第六講集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用

第六講集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一集成運(yùn)算放大器是模擬集成器件中的一類(lèi)，是一種高放大倍數(shù)（放大倍數(shù)通常大于104）的直接耦合多級(jí)放大器。優(yōu)點(diǎn)：體積小、高性能應(yīng)用領(lǐng)域：測(cè)量裝置、自動(dòng)控制、信號(hào)變換等第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一直接耦合放大器直接耦合放大電路就是把前一級(jí)的輸出直接通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)加到后一級(jí)的輸入端進(jìn)行放大的電路。放大的信號(hào)：變化很緩慢的信號(hào)；交流信號(hào)。

第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一簡(jiǎn)單的直接耦合放大電路

uiuoRLUBE2UCE1+__+++__第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一集成運(yùn)算放大器1.集成電路集成電路按其功能的不同，可以分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。模擬集成電路按其功能又可分為通用集成電路和專(zhuān)用集成電路。

通用集成電路，就是只需要改變外部電路結(jié)構(gòu)，就可對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同處理的集成電路，如集成運(yùn)算放大器。

按構(gòu)成有源器件的類(lèi)型來(lái)分，則可分為雙極型和單極型。按元器件的集成度來(lái)分，又可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一集成電路的特點(diǎn)（1）采用直接耦合放大電路。（2）偏置電流小。（3）用有源元件代替無(wú)源元件；電阻元件是利用硅半導(dǎo)體材料的體電阻制成。（4）對(duì)稱(chēng)性好。同類(lèi)元件性能比較一致，溫度特性也基本相同。（5）采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)形式。（6）電路中使用的二極管，大都采用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一集成運(yùn)算放大器的組成:輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路（1）輸入級(jí)作用是提供與輸出端成同相關(guān)系和反相關(guān)系的兩個(gè)輸入端，一般采用具有恒流源的差動(dòng)放大電路。（2）中間放大級(jí)又稱(chēng)為增益級(jí)，一般采用共發(fā)射極放大電路。主要作用是進(jìn)行電壓放大。（3）輸出級(jí)一般采用射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路。作用是向負(fù)載提供一定的功率。（4）偏置電路主要作用是向各級(jí)放大電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一典型的集成運(yùn)算放大器F007簡(jiǎn)介1、F007的原理電路第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)中間級(jí)

由V16、V17組成復(fù)合管，由V12、V13組成的鏡像電流源作為有源負(fù)載，其主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，同時(shí)還要向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流。(3)輸出級(jí)

主要由V14和復(fù)合管V18、V19組成的準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，主要作用是向負(fù)載提供足夠大的輸出電流和輸出功率。(4)偏置電路

電路由V8～V13管以及電阻R4、R5等元件組成，其主要作用是減小零點(diǎn)漂移，穩(wěn)定工作點(diǎn)，提高整個(gè)電路的共模抑制比。第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.引腳及符號(hào)外形通常有雙列直插式、扁平式和圓殼式三種。集成運(yùn)算放大器的外形圖(a)雙列直插式；(b)扁平式；(c)圓殼式集成運(yùn)算放大器用符號(hào)來(lái)表示：

第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一國(guó)產(chǎn)F007型集成運(yùn)算放大器，下端共有12個(gè)管腳。圖3.3.5F007的外形、引腳及連接示意圖(a)外形圖；(b)引腳圖；(c)符號(hào)及外電路連接圖第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)（1）開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)一般用對(duì)數(shù)表示：(dB)（2）最大輸出電壓指在額定電源條件下，集成運(yùn)放的最大不失真輸出電壓的峰值。

圖3.3.6集成運(yùn)放的傳輸特性+uoppuopp第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)差模輸入電阻Rid

Rid的大小反映了集成運(yùn)放輸入端向信號(hào)源索取電流的大小。（4）輸出電阻R0

R0的大小反映了集成運(yùn)放帶負(fù)載的能力，R0愈小愈好。（5）共模抑制比KCMR

反映了集成運(yùn)放對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制能力，一般也用對(duì)數(shù)表示。(dB)第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一負(fù)反饋放大電路反饋的基本概念

1.放大器中的反饋

反饋：就是將放大電路輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)過(guò)一定的電路（稱(chēng)為反饋電路）送回到放大電路的輸入回路，并同輸入信號(hào)一起參與放大器的輸入控制作用，從而使放大器的某些性能獲得有效改善的過(guò)程。第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一負(fù)反饋放大電路反饋放大電路用方框圖表示基本放大電路：可以是單級(jí)或多級(jí)分立元件組成的放大器，也可以是集成運(yùn)算放大器；反饋電路：聯(lián)系放大器的輸出電路和輸入電路的環(huán)節(jié)，可由電阻、電容、電感等元件組成。

反饋放大電路方框圖輸入輸出第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一負(fù)反饋放大電路第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的基本分析方法1.低頻等效電路

Ri為差模輸入等效電阻，Ri兩端的電壓就是差模輸入電壓uid。R0為放大器的輸出電阻，Aud為差模電壓放大倍數(shù)，Auc為共模電壓放大倍數(shù)，Auduid為輸出端等效電壓源。運(yùn)算放大器低頻等效簡(jiǎn)化電路RiRO第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.理想的集成運(yùn)算放大器(1)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)(2)開(kāi)環(huán)輸入電阻(3)開(kāi)環(huán)輸出電阻0Ri第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一規(guī)定：（1）代表集成運(yùn)放同相輸入端的電位；（2）代表集成運(yùn)放反相輸入端的電位；（3）代表集成運(yùn)放輸出為低電平；（4）代表集成運(yùn)放輸出為高電平?！疤摱獭迸c“虛斷”

------兩個(gè)重要特點(diǎn)（1）“虛短”概念輸出電壓為有限值，開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)為，有Ri兩個(gè)輸入端電位近似相等：第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.5運(yùn)算放大器的應(yīng)用

（2）“虛斷”概念由于理想運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)輸入電阻Ri≈∞，故在兩個(gè)輸入端沒(méi)有電流流入運(yùn)算放大電路的內(nèi)部，即，即理想運(yùn)放輸入電流近似為零。

輸入方式一般采用反相輸入、同相輸入和差動(dòng)輸入三種輸入方式。

第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一模擬信號(hào)運(yùn)算1.比例運(yùn)算（1）反相比例運(yùn)算放大電路

Rf是反饋電阻，R1為輸入電阻，R2是補(bǔ)償電阻(也叫輸入平衡電阻)，。反相比例運(yùn)算放大電路第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由，可以得到輸入電壓近似為零所以，即

而電壓放大倍數(shù)：=輸出電壓與輸入電壓成比例關(guān)系，負(fù)號(hào)表示相位相反。注意：實(shí)際運(yùn)算放大電路端的電位并不等于零，但很接近零值，不是真正接地，稱(chēng)端為“虛地”。第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在所示的電路中，如果，，。試求：、、的值。解：電壓放大倍數(shù)：=

輸出電壓為：補(bǔ)償電阻：圖3.5.4反相比例運(yùn)算放大電路第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）同相比例運(yùn)算放大電路上幾乎無(wú)電流，因此，，。圖3.5.5同相比例運(yùn)算電路輸出電壓為

電壓放大倍數(shù)

第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在所示電路中，已知，，試求輸出電壓的大小。

圖3.5.6例3.5.2電路解：輸入電壓為

輸出電壓為

uiuo第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一加減法運(yùn)算加法運(yùn)算放大電路三個(gè)輸入信號(hào)、、均從反相輸入端輸入，為反饋電阻，同相輸入端經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電阻接地。推導(dǎo)：圖3.5.7加法運(yùn)算放大電路

第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輸出電壓為

如果補(bǔ)償電阻的大小為：第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.5運(yùn)算放大器的應(yīng)用已知反向運(yùn)算電路的反饋電阻,輸出結(jié)果,求電路中電阻的阻值，并畫(huà)出電路圖。圖3.5.8例3.5.3設(shè)計(jì)電路比較：可得：

因?yàn)樗匝a(bǔ)償電阻R為解:第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.5運(yùn)算放大器的應(yīng)用（2）減法運(yùn)算放大電路一個(gè)輸入信號(hào)接在反相輸入端，另一個(gè)輸入信號(hào)接在同相輸入端。當(dāng)單獨(dú)作用于電路時(shí)，輸出電壓為第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)單獨(dú)作用于電路時(shí)，輸出電壓為應(yīng)為兩部分輸出電壓的代數(shù)和當(dāng)，可寫(xiě)為

當(dāng)時(shí)，減法運(yùn)算電路第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一積分和微分運(yùn)算（1）積分運(yùn)算放大電路反饋電阻用電容C代替。根據(jù)運(yùn)放電路“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，可得

輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，一般用于波形變換、延遲以及移相。積分運(yùn)算電路

R′第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一微分運(yùn)算放大電路

根據(jù)運(yùn)放電路“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，可得正比于與輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分。微分運(yùn)算電路第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一信號(hào)處理

1.電壓比較電路用來(lái)比較兩個(gè)或多個(gè)模擬信號(hào)量的大小。電路輸出的高低電平表示比較的結(jié)果。

集成運(yùn)放用作比較器時(shí)，工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，即使輸入端有一個(gè)非常微小的差值信號(hào)，也會(huì)使輸出電壓達(dá)到飽和值，接近或，稱(chēng)為集成運(yùn)放的非線(xiàn)性運(yùn)用。第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）基本電壓比較器將一個(gè)模擬量的電壓信號(hào)和一個(gè)參考電壓量進(jìn)行比較。

當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。當(dāng)時(shí)，輸入信號(hào)與零進(jìn)行電壓比較，電路稱(chēng)為過(guò)零比較器。電壓比較器電路

（a）電路（b）電壓傳輸特性圖3.5.13過(guò)零比較器電壓傳輸特性

ui+UCC-UCCUR+UCCuo+UCC-UCCuoui第34頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)為正弦波電壓時(shí)，則輸出為方波電壓。限幅的電壓比較器：將輸出電壓限制在某一特定值:有限幅的電壓比較器(a)電路(b)電壓傳輸特性過(guò)零比較器將正弦波電壓變換為方波電壓

當(dāng)時(shí)

當(dāng)時(shí)第35頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）滯回比較器滯回比較器又稱(chēng)施密特觸發(fā)器。輸入信號(hào)從反相端輸入，同相端的參考電壓是由輸出電壓經(jīng)正反饋取得的，輸出電壓在之間變化時(shí)，也跟著變化。同相輸入端參考電壓為