chapter16集成運(yùn)算放大器

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16.4

運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(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1.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，了解有源濾波器的工作原理。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

（b）國(guó)內(nèi)符號(hào)（c）國(guó)際符號(hào)圖4-1集成運(yùn)算放大器方框圖和符號(hào)(1)集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu)16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

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。特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo

高:80dB~140dBrid高:105~1011ro

低:幾十

~幾百KCMR高:70dB~130dB集成運(yùn)放的符號(hào)：uo++Auou+u–。。。+UCC–UEE–+UCC–UEEuou–u+16.1.2電路的簡(jiǎn)單說(shuō)明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放

。

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。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(chēng)電路或射極輸出器構(gòu)成。16.1.3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IIB16.1.4理想集成運(yùn)算放大器1.運(yùn)放的電壓傳輸特性：設(shè)：電源電壓±VCC=±10V。運(yùn)放的Aod=104│Ui│≤1mV時(shí)，運(yùn)放處于線(xiàn)性區(qū)。Aod越大，線(xiàn)性區(qū)越小，當(dāng)Aod→∞時(shí)，線(xiàn)性區(qū)→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線(xiàn)性區(qū)非線(xiàn)性區(qū)非線(xiàn)性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想運(yùn)算放大器：為了擴(kuò)大運(yùn)放的線(xiàn)性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的條件：

電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的分析方法：虛短（u+=u-）虛斷（ii+=ii-=0）3.線(xiàn)性區(qū)(放大區(qū))Auo

，rid，ro0，KCMRuo=Auo(u+–u–)4.非線(xiàn)性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的條件：電路開(kāi)環(huán)工作或引入正反饋！運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的分析方法在下一章討論+10V-10V+Uom-Uom0uoui16.2.1

比例運(yùn)算電路一.反相比例運(yùn)算虛地點(diǎn)i1=if

（虛斷）因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷u+

=0

u－=u+=0（虛地）反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓放大倍數(shù):16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用

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”。例題1.

R1=10k,Rf=20k,ui

=-1V。求:uo

、Ri。說(shuō)明R0的作用，R0應(yīng)為多大？特點(diǎn)：共模輸入電壓=0（u－=u+=0）缺點(diǎn)：輸入電阻小（

Ri=R1）R0為平衡電阻(使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1//Rf二.同相比例運(yùn)算電路u-=u+=uii1=if（虛斷）平衡電阻R=Rf//R1因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋特點(diǎn)：輸入電阻高缺點(diǎn)：共模輸入電壓≠0（u－=u+=ui）電壓放大倍數(shù):

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。負(fù)載電流的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。

例：負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路1.

能測(cè)量較小的電壓；2.

輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小。流過(guò)電流表的電流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi1Au=1三.電壓跟隨器此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。ui=u+=u-=uo因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷：

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：1.反相加法器：若R1=R2=R,

平衡電阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if16.2.2加法運(yùn)算電路虛地2.同相求和運(yùn)算：當(dāng)R1=R2=Rf

=R時(shí),同相比例運(yùn)算:16.2.3減法運(yùn)算電路1、利用加法器和反相比例器疊加原理2、差動(dòng)減法器

ui1作用

ui2作用

綜合：則有：電路如圖所示，已知ui=1V，當(dāng)電位器的滑動(dòng)端從A點(diǎn)移到B點(diǎn)時(shí)，輸出電壓uO的變化范圍。+1～-1V圖中所示為恒流源電路，各參數(shù)如圖中所標(biāo)，已知穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)1)指出電路中采用的反饋類(lèi)型2）求輸出電壓Uo的表達(dá)式3)試求負(fù)載電阻RL中的電流IL解:16.2.4積分電路當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，則有反相積分器：如果u

i=直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。tui0tuo0-UomTM積分時(shí)間設(shè)Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F求積到飽和值的時(shí)間：5、在圖（a）所示電路中，已知輸入電壓uI的波形如圖（b）所示，當(dāng)t＝0時(shí)uO＝0。試畫(huà)出輸出電壓uO的波形。若t＝0時(shí)uO＝0，則t＝5ms時(shí)uO＝－100×5×5×10－3V＝－2.5V。當(dāng)t＝15mS時(shí)uO＝[－100×(－5)×10×10－3＋（－2.5）]V＝2.5V。因此輸出波形如圖所示

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(chēng)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(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求。16.2.5微分電路：u-=u+=0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?！狿D調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiCtui0tuo0例：,求uo。90°1.運(yùn)放工作在非線(xiàn)性狀態(tài)→電路開(kāi)環(huán)或引入正反饋。2.運(yùn)放工作在非線(xiàn)性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）

注意：此時(shí)不能用虛短！uoui0+UOM-UOM16.3.3比較器uoui0+UOM-UOM1.過(guò)零比較器:（門(mén)限電平=0）uoui0+UOM-UOM一.單門(mén)限電壓比較器tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。電壓傳輸特性–Uom+Uom運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)2.單門(mén)限比較器（與參考電壓比較）閾值電壓(門(mén)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=+Uom

u+<u–時(shí)，uo=–Uom

即ui<UR時(shí)，uo

=+Uom

ui

>UR時(shí)，uo

=–

Uom可見(jiàn)，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot+Uo

m–Uomt1t2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–Uom+UomuiuoOURui

>UR，uo=+Uomui

<UR，uo=–UomURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uom

+UomuiuoOUR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–Uom+UomuiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uom)–Uomuo輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端uitOUROuot+Uom–Uomt1t2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–Uom+UomuiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uom

ui

>UR時(shí)，uo'

=–

Uom

穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路中uoui0+UZ-UZ當(dāng)ui>0時(shí),uo=-UZ當(dāng)ui<0時(shí),uo=+UZ

二.遲滯比較器1.工作原理——兩個(gè)門(mén)限電壓。特點(diǎn):電路中使用正反饋——運(yùn)放工作在非線(xiàn)