第二單元運算放大器及其應用

第二單元運算放大器及其應用第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)運算放大器實際上是一種直接耦合的多級放大器,具有極高的電壓放大倍數(shù),其輸入級都是用差動放大器組成的,中間級電路一般具有很大的放大倍數(shù),輸出級一般用射極跟隨器第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)一、運算放大器的結構與主要參數(shù)（一）、為了便于了解運放的內(nèi)部結構,介紹較為簡單的早期的產(chǎn)品F004P31圖2-11、組成：電路基本上由輸入級、中間級及輸出級三部分組成（1）輸入級是一個由三級管V1、V2、V3組成的恒流源差動放大器，用來產(chǎn)生較大的共模抑制比，雙端輸出到中間級第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)（2）中間級的主要作用是產(chǎn)生較大的電壓放大倍數(shù)，它由V4、V5組成的差動放大器（射極輸出）及放大管V6兩部分組成，二極管V10（用三極管代替）與電阻R7對恒流管V3提供偏置并產(chǎn)生直流反饋以穩(wěn)定靜態(tài)工作點V4、V5組成的差動放大器隔離了中間級與輸入級，減輕了輸入級的負載三極管V6的工作狀態(tài)較為特殊，它的發(fā)射極與基極分別接到差動放大器V4、V5輸出的一對差模信號上，使放大倍數(shù)成倍提高。V6管的0.7V靜態(tài)偏置是由二極管V11產(chǎn)生的，V6管的負載是輸出級的基極。輸入級與中間級總的電壓放大倍數(shù)約為5*104第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)（3）輸出級是一個由V7、V8組成的射極跟隨器三級管V9是輸出級的恒流源負載，對輸出級起到產(chǎn)生直流偏置的作用，V7、V8組成復合管形式，使這一級總的β為兩個三極管β1β2的乘積，加上V9的恒流作用使得電路極大地減小了輸出電阻，提高了集成運放帶負載的能力運算放大器盡管型號繁多，但其基本原理是相似的，由于它的放大倍數(shù)很大，因此只要輸入端有微小的零漂（這是無法避免的），輸出級就會工作到飽和區(qū)和截止區(qū)，零漂嚴重到無法正常工作第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)2、電路符號：P32圖2-2若要使運算放大器工作在放大狀態(tài)，使用時必須加上負反饋才能正常工作，因此，我們要注意的是運算放大器與外部的反饋電阻等元件是如何連接的，對運算放大器內(nèi)部的電路是根本不需要把它畫出來的一個運算放大器的電路符號通常也只需要表示出它的兩個輸入端及一個輸出端是怎樣與外部電路連接的就可以了,運放的正負電源等接線端一般也不畫出來了。兩個輸入端上分別標有“+”“-”號，“+”表示同相輸入端，意思是這一輸入端的信號的極性與輸出端的極性是相同的；“-”表示反相輸入端，意思是這一輸入端的信號的極性與輸出端的極性是相反的第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)二、運算放大器的主要技術指標1.開環(huán)差模放大倍數(shù)Aod指運放在沒有反饋時的差模電壓放大倍數(shù)。習慣上運放的Aod值是用（dB）來表示。分貝數(shù)（dB）=20lg倍數(shù)。運放的開環(huán)差模放大倍數(shù)都很高2.共模抑制比CMRR第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)3.輸入失調(diào)電壓U由于運放的放大倍數(shù)Aod極大,開環(huán)工作時即使輸入為0,輸出端的零漂還是十分嚴重的,輸出級通常就在飽和區(qū)或截止區(qū),輸出電壓接近為電源電壓。此時為了使輸出電壓為0，需要在輸入端加入一個微小的電壓。調(diào)整這一電壓的大小可以使輸出電壓為0，這一電壓就稱為“輸入失調(diào)電壓”，以符號Uio第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)4.輸入偏置電流IB與輸入失調(diào)電流Iio運放的輸入端是差動放大器的基極，靜態(tài)時兩個輸入端有一定的偏置電流，這兩個偏置電流的平均值就是運放的輸入偏置電流IB，兩個偏置電流之差就是運放的輸入失調(diào)電流Iio。5.失調(diào)電壓的溫度漂移ΔUio/ΔT與失調(diào)電流的溫度漂移ΔIio/ΔT失調(diào)電壓Uio與失調(diào)電流Iio是隨著溫度T的升高而增大的,溫度每升高1度,失調(diào)電壓或失調(diào)電流的增大值就是失調(diào)電流的溫漂。第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)6.輸入電阻由于運放輸入信號極其微小，所以輸入級一般都可用微電流源作為偏置以提高輸入電阻。輸入電阻一般都很大。7.最大差模輸入電壓Uidmax指兩個輸入端之間所能承受的最大電壓，超過這一電壓將可能使運放的輸入端擊穿。8.最大共模輸入電壓Uicmax指運放所能承受的最大共模電壓,超過這一電壓將使運放的共模抑制比顯著下降。第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)運算放大器的結構與主要參數(shù)三、運算放大器的兩種應用方式運算放大器的應用方式有線性應用與非線性應用兩種。1、線性應用是指運算放大器工作在其特性的線性區(qū)，運放內(nèi)部的三極管都工作在放大區(qū)，運放的輸入輸出關系成線性關系。這種應用方式的基本電路有反相比例、同相比例、加法、差動、積分、微分等各種運算電路。2、運放的非線性應用是運算放大器工作在其特性的非線性區(qū)，運放內(nèi)部的三極管工作在飽和區(qū)或截止區(qū)，運放的輸入輸出關系為非線性關系。這種應用方式的基本電路是比較器，用比較器可以組成電平比較、波形變換以及波形產(chǎn)生等各種應用電路第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用可以遵循兩個原則一是運放的兩個輸入端的電位相等表示同相端的電位，可以得出：U_=U+這種情況稱為“虛短”，意思是兩個輸入端猶如短路一樣，其電位是相等的。當然這不是真正的短路，所以稱為“虛短”。二是運放兩個輸入端的輸入電流為0。因為運放的輸入電阻很大，在極小的靜輸入電壓作用下，可以認為運放兩個輸入端的輸入電流為0。第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用一、反相比例放大電路P33圖2-31、電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)

Auf=U0/Ui=-IfRf/IfR1=-Rf/R1

P342、與電壓并聯(lián)負反饋計算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的公式是完全一致的。3、由于電路是深度電壓負反饋，其輸出電阻近似為零，無論電路是否帶上負載，其電壓放大倍數(shù)不變。4、R2的大小并不影響放大倍數(shù)，其作用是用來平衡運放輸入端的靜態(tài)電流在電阻R1和Rf的壓降5、電路的放大倍數(shù)取決于電阻Rf與R1之比，因此兩個電阻如果同時增大或減小若干倍是不影響放大倍數(shù)的。電路的輸入電阻R1一般可以取10~100KΩ左右第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用二、同相比例放大電路1、電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf

=U0/Ui=R1+Rf/R1=1+Rf/R1

P35與電壓串聯(lián)負反饋電路計算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的公式是完全一致的。2、作為深度電壓串聯(lián)負反饋電路具有輸入電阻接近無窮大的特點。但是，同相比例放大電路的輸入端上有較大的共模信號，運算誤差較反相比例電路大一些。3、電壓跟隨器：電阻R1斷開，并把電阻Rf與R2短接。其放大倍數(shù)為1，Uo=Ui。電路起到了隔離信號源與負載的作用。第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用三、加法運算電路加法運算電路，其輸入可以有幾個端子，輸出電壓U0與輸入端上的每一個電壓都成線性關系，因此稱為“加法運算電路”或“加法器”。Uo=-IfRf=-(I1+I2)Rf=-(Rf/R1*U1+Rf/R2*U2)

P36電路的輸出是與兩個輸入信號都成線性關系的，只是由于信號是從反相輸入端輸入的，因此輸出與輸入是反相的，如果要使輸出與輸入同相，可以在加法器的后面再加上一級反相比例放大電路或者把輸入信號全部從同相端輸入疊加，組成同相輸入的加法電路，但是這種電路對每個輸入的放大倍數(shù)不能單獨調(diào)節(jié)，使用不太方便。第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用四、差動放大電路1、電路的運算關系為輸出電壓與輸入電壓之差成正比，故稱為“差動放大電路”。2、通常電路都采用對稱的結構，即取電阻R1=R2，R3=R4,在此條件下，電路的運算關系為：

Uo=R3/R1*(U2-U1)

P37第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用五、積分器P381、概念：電路的輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比2、運算關系：u0=–1/RC∫uidt積分器通常輸入的信號是一個直流電壓，當輸入電壓為直流電壓Ui時，積分器的輸出將是一個隨著時間線性變化的斜坡函數(shù)電壓的變化速率與時間常數(shù)RC有關，時間常數(shù)RC大則變化慢，反之則變化快。式中的負號是由于輸入電壓是從反相輸入端輸入的緣故Uo=—Ui/RC*t+Uo（0）P39第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用3、積分器的應用舉例P40圖2-124、積分器存在的問題P40（1）爬行現(xiàn)象當積分器的輸入電壓為O時，輸出電壓也應該維持一個恒定的值不變，但是實際電路的輸出往往會有一些緩慢的增大或減小，這就是輸出電壓的“爬行現(xiàn)象”（2）泄漏現(xiàn)象當輸入電壓為恒定的直流時，輸出電壓本來應該是線性變化的，但是實際上由于電容本身存在漏電，相當于電容上并聯(lián)了一個絕緣電阻，因此輸出電壓的增大（減?。┧俾示捅壤硐肭闆r要慢一些，造成了積分運算的誤差。第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)運算放大器的線性應用六、微分器變化積分器中的位置，就可以組成微分器。1、輸入與輸出的運算關系：Uo=—RC*Δui/ΔtP41微分器輸出電壓的大小與輸入電壓的變化率成正比，輸入電壓變化越快輸出電壓就越大，輸入電壓變化越慢輸出電壓就越小，輸入電壓無變化就沒有輸出，而且輸出電壓的極性與輸入電壓的變化方向有關，輸入電壓增大或減小時，輸出電壓的極性是不同的。第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用一、電平比較器運算非線性應用的典型例子P42圖2-14a1、是開環(huán)使用的，運放的同相輸入端接輸入信號ui，反相輸入端接參考電平UR。由于運放有極大的放大倍數(shù)，因此輸入電壓Ui＞參考電壓UR，那么輸出端似乎就應該得到一個極大的正電壓，但是由于受到運放電源電壓的限幅，所以輸出電壓就近似于正的電源電壓+Ucc；反之，如果輸入電壓Ui＜參考電壓UR，那么輸出電壓就近似于負的電源電壓—Ucc第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用電平比較器的輸入與輸出關系為電路的傳輸特性P42圖2-14b2、如果將兩個輸入信號交換一下位置，比較器也是可以工作的。只是它的傳輸特性顛倒了,反相端輸入時的傳輸特性輸入電壓Ui＞參考電壓UR，那么輸出電壓為電源電壓—Ucc輸入電壓Ui＜參考電壓UR，那么輸出電壓為電源電壓+Ucc第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用3、過零比較器:如果比較器的參考電壓為0,這個比較器有稱為“過零比較器”，電路就只判別輸入信號是大于零還是小于零（1）帶有輸入、輸出限幅電路的過零比較器由于運算放大器作為比較器使用時運放的兩個輸入端之間存在有較大的電壓，為了避免損壞運放，在兩個輸入端之間接上兩個反并聯(lián)的二極管以限制輸入電壓，輸出電壓的大小也可以用雙向穩(wěn)壓管來達到限幅的目的。P43圖2-16（2）作用：波形變換、檢測物體P43（3）例題2-3第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用二、滯回特性比較器電平比較器的傳輸特性在輸入電壓增大與減小時，對應翻轉(zhuǎn)點的輸入電壓是相同的，都是比較電平UR。這樣的電路如果輸入電壓在參考電平附近有微小的波動（例如干擾引起的波動），則輸出電壓就會不斷翻轉(zhuǎn)，電路的抗干擾性能較差。為了解決這一問題，可以采用滯回特性比較器。第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用1、工作原理與傳輸特性P44圖2-18（1）它是電平比較器加上正反饋得到的，其傳輸特性與電平比較器的傳輸特性有著明顯的區(qū)別，當輸入電壓增大與減小時，翻轉(zhuǎn)點的電平是不一樣的（2）設雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，當輸入電壓為較大的負值時，輸出電壓應為+UZ。同相端的電壓（即翻轉(zhuǎn)電壓）應為：U′=UZ*R2/R1+R2第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用（3）當輸入電壓逐漸增大到略大于U′時,輸出電壓翻轉(zhuǎn)為-UZ.由于反饋的作用,這一翻轉(zhuǎn)的過程是很快的,此時運放同相端的電壓也相應改變?yōu)樨撝?即:

U"=-UZ*R2/R1+R2

（4）在輸出翻轉(zhuǎn)之后,如果輸入電壓減小到比原來的翻轉(zhuǎn)電壓U′略小一些,由于同相端的翻轉(zhuǎn)電壓已經(jīng)變?yōu)樨撝?U"),因此電路不可能再次翻轉(zhuǎn).這一情況一直要維持到輸入電壓減小到比U"略小一些之后,才會再次翻轉(zhuǎn),這樣大大地提高了電路的抗干擾能力.

4、例題2-4P44~P45第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用三、非正弦波發(fā)生器1、矩形波發(fā)生器P46圖2-20電路是由滯回特性比較器與RC充放電電路組成的,當比較器輸出電壓為正值時,輸出電壓U0通過電阻R對電容C充電.電容電壓uC隨指數(shù)規(guī)律上升,待電容電壓上升到翻轉(zhuǎn)電壓U′時,輸出翻轉(zhuǎn)為負值,電容放電(放電完畢后又隨之反向充電),電容電壓隨指數(shù)規(guī)律下降,待電壓下降到翻轉(zhuǎn)電壓U"時,輸出電壓又翻轉(zhuǎn)為正值¨¨¨,如此周而復始,反復振蕩。由于電路充電與放電的時間常數(shù)相同，翻轉(zhuǎn)點的電壓U′與U"的絕對值也相同，因此充放電的時間是相同電路輸出的波形是正、負半周對稱的矩形波，矩形波的幅度為雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓±UZ，電容充放電波形的幅值為比較器的翻轉(zhuǎn)電壓U′與U"。T=2RCln（1+2R2/R1）第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用2、鋸齒波發(fā)生器P47圖2-21（1）組成運放N1組成的電路是滯回特性比較器，輸出矩形波。運放N2則組成一個積分器，輸出鋸齒波。（2）工作原理N1：輸出U01不是+Uz就是—UzN1的輸入電壓就是N2的輸出電壓N1的參考電壓OVU‘=—U“=R2/R3*Uz（參考P46）第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用當積分器輸入+Uz的作用下，二極管V2導通，積分器通過R5對電容充電，運放N2輸出線性下降，待輸出電壓U02達到翻轉(zhuǎn)電壓U"時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，U01輸出-Uz，此時積分器的輸出電壓U02上升，二極管V2截止，積分器只有通過電阻R6才能使電容放電（接著反向充電），由于電阻R6比R5要大得多，電路的積分時間常數(shù)大大增大，輸出電壓U02的上升速度就大大減慢，待電壓上升到了翻轉(zhuǎn)電壓U'時，比較器輸出再次翻轉(zhuǎn)，U01輸出+Uz，積分器輸出電壓U02又會以較快的速度下降，……如此振蕩不已。輸出波形：見上冊P47圖2-21C

第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用（3）、斜率與周期鋸齒波上升時的斜率為 Uz/R5C電壓從U"上升到U'，其上升的幅度為2U'2U'=Uz/（R5*C）*T1周期：T≈T1+T2=2*（R2/R3）*（R6*C）+2*（R2/R3）*（R5R6/R5+R6）*C≈T1

這個電路的缺點是鋸齒波的幅度與頻率不能分別調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)鋸齒波的幅度需要改變R2與R3的比值,但此時輸出的頻率也改變了。第四十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用3、三角波發(fā)生器（1）組成N1是積分器,輸出三角波,積分器的輸入電壓的大小由電位器RP1調(diào)節(jié),起到調(diào)節(jié)振蕩頻率的作用.

,如調(diào)節(jié)電位器RP1或改變R2、C的參數(shù)對電路的影響是電路的振蕩頻率會變化N3是電平比較器,輸出矩形波,它的輸出接有限幅電路可以通過電位器RP2調(diào)節(jié)輸出矩形波的正向幅度,通過電位器RP3調(diào)節(jié)輸出矩形波的負向幅度第四十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)運算放大器的非線性應用

N2是電平比較器，它的兩個輸入端通過電阻R3，R4分別與電壓U01，U03相接，當這兩個輸入端的電壓大小相等，極性相反時，N2的輸出就會翻轉(zhuǎn)，其輸出電壓受VD1、VD2的限幅為+/-0.7V的方波（2）工作原理

當電路輸出的U03為