《電子電工技術(shù)》課件-第十章 集成運算放大器

第十章集成運算放大器第一節(jié)集成運算放大器的概述第二節(jié)集成運算放大器的輸入方式第三節(jié)集成運放在信號運算方面的應(yīng)用第四節(jié)集成運放在信號測量方面的應(yīng)用第五節(jié)集成運放的非線性應(yīng)用第六節(jié)集成運放在信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用第一節(jié)集成運算放大器的概述一、集成電路的特點1.元器件參數(shù)的一致性和對稱性好。2.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。3.電阻的阻值受到限制。大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；4.電容的容量受到限制。電感不能集成，故大電容、電感和變壓器均需外接。運算放大器是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。集成運放是將整個電路的各個元件做在一個半導(dǎo)體基片上。二、集成運放的組成1.集成運放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖輸入級輸出級中間級輸入級—差動放大器輸出級—射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級—電壓放大器2、集成運放的基本結(jié)構(gòu)輸入級中間級輸出級-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端V3V4V1V2基本原理框圖V5-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端V3V4V5V1V2要求：輸入級盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大。-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端V3V4V5V1V2輸入級中間級足夠大的電壓放大倍數(shù)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端V3V4V5V1V2輸入級中間級輸出級主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小。V3V4V1V2

u＋

u－反相端同相端uo與uo反相與uo同相V5uou+u–3、集成運算放大器的符號輸出端反相輸入端同相輸入端Au0信號傳輸方向理想運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)ri高:幾十k

幾百k實際運放：KCMRR很大ro小：幾十~幾百Au0很大:104以上~107理想運放：ri

KCMRR

ro

0Au0

運放符號：三、理想集成運放的特點和符號－＋＋

u－

u+

uoAu0_++u+u-u01、集成運放的參數(shù)2、電壓傳輸特性Ao越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。實際運放uo_++Au0uiUO（sat）–UO（sat）Uim–UimuiuO0ui=u+-u-

理想運放的電壓傳輸特性UO（sat）–UO（sat）理想運放

uo=

f

(

ui

)

,其中

ui

=

u+–

u–

uOui0uiuo++–“虛斷路”原則+iiui對于理想運放rid相當于兩輸入端之間短路uiiirid=對于理想運放u–u+相當于兩輸入端之間斷路uOii

0Auoui

0,rid,“虛短路”原則213、理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)+uo=ui–u–=uAuo+uiuO++––**：由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。理想運放的條件：放大倍數(shù)與負載無關(guān)，可以分開分析。虛短路虛斷路第二節(jié)集成運算放大器的輸入方式一、反相輸入_++RFR1RPuiuoi1iFi1=iF_++RFR1RPuiuo電路的輸入電阻：Ri=R1反饋方式：電壓并聯(lián)負反饋輸出電阻很小！平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等。RP=R1//RF電位為0，虛地。輸入電阻小、共模電壓為0，以及“虛地”是反相輸入的特點二、同相輸入_++RFR1RPuiuou-=u+=ui電壓串聯(lián)負反饋輸入電阻高。共模電壓：ui沒有虛地概念。ifi1當RF=0，R1=時，電路為電壓跟隨器_++RFuiuo此電路是電壓串聯(lián)負反饋，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，但是電壓跟隨性能好。三、差動輸入_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：

差動運算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進行分析ui1i2u"uo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′uO=

1+

u+RFR1″=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3_++RFR1R1ui2uoRFui1差動信號放大了兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高（2R1）。若取R2=R1，R3=RF則：以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負反饋，因此輸出電壓穩(wěn)定，輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高，差動輸入電阻亦小。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。第三節(jié)

集成運放在信號運算方面的應(yīng)用uiuoi1iFRFR1R2uo

=

uiRFR1有：1.反相比例運算電路一、比例運算RFRR12uiuouo

=

1+

u+RFR1

=

1+

uiRFR12.同相比例運算電路有：uiuo3、同相跟隨器uo

=uiRFR若不接入電阻R、RF，運算關(guān)系不變二、加法運算：_++RFR11R12ui2uoRPui1i11i12iF1.差動比例運算電路uoRFR1R1RF三、

減法運算電路ui1ui2差動比例運算是減法運算電路的一種形式

（ui2

uO=RFR1-

ui1）11ui1212.兩級反相輸入減法運算電路132212A2A1uo11uRRRRRRRi2F2=

—–

–

—–uoui1

ui2RRRR

13

12F2F2應(yīng)用舉例：tui0四、積分運算：tuo01、輸入方波，輸出是三角波。i1iFu

i-++RR2Cuo2、如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0U-Uo（sat）TM積分時限五、微分運算：u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFC1、若輸入：則：tui0tuo0微分應(yīng)用舉例uuOiC

duidtuo=

–

RC

–—uouiＲＲ輸出與輸入的關(guān)系式為2、若輸入為方波則輸出波形為uiuoi1ifRFR1R2虛地：ui1

=—iR1例1:反相比例運算電路R3R4設(shè):

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3uiuouo'uo=R4R3R4+uo得'uoif

=–RF'例2：求解微分方程dtduo–5uo

=10ui根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：uouiA1A3A210k100k100k150k50k50k0.1FuouiA1A3A210k100k100k150k50k50k0.1Fuo1dtduo–5uo

=10ui例3.T型電阻網(wǎng)絡(luò)電路I=I1-I2=（1+RF1RF2）U1R1RF2I1I1I2IRF1RF3R1U1UO設(shè)計實驗內(nèi)容：設(shè)計一個交流放大器要求：1、由兩個以上的集成運放組成2、輸入電阻10K3、電壓放大倍數(shù)=1034、輸入和輸出同相第五節(jié)、集成運放的非線性應(yīng)用所謂非線性應(yīng)用是指，由運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。++Auouiuoui運放處于非線性狀態(tài)。一、處于開環(huán)非線性狀態(tài)運放的特點1、虛短路不成立。（u+u-）2、輸入電阻仍可以認為很大。（ii0）3、輸出電阻仍可以認為是0。4、輸出只有兩種狀態(tài)，u+>u-uo=+UO(sat)

u+<u-uo=-UO(sat)二、單限電壓比較器uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）UR++uouiUR設(shè)：UR大于零uoui0+Uo（sat）-Uo（sat）1、過零比較器++uoui++uouituituo+Uo（sat）-Uo（sat）例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?+uiuoUZuoui0+UZ-UZ穩(wěn)定輸出電壓-UZ2、

反相輸入任意電平比較器R1R2R3URDzUR0uiuouOuiUZ設(shè)UR>0UZ總結(jié)1、電路簡單。2、容易引入干擾。tuituo過零附近仍處于放大區(qū)3、當Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。三、遲滯電壓比較器1、下行的遲滯比較器分析：（1）、因為有正反饋，所以能加速輸出端的翻轉(zhuǎn)（2）、當uo正飽和時：（3）、當uo負飽和時：比較電壓由原來的輸出決定－++uoR1RfR2uiU+傳輸特性U+HU+L翻轉(zhuǎn)后增大了U+-U-，進一步加速翻轉(zhuǎn)URH-URL稱為回差小于回差的干擾不會引起跳轉(zhuǎn)下限上限uoui0Uo（sat）-Uo（sat）uRHuRLtuiURHURLtuoUo（sat）-Uo（sat）輸入正弦波的情況加上參考電壓后的上下限－++uoR1RfR2uiUR加上參考電壓后的傳輸曲線uoui0U+H.uRHuRL2、上行的遲滯比較器從u+=0時翻轉(zhuǎn)，可以求出上下限。－++uoR1RfR2uiuoU+HU+Lui0Uo（sat）-Uo（sat）傳輸特性曲線uRHuRL另一種電路形式？如何計算上下限？用UZ代替Uo（sat）－++R1RfR2uiuoUZ另一種電路形式？如何計算上下限？上下限不同！－++R1RfR2uiuoUZ電壓比較器的分析方法1.

輸出電壓躍變的條件u–u

=+由此可求出電壓比較器的門限電壓2.

電壓傳輸特性u–u

>+uo>0；時，u–u

<+uo<0。時，輸出端不接

DZ時，

uo

=

UO(sat)輸出端接

DZ限幅時一般為，

uo

=

UZ1、產(chǎn)生自激振蕩的原理基本放大電路Ao反饋電路F+–改成正反饋正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩第六節(jié)集成運放在信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用一、正弦波發(fā)生器+如果：k閉合,去掉仍有信號輸出?；痉糯箅娐稟o反饋電路F++k基本放大電路Ao反饋電路F反饋信號代替了放大電路的輸入信號若，則仍有穩(wěn)定輸出自激振蕩條件的推導(dǎo)：自激振蕩的條件：因為：所以自激振蕩條件可以寫成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋，振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達到。進一步理解自激振蕩：基本放大電路Ao反饋電路F++如果：輸入信號為0時仍有信號輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。自激振蕩的頻率必須是一定的，也就是說在放大、反饋回路中應(yīng)該有選頻作用，將不要的頻率抑制掉。如何啟振？在振蕩建立的過程中，|A0F|>1也就是說每次Xf大于前一時刻的Xf。振蕩的建立過程也就是|A0F|從大于1到等于1的過程。2、振蕩器的組成:放大環(huán)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)3、RC振蕩電路用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2R1C1R2C2時相移為0。如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：_++R2uoR1用運放組成的RC振蕩器：所以只有在f0處才滿足相位條件：因為：A0F=1ufRCRC_++RTuoRCRCR1t能自行啟動的電路（1）uotRtAu半導(dǎo)體熱敏電阻起振時RT>2R1,uo越大則RT越小。能自行啟動的電路（2）uo_++R21RCRCR1D1D1R22R21+R22略大于2R1,隨著uo的增加，R22逐漸被短接，Au自動下降。R1R2uOui

R3R1UZRFDZ遲滯電壓比較器二、方波發(fā)生器1.電路的組成

方波發(fā)生器CRFuOR2uoUZR3UZR1DzCuCFUZ-UZ-FUZt2.

方波發(fā)生器的工作原理ucuo=

–UZu+=

–FUZ設(shè)uo=UZu+=

FUZ，C充電；，C放電；當uC

=

FUZ0T1T2RFuOR2uOUZR30UZR1DZCuCFUZ-UZ-FUZtuC3.方波發(fā)生器的主要參數(shù)2R2周期

T=2RFCln(1+R1)幅度

Uom=UZTR4R2

R3R1UZDZ