第13章集成運(yùn)算放大電路

第13章集成運(yùn)算放大電路模擬電路部分

第13章集成運(yùn)算放大電路13.1集成運(yùn)算放大器的概述13.2基本運(yùn)算電路13.3電壓比較器13.4有源濾波電路13.5RC正弦波振蕩電路13.6集成運(yùn)算放大器的使用集成電路:

將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成電路的優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。集成電路的分類(lèi)：模擬集成電路、數(shù)字集成電路；小、中、大、超大規(guī)模集成電路；13.1概述13.1.1集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1.電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2.電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3.幾十pF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4.二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。集成運(yùn)算放大器外形圖13.1.2集成運(yùn)放的組成

集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS原理框圖：輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)+UCCUEE

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMRR

,

輸入阻抗ri盡可能大。與uo反相與uo同相輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

。即輸出阻抗ro小。對(duì)偏置電路的要求:

提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。

13.1.3集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)1.差模開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Ado：指集成運(yùn)放本身（無(wú)外加反饋回路）的差模電壓放大倍數(shù)，即

它體現(xiàn)了集成運(yùn)放的電壓放大能力，一般在104～107之間。Ado越大，電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。2.共模開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Aco：指集成運(yùn)放本身的共模電壓放大倍數(shù)，它反映集成運(yùn)放抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運(yùn)放Aco應(yīng)接近于零。3.共模抑制比KCMR：用來(lái)綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于80dB。4.差模輸入電阻rid：指差模信號(hào)作用下集成運(yùn)放的輸入電阻。5.輸入失調(diào)電壓Uio：指為使輸出電壓為零，在輸入級(jí)所加的補(bǔ)償電壓值。它反映差動(dòng)放大部分參數(shù)的不對(duì)稱(chēng)程度，顯然越小越好，一般為毫伏級(jí)。6.失調(diào)電壓溫度系數(shù)ΔUio／ΔT：是指溫度變化ΔT時(shí)所產(chǎn)生的失調(diào)電壓變化ΔUio的大小，它直接影響集成運(yùn)放的精確度，一般為幾十μV／℃。7.轉(zhuǎn)換速率SR：衡量集成運(yùn)放對(duì)高速變化信號(hào)的適應(yīng)能力，一般為幾V／μs，若輸入信號(hào)變化速率大于此值，輸出波形會(huì)嚴(yán)重失真。uou+u–

13.1.4集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性輸出端反相輸入端同相輸入端Au0信號(hào)傳輸方向運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)1.符號(hào)

ri高:幾十k

幾百k實(shí)際運(yùn)放：KCMRR很大

ro小：幾十~幾百

Au0很大:104以上~107理想運(yùn)放：

ri

KCMRR

ro

0Au0

運(yùn)放符號(hào)：－＋＋u－u+uoAu0_++u+u-u02.集成運(yùn)放的參數(shù)3.電壓傳輸特性Ao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)。實(shí)際運(yùn)放uo_++Au0uiUO（sat）–UO（sat）Uim–UimuiuO0ui=u+-u-

理想運(yùn)放的電壓傳輸特性UO（sat）–UO（sat）理想運(yùn)放

uo=

f

(

ui

),其中

ui

=

u+–

u–

uOui0uiuo++–“虛斷路”原則+iiui對(duì)于理想運(yùn)放rid相當(dāng)于兩輸入端之間短路uiiirid=對(duì)于理想運(yùn)放u–u+相當(dāng)于兩輸入端之間斷路uOii

0Auoui

0,rid,“虛短路”原則2)1)4.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+uo=ui–u–=uAuo+uiuO++––13.2基本運(yùn)算電路一、反相輸入_++RFR1RPuiuoi1iFi1=iF13.2.1集成運(yùn)算放大器的輸入方式_++RFR1RPuiuo電路的輸入電阻：Ri=R1反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很?。∑胶怆娮?，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等。RP=R1//RF電位為0，虛地。輸入電阻小、共模電壓為0，以及“虛地”是反相輸入的特點(diǎn)二、同相輸入_++RFR1RPuiuou-=u+=ui電壓串聯(lián)負(fù)反饋：輸入電阻高。共模電壓：ui沒(méi)有虛地概念。ifi1當(dāng)RF=0，R1=時(shí)，電路為電壓跟隨器_++RFuiuo此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、差動(dòng)輸入_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：

差動(dòng)運(yùn)算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進(jìn)行分析"uo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3oo_++RFR1R1ui2uoRFui1差動(dòng)信號(hào)放大了兩個(gè)信號(hào)的差，但是它的輸入電阻不高（2R1）。若取R2=R1，R3=RF則：以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電壓穩(wěn)定，輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高，差動(dòng)輸入電阻亦小。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。13.2.2集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用uo

=

uiRFR1有：uiuoi1iFRFR1R21.反相比例運(yùn)算電路一、比例運(yùn)算uiuoi1ifRFR1R2虛地：ui1

=—iR1例1:反相比例運(yùn)算電路R3R4設(shè):

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo'uo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'例2：T型電阻網(wǎng)絡(luò)電路I=I1-I2=（1+RF1RF2）U1R1RF2I1I1I2IRF1RF3R1U1UOuo

=

1+

u+RFR1

=

1+

uiRFR12.同相比例運(yùn)算電路有：RFRR12uiuouiuo3、同相跟隨器uo

=uiRFR若不接入電阻R、RF，運(yùn)算關(guān)系不變二、加法運(yùn)算_++RFR11R12ui2uoRPui1i11i12iF1.差動(dòng)比例運(yùn)算電路uoRFR1R1RF三、減法運(yùn)算電路ui1ui2差動(dòng)比例運(yùn)算是減法運(yùn)算電路的一種形式

（ui2

uO=RFR1-

ui1）11ui1212.兩級(jí)反相輸入減法運(yùn)算電路132212A2A1uo11uRRRRRRRi2F2=

—–

–

—–uoui1

ui2RRRR

13

12F2F2應(yīng)用舉例：tui0四、積分運(yùn)算tuo01、輸入方波，輸出是三角波。iFi1u

i-++RR2Cuo2、如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。tui0tuo0U-Uo（sat）TM積分時(shí)限五、微分運(yùn)算u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFC例1：若輸入：則：tui0tuo0微分應(yīng)用舉例uuOiC

duidtuo=

–

RC

–—uouiＲＲ輸出與輸入的關(guān)系式為2、若輸入為方波則輸出波形為例2：求解微分方程dtduo–5uo

=10ui根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：uouiA1A3A210k100k100k150k50k50k0.1F例3:三運(yùn)放電路uo2++A++ARRRWui1ui2uo1abR1R1++AR2R2uouo2++A++ARRRWui1ui2uo1ab三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。R1R1++AR2R2uouo1uo213.3集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用-電壓比較器非線性應(yīng)用是指由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。由運(yùn)放組成的非線性電路有以下三種情況：1.電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)比如：運(yùn)放開(kāi)環(huán)應(yīng)用++Auouo運(yùn)放電路中有正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。2.電路中的運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管）ui>0時(shí)：ui<0時(shí)：++AuoR1RF1RF2Duiuoui0傳輸特性3.另一種情況，電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）由于處于線性與非線性狀態(tài)的運(yùn)放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運(yùn)放是否工作在線性區(qū)。確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無(wú)負(fù)反饋。若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)；若無(wú)負(fù)反饋，或有正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)。處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)：1.虛短路不成立。2.輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。3.輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。一、單限電壓比較器uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）UR++uouiUR設(shè)：UR大于零uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）1、過(guò)零比較器++uoui++uouituituo+Uo（sat）-Uo（sat）例1：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?+uiuoUZuoui0+UZ-UZ例2：穩(wěn)定輸出電壓-UZ2、反相輸入任意電平比較器UR0uiuo設(shè)UR>0UZR1R2R3DzURuOuiUZ總結(jié)1、電路簡(jiǎn)單。2、容易引入干擾。tuituo過(guò)零附近仍處于放大區(qū)3、當(dāng)Ao不夠大時(shí)，輸出邊沿不陡。二、遲滯電壓比較器1、下行的遲滯比較器分析：（1）因?yàn)橛姓答?，所以能加速輸出端的翻轉(zhuǎn)（2）當(dāng)uo正飽和時(shí)：（3）當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)：比較電壓由原來(lái)的輸出決定－++uoR1RfR2uiU+傳輸特性U+HU+L翻轉(zhuǎn)后增大了U+-U-，進(jìn)一步加速翻轉(zhuǎn)URH-URL稱(chēng)為回差小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)下限上限uoui0Uo（sat）-Uo（sat）uRHuRLtuiURHURLtuoUo（sat）-Uo（sat）輸入正弦波的情況加上參考電壓后的上下限－++uoR1RfR2uiUR加上參考電壓后的傳輸曲線uoui0U+H.uRHuRL2、上行的遲滯比較器從u+=0時(shí)翻轉(zhuǎn)，可以求出上下限。－++uoR1RfR2uiuoU+HU+Lui0Uo（sat）-Uo（sat）傳輸特性曲線uRHuRL另一種電路形式？如何計(jì)算上下限？用UZ代替Uo（sat）－++R1RfR2uiuoUZ另一種電路形式？如何計(jì)算上下限？上下限不同?。?+R1RfR2uiuoUZ電壓比較器的分析方法1.輸出電壓躍變的條件u–u

=+由此可求出電壓比較器的門(mén)限電壓2.電壓傳輸特性u(píng)–u

>+uo>0；時(shí)，u–u

<+uo<0。時(shí)，輸出端不接DZ時(shí)，

uo

=

UO(sat）輸出端接DZ限幅時(shí)一般為，

uo

=

UZ13.4有源濾波器

濾波器的功能：對(duì)頻率進(jìn)行選擇,過(guò)濾掉噪聲和干擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。

有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。濾波電路的分類(lèi)1.按信號(hào)性質(zhì)分類(lèi)3.按電路功能分類(lèi):低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器2.按所用元件分類(lèi)模擬濾波器和數(shù)字濾波器無(wú)源濾波器和有源濾波器傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)的定義低通高通帶通帶阻四種典型的頻率特性無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)（以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RCR1.帶負(fù)載能力差。2.無(wú)放大作用。3.特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：010.7070截止頻率此電路的缺點(diǎn)：將兩級(jí)一階低通濾波器串接？各級(jí)互相影響！RCRCRRR1RFC+-+1.一階有源低通濾波器一、有源低通濾波器有放大作用3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類(lèi)似幅頻特性：相頻特性：電路的特點(diǎn)：2.=0

時(shí)1.=0

時(shí)解出：其中：RR1RFC+-+CRP2.二階有源低通濾波器03dBR1=

時(shí)：AF=1

=

0時(shí)：RC+-+CRP傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：二、有源高通濾波器1.一階有源高通濾波器幅頻特性：缺點(diǎn)：阻帶衰減太慢。幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|產(chǎn)生自激振蕩的原理基本放大電路Ao反饋電路F+–改成正反饋正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩13.5RC正弦波振蕩電路+13.5.1自激振蕩如果：k閉合,去掉仍有信號(hào)輸出?；痉糯箅娐稟o反饋電路F++k基本放大電路Ao反饋電路F反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)若，則仍有穩(wěn)定輸出自激振蕩條件的推導(dǎo)：自激振蕩的條件：因?yàn)椋核宰约ふ袷帡l件可以寫(xiě)成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋，振幅條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。進(jìn)一步理解自激振蕩：基本放大電路Ao反饋電路F++如果：輸入信號(hào)為0時(shí)仍有信號(hào)輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。自激振蕩的頻率必須是一定的，也就是說(shuō)在放大、反饋回路中應(yīng)該有選頻作用，將不要的頻率抑制掉。在振蕩建立的過(guò)程中，|A0F|>1也就是說(shuō)每次Xf大于前一時(shí)刻的Xf。振蕩的建立過(guò)程也就是|A0F|從大于1到等于1的過(guò)程。振蕩器的組成:放大環(huán)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)13.5.2起振過(guò)程

13.5.3選頻網(wǎng)絡(luò)用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2R1C1R2C2時(shí)相移為0。如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：uo1.用運(yùn)放組成的RC振蕩電路所以只有在f0處才滿(mǎn)足相位條件：因?yàn)椋篈0F=1uf_++R2R1RCRC13.5.4振蕩電路_++RTuoRCRCR1t2.能自行啟動(dòng)的電路（1）uotRtAu半導(dǎo)體熱敏電阻起振時(shí)RT>2R1,uo越大則RT越小。3.能自行啟動(dòng)的電路（2）uo_++R21RCRCR1D1D1R22R21+R22略大于2R1,隨著uo的增加，R22逐漸被短接，Au自動(dòng)下降。13.6集成運(yùn)算放大器的使用

在實(shí)際應(yīng)用中，除了要根據(jù)用途和要求正確選擇運(yùn)放的型號(hào)外，還必須注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1.調(diào)零