4第16章-集成運(yùn)算放大器課件

第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.5使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題16.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介11.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第16章集成運(yùn)算放大器1.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；本章要求第16216.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。

集成電路

是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放3各類型號(hào)集成芯片16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；溫度性能好，抑制零點(diǎn)漂移。2.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；3.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；4.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。各類型號(hào)集成芯片16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)416.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路一、電路的基本組成及作用輸入級(jí)：要求輸入電阻高，差模放大倍數(shù)高，抑制零點(diǎn)漂移和共模干擾信號(hào)的能力強(qiáng)。都采用差分放大電路。中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。16.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路一、5偏置電路：為各級(jí)放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由恒流源電路構(gòu)成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路：為各級(jí)放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級(jí)的6集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相同相+UCC–UEEuo+–+7F007外形引線連接圖F007外形引線連接圖84第16章-集成運(yùn)算放大器課件916.1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB16.1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP2.開(kāi)環(huán)1016.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo，rid，ro0，KCMRR2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo=Auo(u+–u–)非線性區(qū)（飽和區(qū)）：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性u(píng)o++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)O16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器A113.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Auo(u+–u–)所以：(1)差模輸入電壓約等于0即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Auo(u+–124.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,131.線性應(yīng)用

電路結(jié)構(gòu)上存在從輸出端到反相輸入端的負(fù)反饋支路，輸入信號(hào)幅度足夠小，以保證集成運(yùn)算放大器的輸出處于最大輸出電壓的范圍內(nèi)。集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用2.非線性應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)上，集成運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)（無(wú)反饋）或存在從輸出端到同相輸入端的正反饋支路，輸出總是處于飽和狀態(tài)，即輸出在正、負(fù)最大值之間變化。集成運(yùn)算放大器電路分析的方法

首先判斷應(yīng)用類型，然后利用理想運(yùn)算放大器的特征對(duì)電路進(jìn)行分析。1.線性應(yīng)用

電路結(jié)構(gòu)上存在從輸出端到反相輸入端的負(fù)14例

F007運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源電壓為±15V，開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)AU0=2105,輸出最大電壓（即Uo(sat))為±13V。在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：－＋＋

u－u+

uo例F007運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源電壓為±15V，開(kāi)環(huán)電壓15解只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值超過(guò)65μV，輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。輸出電壓輸出電壓輸出電壓輸出電壓解只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值超過(guò)65μV，輸出電壓就達(dá)到1616.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放1716.2.1比例運(yùn)算1.反相輸入（1）電路組成

以后如不加說(shuō)明，輸入、輸出的另一端均為地()。（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)。因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，所以：平衡電阻R2=R1//RF16.2.1比例運(yùn)算1.反相輸入（1）電路組成以18結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反。因?yàn)閡i加在19例：電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=-RFR1=-5010=-5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf=-RF/R1=-RF10=-10

故得RF=-AufR1=-(-10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–例：電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求：202.同相輸入因虛斷，所以

u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–因虛短，所以u(píng)–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻：R2=R1//RFu+u–2.同相輸入因虛斷，所以u(píng)+=ui（1）電路組成（2）電21⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：①Auf為正值，即uo與ui極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，結(jié)論：①A22當(dāng)R1=或

RF

=0時(shí)，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–

由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：當(dāng)R1=或RF=0時(shí)，uo=ui，23例：圖中同相比例運(yùn)算電路，求：需要幫忙嗎？點(diǎn)擊我會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。例：圖中同相比例運(yùn)算電路，求：需要幫忙嗎？24解：此電路為同相比例運(yùn)算電路，于是式中的是指加在同相輸入端的輸入電壓解：此電路為同相比例運(yùn)算電路，于是式中的是指加在同相輸入端的2516.2.2加法運(yùn)算電路因虛短,

u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

1反相輸入加法運(yùn)算電路16.2.2加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0平衡261.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–1.輸入電阻低；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFu272.同相輸入加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–2.同相輸入加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理同理，ui28方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫(xiě)出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：u+思考u+=?也可寫(xiě)出u–和u+的29同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++3016.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1=R2，R3=RF

如R1=R2=R3=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。常用做測(cè)量放大電路16.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法31分析方法2：利用疊加原理

減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法2：利用疊加原理u+ui2uoRFui1R3R2++32例：圖示是集成電路的串級(jí)應(yīng)用，試求輸出電壓例：圖示是集成電路的串級(jí)應(yīng)用，試求輸出電壓33解：A1是電壓跟隨器，A2是差動(dòng)運(yùn)算電路，想一想：為什么要加A1？解：A1是電壓跟隨器，A2是差動(dòng)運(yùn)算電路，想一想：為什么要加3416.2.4積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得:i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–16.2.4積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得:if=?35若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=-Ui<0

采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui-Ui若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui時(shí)，則uitO36

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓:上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成uoCFuiR3716.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui16.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得u38比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微3916.3.3電壓比較器電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。用途：

數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。16.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.3電壓比較器電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與40理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo(sat)或-Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u－

時(shí)，uo=-Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo(41電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=-Uo(sat)即ui<UR時(shí)，uo=+Uo(sat)

ui>UR

時(shí)，uo=-Uo(sat)可見(jiàn)，在ui=UR處，輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)42uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，uo只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURuitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat43ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo(sat)URuouiR2++44URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2+45輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui<UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=-UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uo(sat)ui>UR

時(shí)，uo'

=-Uo(sat)輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，UZ–UZ46過(guò)零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O過(guò)零電壓比較器利用電壓比較器URuouiR2++–R1+4716.5.1、選用元件集成運(yùn)放按技術(shù)指標(biāo)可分為：

通用型、高輸入阻抗型、低功耗型、低漂移型、高速型、高壓型、大功率型等。（1）高輸入阻抗型

主要用于測(cè)量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器及采樣-保持電路等。典型器件為5G28。（2）低漂移型

主要用于精密檢測(cè)、精密模擬計(jì)算、自控儀表等。典型器件為5G7650。16.5使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題16.5.1、選用元件集成運(yùn)放按技術(shù)指標(biāo)可分為：通用48（4）低功耗型

主要用于遙測(cè)、遙感、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究等對(duì)能源消耗有限制的場(chǎng)合。（5）大功率型

主要用于要求輸出功率大的場(chǎng)合。典型器件為MGELI65。

選型時(shí)，除了滿足主要性能指標(biāo)外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合考慮，選用合適的運(yùn)算放大器。（3）高速型

主要用于快速模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、有源濾波、高速采樣保持電路和視頻放大器等。（4）低功耗型主要用于遙測(cè)、遙感、生物醫(yī)學(xué)和4916.5.2、消振

方法：外接RC消振電路或消振電容，破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。

很多運(yùn)放內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振電路。是否已消振，可將輸入端接“地”，用示波器觀察輸出端有無(wú)自激振蕩。16.5.3、調(diào)零

方法：將電路接成閉環(huán)。(1)無(wú)輸入調(diào)零：將兩輸入端接“地”，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。(2)有輸入時(shí)調(diào)零：按已知輸入電壓，計(jì)算輸出電壓，將實(shí)際值調(diào)到計(jì)算值。16.5.2、消振方法：外接RC消振電路或消振電容，5016.5.4、保護(hù)措施R1uI+–+–++–+uoRfD1D2輸入限幅（2）輸入端保護(hù)（1）電源端保護(hù)+VCC–VCC+–++–+16.5.4、保護(hù)措施R1uI+–+–++–+uoRfD1D51（3）輸出端保護(hù)RRui+–+–++–+uo+–DZRf輸出限幅16.5.5、擴(kuò)大輸出電流接互補(bǔ)對(duì)稱電路（3）輸出端保護(hù)RRui+–+–++–+uo+–DZRf輸出52第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.5使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題16.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介531.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第16章集成運(yùn)算放大器1.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；本章要求第165416.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。

集成電路

是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹集成運(yùn)算放55各類型號(hào)集成芯片16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；溫度性能好，抑制零點(diǎn)漂移。2.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；3.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；4.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。各類型號(hào)集成芯片16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)5616.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路一、電路的基本組成及作用輸入級(jí)：要求輸入電阻高，差模放大倍數(shù)高，抑制零點(diǎn)漂移和共模干擾信號(hào)的能力強(qiáng)。都采用差分放大電路。中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。16.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路一、57偏置電路：為各級(jí)放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由恒流源電路構(gòu)成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。中間級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路：為各級(jí)放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級(jí)的58集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相同相+UCC–UEEuo+–+59F007外形引線連接圖F007外形引線連接圖604第16章-集成運(yùn)算放大器課件6116.1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB16.1.3主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP2.開(kāi)環(huán)6216.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo，rid，ro0，KCMRR2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo=Auo(u+–u–)非線性區(qū)（飽和區(qū)）：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性u(píng)o++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)O16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器A633.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Auo(u+–u–)所以：(1)差模輸入電壓約等于0即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Auo(u+–644.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,651.線性應(yīng)用

電路結(jié)構(gòu)上存在從輸出端到反相輸入端的負(fù)反饋支路，輸入信號(hào)幅度足夠小，以保證集成運(yùn)算放大器的輸出處于最大輸出電壓的范圍內(nèi)。集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用2.非線性應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)上，集成運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)（無(wú)反饋）或存在從輸出端到同相輸入端的正反饋支路，輸出總是處于飽和狀態(tài)，即輸出在正、負(fù)最大值之間變化。集成運(yùn)算放大器電路分析的方法

首先判斷應(yīng)用類型，然后利用理想運(yùn)算放大器的特征對(duì)電路進(jìn)行分析。1.線性應(yīng)用

電路結(jié)構(gòu)上存在從輸出端到反相輸入端的負(fù)66例

F007運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源電壓為±15V，開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)AU0=2105,輸出最大電壓（即Uo(sat))為±13V。在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：－＋＋

u－u+

uo例F007運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源電壓為±15V，開(kāi)環(huán)電壓67解只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值超過(guò)65μV，輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。輸出電壓輸出電壓輸出電壓輸出電壓解只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值超過(guò)65μV，輸出電壓就達(dá)到6816.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)算放6916.2.1比例運(yùn)算1.反相輸入（1）電路組成

以后如不加說(shuō)明，輸入、輸出的另一端均為地()。（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)。因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，所以：平衡電阻R2=R1//RF16.2.1比例運(yùn)算1.反相輸入（1）電路組成以70結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui極性相反。因?yàn)閡i加在71例：電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=-RFR1=-5010=-5R2=R1RF=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf=-RF/R1=-RF10=-10

故得RF=-AufR1=-(-10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–例：電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求：722.同相輸入因虛斷，所以

u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–因虛短，所以u(píng)–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻：R2=R1//RFu+u–2.同相輸入因虛斷，所以u(píng)+=ui（1）電路組成（2）電73⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：①Auf為正值，即uo與ui極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，結(jié)論：①A74當(dāng)R1=或

RF

=0時(shí)，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–

由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：當(dāng)R1=或RF=0時(shí)，uo=ui，75例：圖中同相比例運(yùn)算電路，求：需要幫忙嗎？點(diǎn)擊我會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。例：圖中同相比例運(yùn)算電路，求：需要幫忙嗎？76解：此電路為同相比例運(yùn)算電路，于是式中的是指加在同相輸入端的輸入電壓解：此電路為同相比例運(yùn)算電路，于是式中的是指加在同相輸入端的7716.2.2加法運(yùn)算電路因虛短,

u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

1反相輸入加法運(yùn)算電路16.2.2加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0平衡781.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–1.輸入電阻低；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFu792.同相輸入加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–2.同相輸入加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理同理，ui80方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫(xiě)出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：u+思考u+=?也可寫(xiě)出u–和u+的81同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++8216.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––如果取R1=R2，R3=RF

如R1=R2=R3=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。常用做測(cè)量放大電路16.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法83分析方法2：利用疊加原理

減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法2：利用疊加原理u+ui2uoRFui1R3R2++84例：圖示是集成電路的串級(jí)應(yīng)用，試求輸出電壓例：圖示是集成電路的串級(jí)應(yīng)用，試求輸出電壓85解：A1是電壓跟隨器，A2是差動(dòng)運(yùn)算電路，想一想：為什么要加A1？解：A1是電壓跟隨器，A2是差動(dòng)運(yùn)算電路，想一想：為什么要加8616.2.4積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得:i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–16.2.4積分運(yùn)算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得:if=?87若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=-Ui<0

采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui-Ui若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui時(shí)，則uitO88

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓:上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成uoCFuiR8916.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui16.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得u90比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微9116.3.3電壓比較器電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。用途：

數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。16.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.3電壓比較器電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與92理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo(sat)或-Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u－

時(shí)，uo=-Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo(93電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=-Uo(sat)即ui<UR時(shí)，uo=+Uo(sat)

ui>UR

時(shí)，uo=-Uo(sat)可見(jiàn)，在ui=UR處，輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)94uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，uo只變化一次。URuouiR2++–