第2章(14)集成運(yùn)放

2.1放大的概念和電路主要指標(biāo)2.1.1放大的概念放大的對(duì)象：變化量(常用正弦波作測(cè)試信號(hào))放大的本質(zhì)：能量的控制和轉(zhuǎn)換

在輸入信號(hào)的作用下，通過放大電路，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)載上獲得的能量大于信號(hào)源提供的能量。第2章集成運(yùn)放及其基本運(yùn)用◆放大電路的核心元件：有源元件。用于能量的控制和轉(zhuǎn)換?！舴糯蟮奶卣鳎汗β史糯蟆⒎确糯?。負(fù)載上獲得比輸入信號(hào)大得多的電壓或電流，或者兼而有之?！舴糯蟮幕疽螅翰皇д?。這是放大的前提，要求放大電路中的有源元件工作在合適的區(qū)域，使輸入量與輸出量始終保持線關(guān)系。2.1.2.放大電路的性能指標(biāo)1、放大電路的框圖2、放大電路的性能指標(biāo)

電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)互導(dǎo)放大倍數(shù)（1）放大倍數(shù)

是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)（2）輸入電阻和輸出電阻放大電路作為信號(hào)源（前級(jí)）的負(fù)載，輸入電阻是衡量其負(fù)載效應(yīng)的參數(shù)輸入電阻Ri輸入電阻越大，從其前級(jí)取得的電流越小，對(duì)前級(jí)的影響越小。輸出電阻Ro對(duì)負(fù)載來說,放大器的輸出端口等效為一個(gè)信號(hào)源，其內(nèi)阻就是放大電路的輸出電阻，根據(jù)戴維南定理，為開路電壓由分壓公式得輸出電阻R0的大小反映了放大電路帶負(fù)載的能力問題1：對(duì)放大電路來說，希望輸入電阻Ri越大越好還是越小越好？⑴對(duì)輸入為電壓源的電路，Ri越大越好?。ǚ謮捍螅茖?duì)輸入為電流源的電路，Ri越小越好?。ǚ至鞔螅﹩栴}2：

Ro越大越好還是越小越好？⑴輸出為電壓信號(hào)時(shí)，Ro越小越好（恒壓源）⑵輸出為電流信號(hào)時(shí)，Ro越大越好（恒流源）

R0愈小，負(fù)載電阻變化時(shí)，Uo的變化愈小，放大電路帶電壓負(fù)載的能力愈強(qiáng)。(3)通頻帶(衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力)在信號(hào)頻率上升到使放大倍數(shù)的值等于0.707││的頻率。通頻帶放大器的幅頻特性:放大電路只適用于放大某一特定頻率范圍的信號(hào)，在信號(hào)頻率下降到使放大倍數(shù)的值等于0.707││的頻率。mA&在輸入信號(hào)頻率太高或太低時(shí)，放大倍數(shù)的值會(huì)下降并產(chǎn)生相移。（4）最大不失真輸出電壓在輸出波形沒有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負(fù)載的最大輸出電壓(或最大輸出電流)可用峰-峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示(Uom、Iom)。（5）最大輸出功率與效率最大輸出功率Pom

：：效率PV：直流電源消耗的功率效率η：在輸出信號(hào)不失真的情況下，負(fù)載上能夠獲得的最大功率。直流電源能量的利用率2.2集成運(yùn)算放大電路2.2.1差分放大的概念（在6.3節(jié)中介紹）輸入級(jí)均采用差分放大電路,具有很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移的能力；中間級(jí)一般采用有源負(fù)載的復(fù)合管共射電路，以獲得高的勻電壓放大倍數(shù)；輸出級(jí)通常采用射極輸出或互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路，以提高電路的帶負(fù)載能力；偏置電路一般采用恒流源電路，其特點(diǎn)是直流電阻小，交流電阻大，常用來作有源負(fù)載和為各級(jí)提供合理而穩(wěn)定的偏置電流。集成運(yùn)放的組成2.2.2集成運(yùn)放的符號(hào)及其電壓傳輸特性集成運(yùn)放的符號(hào)+AoduPuNuO同相輸入端uP電壓傳輸特性

uO=f(uP–uN)uOuP-uN反向輸入端uN。輸出端uO。線性區(qū):

線性應(yīng)用（運(yùn)算電路）非線性區(qū):非線性應(yīng)用（比較器）輸出電壓與輸入電壓存在線性放大關(guān)系，即Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓、其數(shù)值接近電源值。+UOM-UOM2.2.3理想集成運(yùn)放理想運(yùn)放的性能指標(biāo)1、開環(huán)電壓增益Aod=∞2、差模輸入電阻Rid=∞3、輸出電阻R0=04、共模抑制比KCMR=∞5、上限截止頻率fH=∞6、輸入失調(diào)電壓UOI及其溫漂dUOI/dT為零輸入失調(diào)電流IOI及其溫漂dIOI/dT為零；無內(nèi)部噪聲。2.2.4理想運(yùn)放兩個(gè)工作區(qū)域的特點(diǎn)1、工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：

為了使其工作在線性區(qū)，需要引入深度負(fù)反饋，以減小運(yùn)放的凈輸入，保證輸出電壓不超出線性范圍。uo=Aod（uP-uN）=AodUI

特點(diǎn):稱兩輸入端“虛短路”（指運(yùn)放兩輸入端的電位無限接近，但又不是真正的短路）。稱兩輸入端“虛斷路”（指運(yùn)放兩輸入端的電流趨于零，但又不是真正的斷路）。若Aod=106±UOM=±15V則±UIM=±0.015mV2、理想運(yùn)放在非線性工作區(qū)的特點(diǎn)在電路中，若運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)，或引入了正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)。uo≠Aod（uP-uN）這時(shí)：特點(diǎn)：（1）輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)：±UOM。uOu+-u-O+UOM-UOM理想特性當(dāng)uP＞uN

時(shí)uo=＋UOM當(dāng)uP<uN

時(shí)uo=－UOM（2）運(yùn)放的輸入電流等于零，即：iP=iN=0理想運(yùn)放載非線性區(qū)的電壓傳輸特性由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放?！疤摱獭狈糯蟊稊?shù)與負(fù)載無關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行?！疤摂唷痹诜治鲂盘?hào)運(yùn)算電路時(shí)對(duì)運(yùn)放的處理若兩輸入端任一電位為零，則另一端電位也為零（1）得：“虛地”（3）++∞uou–u+i+i––（2）i+=i–02.3理想運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路2.3.1比例運(yùn)算電路1、反相比例運(yùn)算電路iR=iF“虛斷”“虛地”若R=RF

則：u0＝－ui

稱為：

反相器

故R’

=R

//RF為保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性（N和P對(duì)地電阻相等），需加平衡電阻R’1.共模輸入電壓為0(∵uP=uN)，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。3.由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小(Ri=R)，因此對(duì)輸入電流有一定的要求。4.在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。反相比例電路的特點(diǎn)：當(dāng)學(xué)完差動(dòng)放大器和負(fù)反饋之后，應(yīng)該會(huì)分析◆舉例：T型反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路N點(diǎn)為虛地由分流公式：由虛斷代入得用R2、R3、R4網(wǎng)絡(luò)Rf可用低阻值R2、R3、R4獲得高增益uN=uP當(dāng)RF=0（此時(shí)R已無用）或R=∞時(shí)稱為：電壓跟隨器2、同相比例運(yùn)算電路由虛斷：由虛斷：由虛斷：=uIR’=R//Rf3.共模輸入電壓為ui，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。1.由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0（Ro=0），因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。2.由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。（Ri=∞）同相比例電路的特點(diǎn)：2.3.2加減運(yùn)算電路（1）、反相求和運(yùn)算電路ui1單獨(dú)作用(ui2＝0，ui2＝0)時(shí)，求ui2單獨(dú)作用時(shí)，？ui2單獨(dú)作用時(shí)，？1、求和運(yùn)算電路（2）、同相求和運(yùn)算電路方法一:令RN＝R∥Rf即

RP

=R1∥R2∥R3∥R4（2）、同相求和運(yùn)算電路方法二:疊加原理電阻平衡配置要求：

R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf2、加減運(yùn)算電路則電壓放大倍數(shù)（1）、差分比例運(yùn)算電路方法1：用疊加原理若輸入信號(hào)為：ui=ui2-ui12、加減運(yùn)算電路由“虛短”

uN=uP

，所以：（1）、差分比例運(yùn)算電路方法2：利用uN=uP(2)加減運(yùn)算電路解法1：利用疊加原理求解+圖(a)為反相求和運(yùn)算電路圖(b)為同相求和運(yùn)算電路若R1//R2//Rf＝R3//R4//R5(2)加減運(yùn)算電路解法2：利用uN=uP列方程即：R1//R2//Rf＝R3//R4//R5通常運(yùn)放入端外接電阻要對(duì)稱例1：電路應(yīng)用實(shí)例（儀用放大電路）特點(diǎn)：兩個(gè)放大級(jí)。結(jié)構(gòu)對(duì)稱的A1、A2

組成第一級(jí)，互相抵消漂移和失調(diào)，輸入電阻大。

A3

組成差分放大級(jí)，將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。當(dāng)加入差模信號(hào)uI時(shí)，若R2=R3，則R1的中點(diǎn)為交流地電位，三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器原理圖對(duì)于A1:同理對(duì)于A2:ui1ui2A3

為差分比例放大電路。當(dāng)R4=R5，R6=R7時(shí)例2：求v0的數(shù)值。解：例3：求數(shù)據(jù)放大器的輸出表達(dá)式再看反饋回路可推導(dǎo)出關(guān)系：代入上式既可得輸出表達(dá)式2.3.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路1、積分運(yùn)算電路由于“虛地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iI=iC，故uI

=iIR=iCR得：τ=RC——積分時(shí)間常數(shù)圖

2.3.12積分電路的輸入、輸出波形(1)輸入電壓為階躍信號(hào)t0t1tuIOtuOOUI當(dāng)t≤

t0

時(shí)，uI=0，uO=0；當(dāng)t0

<t≤t1

時(shí)，uI=UI=常數(shù)，當(dāng)t>t1時(shí)，uI=0即輸出電壓隨時(shí)間而向負(fù)方向直線增長。uo

保持t=t1

時(shí)的輸出電壓值不變。(2)輸入電壓為正弦波tuOO可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先90

。因此，此時(shí)積分電路的作用是移相。tuIOUm注意：為防止低頻信號(hào)增益過大，常在電容上并聯(lián)電阻Rf。(Rf用于限制低頻電壓增益)積分運(yùn)算電路在不同輸入情況下的波形1)輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？2)輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？圖7.2.18基本微分電路由于“虛斷”，故iC

=iR由于“虛地”uN=0可見，輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分。實(shí)現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。2.

微分運(yùn)算電路微分電路的作用：微分電路的作用有移相功能。t0tuO0U實(shí)用微分運(yùn)算電路實(shí)用微分運(yùn)算電路基本微分運(yùn)算電路在輸入信號(hào)時(shí)，集成運(yùn)放內(nèi)部的放大管會(huì)進(jìn)入飽和或截止?fàn)顟B(tài)，以至于即使信號(hào)消失，管子還不能脫離原狀態(tài)回到放大區(qū)，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。為了克服集成運(yùn)放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實(shí)用電路應(yīng)采取措施。限制輸出電壓幅值滯后補(bǔ)償限制輸入電流1、電壓比較器的用途2.4.1電壓比較器概述

2.4電壓比較器將一個(gè)模擬輸入電壓和參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出兩個(gè)不同的電平：高電平UOH或低電平UOL.用于報(bào)警、自動(dòng)控制、電子測(cè)量、鑒幅、波形的產(chǎn)生和變換等電路中。2、電壓比較器電路的特點(diǎn)運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，或引入正反饋，運(yùn)放工作在非線性區(qū)。3、電壓比較器的傳輸特性電壓傳輸特性的三要素：(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL電壓傳輸特性：一般為±UOM；有輸出限幅電路時(shí)，由限幅電路求出。當(dāng)uI變化且經(jīng)過UT時(shí)，uO是從UOH變到UOL還是反之(2)閾值電壓的數(shù)值UT當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。寫出uP和uN的表達(dá)式并令其相等，求出的輸入電壓即為UT）（3）翻轉(zhuǎn)方向要看輸入信號(hào)是作用于反相端還是同相端，另外看ui<UT還是ui>UT。

4、電壓比較器的種類(1)單限比較器

電路只有一個(gè)閾值電壓,在輸入電壓變化過程中,當(dāng)通過UT時(shí),輸出電壓發(fā)生一次躍變。見圖(a)(2)滯回比較器

電路具有兩個(gè)閾值電壓,輸入電壓沿不同的方向變化時(shí),輸出電壓只發(fā)生一次躍變,但發(fā)生躍變時(shí)的閾值電壓不同,具有滯回特性。見圖(b)(3)窗口比較器

電路具有兩個(gè)閾值電壓,輸入電壓沿不同的方向變化時(shí),輸出電壓發(fā)生兩次躍變。見圖(c)2.4.2單限比較器1、過零比較器閾值電壓為0當(dāng)uI<0時(shí)過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOM-UOMO傳輸特性u(píng)O=+

UOM；當(dāng)uI>0時(shí)uO=-

UOM；uP>uNuN>uP?若信號(hào)從同相端輸入翻轉(zhuǎn)方向改變利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器用雙向穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)雙向限幅uIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當(dāng)uI<0時(shí)：圖8.2.6無穩(wěn)壓管時(shí)，uO=+

UOM有穩(wěn)壓管后，uO=+

UZ當(dāng)uI>0時(shí)：無穩(wěn)壓管時(shí)，uO=-

UOM有穩(wěn)壓管后，uO=-

UZ設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ<UOM這時(shí)的傳輸特性變?yōu)椋豪梅€(wěn)壓管限幅的過零比較器(二)電路圖傳輸特性u(píng)IuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出波形是怎樣的？傳輸特性u(píng)IuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾?.一般單限比較器確定躍變方向確定閾值電壓當(dāng)uI<UT時(shí),uN<uP,uO=UOM當(dāng)uI>UT時(shí),uN>uP,uO=-UOMUOMUOMUT

++uouituituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?.一般單限比較器躍變方向改變當(dāng)uI<UT時(shí),uP<uN,uO=-UOM當(dāng)uI>UT時(shí),uP>uN,uO=UOM當(dāng)輸入信號(hào)加到同相輸入端時(shí)：UOM-UOMUT

改變UREF的大小和正負(fù)、改變R1和R2的大小都可以改變UTUT

UT

單限比較器的作用：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。用于檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。缺點(diǎn)：抗干擾能力差。(2)確定閾值電壓1、工作原理2.4.3滯回比較器(1)確定輸出電壓的值UOH=＋UOMUOL=－UOM運(yùn)放引入的是正反饋a、當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM)：b、當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=-UOM)：UN=UI求UN=UP時(shí)的UI（3）確定躍變方向uoui0+Uom-UomUT+UT-設(shè)ui,當(dāng)ui=<UT-時(shí),

uo從-UOM+UOM這時(shí),uo=-UOM,UP=UT－設(shè)開始:

uo=+UOM,UP=UT+設(shè)ui,當(dāng)ui=>UT+時(shí),

uo從+UOM-UOM這時(shí),uo=+UOM,UP=UT+傳輸特性：UT+上門限電壓UT-下門限電壓UT+-UT-稱為回差tuiUT+UT-tuoUom-Uom例題:設(shè)輸入為正弦波,畫出輸出的波形。2、正反饋的作用:①使滯回比較器工作在非線性區(qū);uI↑→uO↓→uP↓→uO↓↓,使uO迅速由+UOM躍變?yōu)?UOM②加快狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程,縮短狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。

uI↓接近-UT時(shí)：uI↑接近UT時(shí)：uI↓→uO↑→uP↑→uO↑↑,使uO迅速由-UOM躍變?yōu)?UOM

3、加上參考電壓后的遲滯比較器：閾值電壓：uoui0UT+UT-傳輸特性+UOM-UOMUN=UI例題：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UREF=9V,當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。uoui0UT1UT2傳輸特性閾值電壓：=10V=2V2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0102傳輸特性+UOM-UOM輸出波形uoui0UT+UT-uoui0+Uom-UomUT+UT-滯回比較器兩種電路傳輸特性的比較:4、信號(hào)從同相端輸入的滯回比較器閾值電壓uoui0+Uom-UomUT+UT-傳輸特性本章結(jié)束下一章窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI低于UREF2，運(yùn)放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；若uI高于UREF1，運(yùn)放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；圖

雙限比較器(a)前面的比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測(cè)出輸入