第7章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用c

1、第第3 3章章 目錄目錄1. 元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；2. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替；3. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替， 電位器需外接；電位器需外接；4. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感 和變壓器均需外接。和變壓器均需外接。第第3 3章章 3 3 1 1集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。 1. 集成運(yùn)放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖集成

2、運(yùn)放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖輸入級(jí)輸入級(jí) 差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器輸出級(jí)輸出級(jí) 射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器中間級(jí)中間級(jí) 電壓放大器電壓放大器偏置電路偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成第第3 3章章 3 3 1 1uiuou+u2. 集成運(yùn)算放大器的符號(hào)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端A信號(hào)傳信號(hào)傳輸方向輸方向第第3 3章章 3 3 1 1理想理想運(yùn)放開環(huán)運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)實(shí)際實(shí)際運(yùn)放開環(huán)運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)RRB1C1uiuoTT12UCE11. 前、后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的相互影響前、后級(jí)靜

3、態(tài)工作點(diǎn)的相互影響當(dāng)當(dāng) T2 接入后接入后, 有有UCE1 = UBE2 0.6V, 使使T1進(jìn)入飽和進(jìn)入飽和狀態(tài)狀態(tài), T1的動(dòng)的動(dòng)態(tài)范圍態(tài)范圍很小。很小。解決辦法：解決辦法：提高提高VE2。(1)加入電阻加入電阻RE2+VCCE2RRC2第第3 3章章 3 3 2 2RRB1C1R C2uiuoTT12RUz z（2）在）在T2的發(fā)射極加入穩(wěn)壓管的發(fā)射極加入穩(wěn)壓管+VDz zCC第第3 3章章 3 3 2 2RRB1C1R E2uiuoTT12RC2VCC+（3）利用）利用NPN型管和型管和PNP型管進(jìn)行電平移動(dòng)型管進(jìn)行電平移動(dòng)第第3 3章章 3 3 2 22. 直流放大器的零點(diǎn)漂移直流放

4、大器的零點(diǎn)漂移tu0當(dāng)放大器的輸入電壓當(dāng)放大器的輸入電壓 ui = 0 時(shí)，其輸出電壓時(shí)，其輸出電壓uO往往不為往往不為常數(shù)，常數(shù)，稱這種現(xiàn)象為放大稱這種現(xiàn)象為放大器的器的零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移。o第第3 3章章 3 3 2 2uRCRCRRBBuo1ui1i2uuo2oCCV共模輸入共模輸入ui1 = ui2差模輸入差模輸入ui1= ui21. .典型差動(dòng)放大器典型差動(dòng)放大器RPREEET1T2第第3 3章章 3 3 2 2RCRCRRRBBPuoCC+V1 雙端輸入雙端輸出方式雙端輸入雙端輸出方式T1REuiEEVui1ui22. 差動(dòng)放大器的輸入輸出方式差動(dòng)放大器的輸入輸出方式RRT2第第3

5、3章章 3 3 2 2RCRCRRRBBPo1uuo2CC+V（2）單端輸入單端輸出方式單端輸入單端輸出方式REEEuiT1T2第第3 3章章 3 3 2 2 1. 運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性UOMUOMUOMUOMUimUim實(shí)際運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放理想運(yùn)放理想運(yùn)放 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uOui0uiuo+uiuO0第第3 3章章 3 3 3 3+iiui對(duì)于理想運(yùn)放對(duì)于理想運(yùn)放rid相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間短路短路uiiirid=對(duì)于理想運(yùn)放對(duì)于理想運(yùn)放 u u+相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間斷路斷路uOii 0Auo

6、ui 0,rid,2. 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)第第3 3章章 3 3 3 3+uo=uiu=u Auo+uiuO+ 在右圖所示電路中，在右圖所示電路中， 因?yàn)榇嬖谪?fù)反饋信號(hào)因?yàn)榇嬖谪?fù)反饋信號(hào), 同同相輸入端相輸入端 不是不是“虛地虛地”！uiuo由由“虛斷路虛斷路”原則原則 ii = 0 , 有有 u+=0 u+ u = 0當(dāng)當(dāng)同相同相輸入端接地時(shí)，輸入端接地時(shí)，第第3 3章章 3 3 3 3uiuo由由“虛短路虛短路”原則原則注意注意“虛斷路虛斷路”原則原則uiiirid=對(duì)于理想運(yùn)放對(duì)于理想運(yùn)放相當(dāng)于兩輸入端之間相當(dāng)于兩輸入端之間 斷路斷路ii 0ri

7、d,3. 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)運(yùn)放工作在運(yùn)放工作在工作狀態(tài)的必要條件：工作狀態(tài)的必要條件：+iiuiriduO第第3 3章章 3 3 3 3+注意注意: u+ = u uiuoi1ifidRFR1R2虛斷路虛斷路 id 0虛地虛地uii1 = R1uif = oRFi1 ifRF引入深度負(fù)反饋引入深度負(fù)反饋uo = ui RF R1故有：故有：第第3 3章章 3 3 4 41. 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路uiuoi1ifRFR1R2虛地：虛地：ui1 = iR1反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路R3R4設(shè)設(shè): RFR4 , 求求AufR4R3R4

8、+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uo第第3 3章章 3 3 4 4uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo uo = 1+ u+RFR1 1uf = 1+ ui RF R1 12. 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路虛斷路虛斷路id 0虛短路虛短路uiu =+uou = fR1R1 RF+uu =+故有：故有：第第3 3章章 3 3 4 4uiuo同相跟隨器uo = uiRFR若接入電阻若接入電阻R、RF，運(yùn)算關(guān)系不變，運(yùn)算關(guān)系不變第第3 3章章 3 3 4 43. 差動(dòng)比例運(yùn)

9、算電路差動(dòng)比例運(yùn)算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進(jìn)行分析利用疊加原理進(jìn)行分析ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1第第3 3章章 3 3 4 4uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3F1u o31. 反相加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if3.4.2 第第3 3章章 3 3 4 42F211uo2. 同相加法運(yùn)算電路同相加法運(yùn)算電路23ui1ui2ui322RFR1

10、uO = 1+ + R + + + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 R 第第3 3章章 3 3 4 41. 差動(dòng)比例運(yùn)算電路差動(dòng)比例運(yùn)算電路uoRFR1R2R3 = 1+ ui2 uoRFR1R2 + R3R3- - ui1RFR13.4.3 減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路ui2ui1差動(dòng)比例運(yùn)算差動(dòng)比例運(yùn)算是減法運(yùn)算電是減法運(yùn)算電路的一種形式路的一種形式第第3 3章章 3 3 4 4 11ui121 2. 兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第第3 3章章 3 3 4 4F2uo= ui1

11、 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2ui1. 反相積分運(yùn)算電路反相積分運(yùn)算電路CFuo23.4.4 積分和微分運(yùn)算電路積分和微分運(yùn)算電路由虛斷和虛地由虛斷和虛地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt第第3 3章章 3 3 4 4uuOi 2. 反相微分運(yùn)算電路反相微分運(yùn)算電路C1 duidtuo= RF C1 uouiF由于微分和積分互為逆運(yùn)算，由于微分和積分互為逆運(yùn)算，將電容與電阻位置對(duì)調(diào)即可。將電容與電阻位置對(duì)調(diào)即可。輸出與輸入輸出與輸入的關(guān)系式為的關(guān)系式為若輸入為方波若輸入為方波則輸出波形為則輸出

12、波形為第第3 3章章 3 3 4 4CF應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器21uouiC1F輸出與輸入的輸出與輸入的關(guān)系式為關(guān)系式為第第3 3章章 3 3 4 4duiu = ( + ) + RFC1 + ui dt ouiRFR1R1CFC1CFdt1應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：求解微分方程求解微分方程uouiN1N3N2dtduo5uo = 10ui10k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 F根據(jù)電路參數(shù)，所要根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：求解的微分方程為：第第3 3章章 3 3 4 41. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路21uou 0iT u o = UT ln ui i

13、R1 1 IS*3.4.5 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路uDiD Di1利用三極管發(fā)射結(jié)利用三極管發(fā)射結(jié)的指數(shù)特性的指數(shù)特性i1 1 =iD D =IS(e -1)uD DUT IS euD DUTuiR1 1=有有代入代入 uDu =O第第3 3章章 3 3 4 42. 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路FuoTuiuo = RF IS eui i /UT T由于反對(duì)數(shù)和由于反對(duì)數(shù)和對(duì)數(shù)互為逆運(yùn)對(duì)數(shù)互為逆運(yùn)算，將三極管算，將三極管與電阻的位置與電阻的位置對(duì)調(diào)即可。對(duì)調(diào)即可。輸出與輸入輸出與輸入的關(guān)系式為的關(guān)系式為第第3 3章章 3 3 4 43. 乘法和除法運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)框圖乘法和除法運(yùn)

14、算電路結(jié)構(gòu)框圖lnln+ln-1lnx1lnx2lnx1+（lnx1x2 ）Kx1 x2乘法乘法除法除法lnx2x1x2lnx2lnlnlnx1-1lnlnx1lnx2（lnx1 /x2 ）Kx1x2x1x2第第3 3章章 3 3 4 4正反饋正反饋xd = xi + xf負(fù)反饋負(fù)反饋xd = xi xfA= xo / xdF= xf / xoAf = = xo xiA 1+ AFAFxoxixdxf 閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xi 總輸入信號(hào)總輸入信號(hào)xd 凈輸入信號(hào)凈輸入信號(hào)xf 反饋信號(hào)反饋信號(hào)開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)反饋系數(shù)xo 輸出信號(hào)輸出信號(hào)第第3 3章章 3 3 5 5FA

15、uiudufuoRLAFxoxixdxf在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相并聯(lián)相并聯(lián), , xf與與uo成正比，為電壓反饋；成正比，為電壓反饋；信號(hào)信號(hào) x均以電壓均以電壓 u 的形式出現(xiàn)的形式出現(xiàn)在放大器輸入端在放大器輸入端, ,信號(hào)以電壓出現(xiàn)信號(hào)以電壓出現(xiàn), ,uf與與ud相串聯(lián)相串聯(lián), ,為串聯(lián)反饋；為串聯(lián)反饋；ud= ui uf ui，為負(fù)反饋。，為負(fù)反饋。凈輸入電壓凈輸入電壓第第3 3章章 3 3 5 5FA框圖框圖例圖例圖同相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算RLuiudufuo第第3 3章章 3 3 5 5R2uiu oRLRFR1uoidiiifRLAF在放大器輸入端在放大器輸入端,

16、 , 信號(hào)以電流出現(xiàn)信號(hào)以電流出現(xiàn), , if與與id相并聯(lián)相并聯(lián), ,為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋；id = ii if ii ，為負(fù)反饋。，為負(fù)反饋。凈輸入電流凈輸入電流xoxixdxf在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相并聯(lián)相并聯(lián), , xf與與uo成正比成正比, , 為電壓反饋；為電壓反饋；第第3 3章章 3 3 5 5AF框圖框圖例圖例圖反相比例運(yùn)算反相比例運(yùn)算RLuoidiiif第第3 3章章 3 3 5 5uiuoRFRLR2R1AFRLioAFud= ui uf ui ，為負(fù)反饋。為負(fù)反饋。凈輸入電凈輸入電壓壓, ,在放大器輸入端在放大器輸入端, ,信號(hào)以電壓出現(xiàn)信號(hào)以電壓出現(xiàn), ,uf與與ud相串聯(lián)相串聯(lián), ,為串聯(lián)反饋；為串聯(lián)反饋；在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相串聯(lián)，相串聯(lián)， xf與與 io成正比，為電流反饋；成正比，為電流反饋；xoxixdx