反饋信號(hào)從輸出電壓反饋信號(hào)從輸出電壓uo采樣。采樣。電流反饋電流反饋v 反饋信號(hào)從輸出電流反饋信號(hào)從輸出電流io采樣。采樣。 +R1R2RfRLuiuo+R1R2RfRLuiuo+R2RLuoui+R1Rfio a) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋 c) 電流串聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋圖圖3-7 負(fù)反饋放大器的四種類型負(fù)反饋放大器的四種類型b) 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋 d) 電流并聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋 思考題思考題 （1）如何判斷集成運(yùn)放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)？）如何判斷集成運(yùn)放工作在