第十六章集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器第十六章1

第16章集成運(yùn)算放大器§16.1集成運(yùn)算放大器簡介§16.2集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)§16.3信號(hào)的運(yùn)算電路§16.4集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用2教學(xué)目的和要求：1、正確理解理想運(yùn)放的特點(diǎn)；2、熟練掌握比例、求和、減法和積分電路；3、正確理解電壓比較器的工作原理重點(diǎn)：

1、理想運(yùn)放的特點(diǎn)

2、基本運(yùn)算放大電路分析

3、電壓比較器難點(diǎn)：1、電壓比較器學(xué)時(shí)：3個(gè)3§16.1集成運(yùn)算放大器簡介將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成電路:優(yōu)點(diǎn):工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。分類: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INTEGRATEDCIRCUITS4集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、單個(gè)的精度不是很高，但由于是在同一硅片上，用同相工藝生產(chǎn)出來的，性能比較一致。2、元器件相互離得很近，溫度特性較一致。3、電阻一般在幾十歐至幾十千歐，太高或太低都不易制造。4、電感難于制造，電容一般不超過200PF，大電容不易制造。IC5集成運(yùn)放的簡單介紹

實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入級(jí)：由差放構(gòu)成，可減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾。中間級(jí)：共射放大電路，用于電壓放大。輸出級(jí)：互補(bǔ)對稱電路。降低輸出電阻，提高帶載能力。偏置電路：由恒流源構(gòu)成，確定運(yùn)放各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。6

§16.2集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框圖輸入級(jí)：差動(dòng)放大中間級(jí)：共發(fā)射極輸出級(jí)：功率放大7-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：輸入級(jí)盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大。8-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)中間級(jí)足夠大的電壓放大倍數(shù)9-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

，輸出阻抗ro小。10

ri

高:幾十k

幾百k運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMRR很大

ro

?。簬资?/p>

~幾百

Ao很大:104以上~107理想運(yùn)放：

ri

KCMRR

ro

0Ao

運(yùn)放符號(hào)：＋－u－u+uo運(yùn)放的特點(diǎn)和符號(hào)－＋＋

u－

u+

uoA0國標(biāo)符號(hào)國際流行符號(hào)11電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區(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)OAo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)。ε12運(yùn)算放大器線性應(yīng)用時(shí)的分析依據(jù)1.因?yàn)檩斎腚娮铻闊o窮大，所以輸入電流電流為零，相當(dāng)于開路，所以此性質(zhì)稱為虛斷。2.因?yàn)殚_環(huán)增益為無窮大，所以輸入電壓電壓相等，相當(dāng)于短路，所以此性質(zhì)稱為虛短。13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)不存在虛短現(xiàn)象當(dāng)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

2.輸出只有兩種可能，+Uo(sat)或-Uo(sat)仍存在虛斷現(xiàn)象14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.開環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒有接反饋電路時(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。4.共模輸入電壓范圍UICM

當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差。其值越小越好，一般在零點(diǎn)零幾微安級(jí)。3.輸入失調(diào)電壓UIO為使輸出等于零，

而在輸入端加的微小補(bǔ)償電壓。（調(diào)零工作已由調(diào)零電位器完成）155.輸入偏置電流IIB

當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流，其值越小越好。一般在零點(diǎn)幾微安級(jí)。6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放對共模信號(hào)具有抑制的性能，但這個(gè)性能在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)才具備。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。16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。

理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件：在運(yùn)放的輸出與輸入之間加深度負(fù)反饋。放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，可以分開分析。虛短路虛斷路§16.3信號(hào)的運(yùn)算電路16.3.1概述17運(yùn)放能完成信號(hào)的代數(shù)運(yùn)算有：比例、加減、積分、微分等簡單運(yùn)算，還能完成對數(shù)與反對數(shù)以及乘除等復(fù)雜運(yùn)算。它們都是線性范圍內(nèi)的運(yùn)算，都適用疊加定理。1816.3.2信號(hào)的運(yùn)算電路(1)反相比例運(yùn)算放大器_++RFR1R2uiuoi1iFi1=iF因要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF電路組成電壓放大倍數(shù)根據(jù)輸入端口電流為0的特性所以，根據(jù)輸入端口電壓為0的特性19當(dāng)R1=Rf時(shí)，u0=-ui電路被稱為反向器。結(jié)論：⑴Auf為負(fù)值，即u0與ui極性相反，因?yàn)閡i加在反相輸入端。⑵Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。⑶可大于1，也可等于1或小于1。20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=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–21(2)同相比例運(yùn)算放大器uo_++RFR1R2ui(1)電路組成輸入電壓加在運(yùn)放的同相輸入端，而在反相輸入端引入負(fù)反饋因要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF⑵電壓放大倍數(shù)根據(jù)虛短和KVL根據(jù)虛斷22(3)電壓跟隨器若令此時(shí)電路變成電壓跟隨器，在電路中起隔離作用。圖中由R1和R2構(gòu)成的分壓電路中，開路電壓接負(fù)載電阻RL后23

如果通過電壓跟隨器接入負(fù)載電阻RL，由于運(yùn)算放大器電阻趨于，則此電路輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能更好。即負(fù)載電阻對前級(jí)電路的影響被隔離了，因此，電壓跟隨器在實(shí)際電路中起隔離作用。24求和電路的輸出量反映多個(gè)模擬輸入量相加的結(jié)果。所以：當(dāng)R1=R2=R3=R時(shí)，(4)反相求和運(yùn)算：25(6)減法電路_++RFR1R2ui2uoR3ui1當(dāng)兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入時(shí)，即為差動(dòng)輸入，可進(jìn)行減法運(yùn)算。當(dāng)R1=R2，R3=RF時(shí)當(dāng)R1=RF時(shí)26方法二：利用疊加定理來求解_++RFR1R2ui2uoR3ui1結(jié)論：減法運(yùn)算電路可以看成是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加27(7)積分運(yùn)算：i1iFu

i-++R1R2CFuo將反相比例運(yùn)算放大電路中的反饋元件RF用電容CF代替，就成為積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，28tui0應(yīng)用舉例1：tuo01、輸入方波，輸出是三角波。292、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。tuIOUm30

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。ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-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。uoCFuiR2R1++––++–RF31(7)微分運(yùn)算：ui－++uoRFR2i1iFCF微分電路微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算即輸出電壓與輸入電壓對時(shí)間的一次微分成正比。32若輸入：則：tui0tuo0則輸出信號(hào)uo為尖脈沖信號(hào)：若輸入ui為階躍信號(hào)：tui0Uituo0微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。（波形如上圖）33uoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-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ifiRiC3416.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.1有源濾波器16.3.2采樣保持電路16.3.3電壓比較器35電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號(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)檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。36理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)uo

≠

Aod

（

u+-

u-

）

當(dāng)u+>

u-

uo=當(dāng)u+

<

u-

uo=1.輸出電壓uo的值只有兩種可能：2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零，仍然存在虛斷。i+=

i-虛斷不再存在虛短現(xiàn)象+UO(sat)uOu+-u-O理想特性電壓傳輸特性-UO(sat)+UO(sat)-UO(sat)37⑴基本電壓比較器參考電壓電壓傳輸特性運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)u+>

u-

uo=+UO(sat)當(dāng)u+

<

u-

uo=-UO(sat)即當(dāng)ui<uR,uo=+UO(sat)即ui>uR,uo=-UO(sat)可見，在ui=uR時(shí)處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。38ui單方向變化時(shí)，uo只變化一次電壓傳輸特性39輸入信號(hào)接在反相端電壓傳輸特性輸入信號(hào)接在同相端40輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端41⑵輸出帶限幅的電壓比較器Ui<uR時(shí)，Ui>uR時(shí)，電壓傳輸特性設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向壓降，則Ui<uR時(shí)，UO=UZ;Ui<uR時(shí)，UO=-UZ42uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)⑶過零比較器UR=0電壓傳輸特性利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?3++uouituituo+Uom-Uom例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?4tuituo過零附近仍處于放大區(qū)Ao不夠大時(shí)的情況45

16.5

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題

集成運(yùn)放的用途廣泛，在使用前必須進(jìn)行測試，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和極限參數(shù)符合電路要求，同時(shí)還應(yīng)注意以下問題。

2.調(diào)零：應(yīng)在閉環(huán)狀態(tài)下調(diào)零

方法一：輸入為零，調(diào)節(jié)調(diào)零按鈕使輸出為零。方法二：加一定輸入，調(diào)節(jié)調(diào)零按鈕使輸出為一理想值。1.選用元件

根據(jù)實(shí)際要求選用運(yùn)算放大器。選好后，根據(jù)管腳圖和符號(hào)圖連接外部電路，包括電源、外接偏置電阻、外接消振電路及調(diào)零電路等。

46調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號(hào)過大而造成“堵塞”現(xiàn)象不能調(diào)零原因3.