《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)踐》課件 第8章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

《電工電子技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐》

第八章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

§1集成運(yùn)算放大器概述§2放大電路中的反饋§3基本運(yùn)算電路§4電壓比較器§5信號(hào)發(fā)生器本章內(nèi)容§3基本運(yùn)算電路

運(yùn)算放大器是具有很高的開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合的多級(jí)放大電路。集成運(yùn)放將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在一個(gè)半導(dǎo)體基片上。

集成運(yùn)放的封裝外形如右圖所示。使用時(shí)，要根據(jù)所用集成電路型號(hào)的管腳圖來(lái)連接。優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小?！?集成運(yùn)算放大器概述LM324§1集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器的組成差動(dòng)放大輸入級(jí)u-u+中間放大級(jí)互補(bǔ)輸出級(jí)恒流偏置電路

差動(dòng)輸入級(jí)有兩個(gè)輸入u+、u-，當(dāng)信號(hào)從u-輸入，輸出uo與u-極性相反，稱u-反相輸入端；當(dāng)信號(hào)從u+輸入，輸出uo與u+極性相同，稱u+同相輸入端。增益級(jí)一般高增益共射電路低阻功率輸出級(jí)，提高負(fù)載能力。提供穩(wěn)定合適的偏流一般由恒流源組成uo其輸入電阻高、能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)?！?集成運(yùn)算放大器概述與uo反相與uo同相集成運(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-反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS§1集成運(yùn)算放大器概述Auo開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)u+u-輸出端反相輸入端同相輸入端信號(hào)傳輸方向

uiuo集成運(yùn)算放大器的符號(hào)§1集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)1、最大輸出電壓UOPP

集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的最大不失真輸出電壓。一般略小于電源電壓。2、開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0

在沒有外接反饋電路時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)。3、差模輸入電阻rid

差模信號(hào)作用時(shí)集成運(yùn)放的輸入電阻。一般在1M

以上。4、開環(huán)輸出電阻ro

集成運(yùn)放沒有引入負(fù)反饋情況下的輸出電阻。一般是幾百歐姆?！?集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器電壓傳輸特性u(píng)o_+

+Au0uiAu0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)。Uom–UomUim–Uimuiuo0線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)

傳輸特性是表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線。即uo=

f

(

ui

)

線性區(qū)：uo

=Au0ui

非線性區(qū)(飽和區(qū))：

當(dāng)ui>Uim

時(shí)，uo

=Uom當(dāng)ui<-Uim

時(shí)，uo

=-Uom§1集成運(yùn)算放大器概述理想運(yùn)算放大器1.運(yùn)算放大器理想化模型rid高：幾十k

幾百k

實(shí)際運(yùn)放：KCMRR很大ro?。簬资?/p>

~幾百

Au0很大：104以上~107理想運(yùn)放：rid

KCMRR

ro

0Au0

-

++

u-

u+

uoAu0

由于運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其為理想運(yùn)放。_+

+

u+u-uo§1集成運(yùn)算放大器概述2.理想運(yùn)算放大器的特性理想運(yùn)放Au0

Uom–Uomuiuo0飽和區(qū)飽和區(qū)§1集成運(yùn)算放大器概述（1）理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)必須引入深度負(fù)反饋uo相當(dāng)于兩輸入端之間短路，但實(shí)際上沒有短路。1)“虛短”原則ui-++兩個(gè)輸入端的電位基本相等2)“虛斷”原則riduo+iiui-+i+i-集成運(yùn)放的輸入電流可忽略不計(jì)相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但實(shí)際上并沒有斷路?！?集成運(yùn)算放大器概述

（2）理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)特點(diǎn)uiuo0特點(diǎn)：1）當(dāng)

u+>u-,uo=+Uom,

u+<u-,uo=-Uom

;2）

因輸入電阻無(wú)窮大,

故凈輸入電流為零。Uom–Uomuoui-++§1集成運(yùn)算放大器概述1.什么是反饋反饋的基本概念

電子電路輸出量的一部分或全部通過一定的方式引回到輸入回路，用來(lái)影響輸入量的措施稱為反饋。輸入信號(hào)比較電路凈輸入信號(hào)輸出信號(hào)反饋信號(hào)反饋系數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)§2放大電路中的反饋閉環(huán)放大倍數(shù)§2放大電路中的反饋2.負(fù)反饋放大電路的一般表達(dá)式

反饋的分類（1）正反饋和負(fù)反饋若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào),使凈輸入量減小—

負(fù)反饋若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào),使凈輸入量增大—

正反饋（2）直流反饋和交流反饋直流通路中存在的反饋—直流反饋交流通路中存在的反饋—交流反饋（3）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)，以電壓方式相疊加—串聯(lián)反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)，以電流方式相疊加—并聯(lián)反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓，與輸出電壓成比例—電壓反饋反饋信號(hào)取自輸出電流，與輸出電流成比例—電流反饋（4）電壓反饋和電流反饋§2放大電路中的反饋反饋的判斷1.有無(wú)反饋判斷—找聯(lián)系

找輸出回路與輸入回路的聯(lián)系，若有則有反饋，否則無(wú)反饋。_+

+

無(wú)反饋_+

+

_+

+

有反饋將輸出電壓全部反饋回去_+

+

§2放大電路中的反饋無(wú)反饋2.反饋極性的判斷—※瞬時(shí)極性法：“看反饋的結(jié)果”:

即凈輸入量是被增大還是被減小。（1）在放大電路的輸入端，假設(shè)一個(gè)輸入信號(hào)的電壓瞬時(shí)極性，可用“+”或“-”；（2）按信號(hào)傳輸方向經(jīng)基本放大器

反饋網(wǎng)絡(luò)，判斷相關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)極性,直至判斷出反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性；（3）如果反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性使凈輸入減小，則為負(fù)反饋；反之為正反饋。

§2放大電路中的反饋-+

+

-+

+

-+

+

凈輸入電流減小，負(fù)反饋凈輸入電壓增大，正反饋判斷電路中是否引入了反饋,正反饋還是負(fù)反饋

?凈輸入電壓減小，負(fù)反饋例§2放大電路中的反饋3.串聯(lián)、并聯(lián)反饋的判斷—看輸入端4.電壓、電流反饋的判斷—看輸出端（短路法）

假設(shè)

u0=0，看反饋是否還存在，若此時(shí)反饋不存在了，則是電壓負(fù)反饋。否則，為電流反饋。

從放大電路的輸入端看，如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)接在放大電路的同一輸入端上，反饋量與輸入量以電流方式相疊加，則為并聯(lián)反饋；如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)分別接在放大電路的兩個(gè)輸入端上，以電壓方式相疊加，則為串聯(lián)反饋?！?放大電路中的反饋例2.-+

+

判斷負(fù)反饋組態(tài)。看輸出：假設(shè)輸出電壓為零，則反饋信號(hào)消失，因此屬于電壓反饋。看輸入：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)都加在放大電路

反相輸入端，以電流方式相疊加，因此為并聯(lián)反饋。綜上所述，該電路存在電壓并聯(lián)負(fù)反饋?！?放大電路中的反饋反饋深度稱為深度負(fù)反饋，此時(shí)：若在深度負(fù)反饋的情況下，放大倍數(shù)只與反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)有關(guān)。引入負(fù)反饋使電路放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高?！?放大電路中的反饋1.穩(wěn)定放大倍數(shù)負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響2024/11/292.拓寬通頻帶引入負(fù)反饋使電路的通頻帶寬度增加：放大電路的頻率特性§2放大電路中的反饋24§2放大電路中的反饋引入負(fù)反饋后，非線性失真減小到基本放大電路的(1+AF)分之一。AoAoFuo加反饋前加反饋后243.改善波形的非線性失真uiuouiuduf4.負(fù)反饋改變了輸入電阻和輸出電阻串聯(lián)負(fù)反饋━使輸入電阻增加；并聯(lián)負(fù)反饋━使輸入電阻減小。電壓負(fù)反饋━穩(wěn)定輸出電壓，降低輸出電阻電流負(fù)反饋━穩(wěn)定輸出電流，增加輸出電阻§2放大電路中的反饋比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算電路uo_+

+

RFR1R2uii1iFi1=iF虛短虛斷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。電位為0，虛地§3基本運(yùn)算電路uo_+

+

RFR1R2uii1iF特點(diǎn):電路的輸入電阻：輸出電阻很小，近似為0！平衡電阻，使運(yùn)放輸入級(jí)差動(dòng)放大電路靜態(tài)時(shí)兩個(gè)輸入端對(duì)“地”有相同的等效電阻。

R2=R1//RF當(dāng)R1=RF時(shí),稱此種運(yùn)算電路為反相器§3基本運(yùn)算電路2.同相比例運(yùn)算電路_+

+

RFR1R2uiuoiFi1i+i-u-u+虛短虛斷§3基本運(yùn)算電路當(dāng)RF=0，R1=

時(shí)，電路為電壓跟隨器。_+

+

uiuo

此電路輸入電阻大(高達(dá)10M

)，輸出電阻近似為0，電壓跟隨性能好。uo_+

+

R1R2uiRF§3基本運(yùn)算電路求圖中所示電路uo的值。解：圖示電路為一電壓跟隨器。例1.§3基本運(yùn)算電路求電路中u

o與u

i的運(yùn)算關(guān)系式。_+

+

R1FR11R12ui+__+

+

R2FR21R22uo+_解:例2.§3基本運(yùn)算電路3.加法運(yùn)算電路ii2iFii1R12_++

RFR11ui2uoR2ui1

調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便?！?基本運(yùn)算電路2024/11/29§3基本運(yùn)算電路當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，4.減法運(yùn)算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進(jìn)行分析ui1i2u§3基本運(yùn)算電路若取R2=R1，R3=RF，則：當(dāng)RF=R1

時(shí)，則得R3//R2=R1//RF§3基本運(yùn)算電路ui1_+

+

RFR1R2ui2uoR3ui1_+

+

RFR1R1ui2uoRF差分減法放大器也可以依據(jù)虛斷、虛短推導(dǎo)，如下：RFR1R1ui2uoRFui1§3基本運(yùn)算電路[例]

如圖所示，兩級(jí)運(yùn)算電路試求

uO。[解]前級(jí)A1

是加法運(yùn)算電路uO1=

(0.2

0.4)V=0.2V后級(jí)A2是減法運(yùn)算電路uO=(

0.6

0.2)V=

0.8V∞+－+∞+－+－＋uOA1RuO1RRA2R3R3R3RR0.2V－0.4V－0.6V§3基本運(yùn)算電路5.積分運(yùn)算電路i1iFu–=u+=0ui-++R1R2Cuo§3基本運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路uOR1R2CFuI+–+–uC+–+–+iFiI當(dāng)uI

為階躍電壓時(shí)，則

uO隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，最后達(dá)到負(fù)飽和值。uOOtuIOt§3基本運(yùn)算電路應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出三角波。tui0tuo0§3基本運(yùn)算電路6.微分運(yùn)算電路ui-++uoRRi1iFC如若輸入：則：uit0t0uo§3基本運(yùn)算電路

集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用：

是指由運(yùn)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)不再是線性關(guān)系。uo

絕大數(shù)理想運(yùn)放處于開環(huán)或僅有正反饋。++uo

§4電壓比較器

處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)1.虛短路不成立；2.輸入電阻仍可以認(rèn)為很大（即虛斷仍存在）；3.輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。

分析方法三個(gè)要素：1.輸出電壓的UOH和UOL；2.閾值電壓UT，此時(shí)u+=

u-

；uo從UOH變到UOL，或從UOL變到UOH，所對(duì)應(yīng)輸入的電壓ui。3.當(dāng)ui=UT時(shí)，uo的躍變方向?！?電壓比較器1.單門限電壓比較器反相比較器電路UR=0+UＯＭ-UＯＭUR

電路只有一個(gè)閾值電壓。ui逐漸增大或減小過程中，當(dāng)通過UT時(shí)，uo產(chǎn)生躍變。uiuo0

傳輸特性分析過零比較器

uo

ui

UR+-§4電壓比較器同相比較器電路

uo

ui

UR傳輸特性：-UOM+UOMuiuo0+-+§4電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲āuiUＯＭ-UＯＭuot例

uo

ui+-+§4電壓比較器2.輸出限幅電路

為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，若要求比較器的輸出電壓穩(wěn)定在一定數(shù)值上時(shí),輸出端加限幅電路。具有限幅電路的比較器用穩(wěn)壓管限幅！uoui0+UZ-UZ雙向穩(wěn)壓管不可缺少！47§4電壓比較器++uiuo

UZ3.遲滯電壓比較器（1）分析：

因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?/p>

當(dāng)uo正飽和時(shí)：當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)：u+ui－++RFR2uouiR1

UZ§4電壓比較器u＋－++uiuo

UZURH–URL稱為回差（2）傳輸特性跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加速跳轉(zhuǎn)小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)下限閾值上限閾值uoui0UZ-UZURHURLR2R1RF§4電壓比較器tuoUZ-UZtuiURHURLURH-URL稱為回差２．傳輸特性跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加速跳轉(zhuǎn)小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)下限閾值上限閾值uoui0UZ-UZURHURL§4電壓比較器1.方波信號(hào)發(fā)生器

反相的滯回比較器，輸出經(jīng)RC電路再輸入到此比較器的反相輸入端。RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。ui

反相的滯回比較器：起開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。uo

UZR2R1C+uc–RF－++§4信號(hào)發(fā)生器uo

UZR2R1C+uc–RF上下門限電壓：ui－++§4信號(hào)發(fā)生器

工作原理（1）

設(shè)uo

=

+UZ此時(shí)，輸出給C充電!則：u+=UH0tuoUZ-UZU+Huc0t一旦uc>UH

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ

變成－UZ

在uc<UH

時(shí)，u-

<u+,uo

保持+UZ

不變；uo

UZR2R1C+uc–RF－++§4信號(hào)發(fā)生器0UHuctULUZuo0t-UZ此時(shí)，C經(jīng)輸出端放電!（2）當(dāng)uo

=

-UZ

時(shí)，u+=ULuc降到UL時(shí)，uo上翻。當(dāng)uo

重新回到＋UZ以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。Tuo

UZR2R1C+uc–RF－++§4信號(hào)發(fā)生器電壓比較器積分電路電路組成

用積分運(yùn)算電路可將方波變?yōu)槿遣ā?5§4信號(hào)發(fā)生器2.三角波信號(hào)發(fā)生器_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R4R3u+=R1+

R2R1·uo1+R1+

R2R2·uou-=0uo1=+UZuo=-(+UZ)t

RC1三角波發(fā)生電路的振蕩原理56§4信號(hào)發(fā)生器_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R4R3u+>0u+<0uo1=+UZuo1=-UZ57§4信號(hào)發(fā)生器_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R4R3u+=R1+

R2R1·uo1+R1+

R2R2·uou+=0uo1=+UZ時(shí)uo1=-UZ時(shí)R1R2uo=+UZuo=-UZR1R258§4信號(hào)發(fā)生器_uo-+++R