電子技術(shù)基礎(chǔ)劉繼承第2章

1、第2章 集成運(yùn)算放大電路,第1節(jié) 集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 和理想運(yùn)算放大器 第2節(jié) 集成運(yùn)算放大器的三種輸入組態(tài) 第3節(jié) 運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用 第4節(jié) 集成運(yùn)算放大器在算術(shù)運(yùn)算電路 應(yīng)用中需注意的問(wèn)題,主菜單,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,退 出,第2章 集成運(yùn)算放大器,開(kāi) 始,作 ？業(yè),本章主要介紹集成運(yùn)算放大器的構(gòu)成特點(diǎn)、伏安特性和主要參數(shù)，分析基本運(yùn)算電路的工作原理、分析方法和性能指標(biāo)以及集成運(yùn)算放大器的一些典型的線性應(yīng)用。,集成電路是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體器件。常見(jiàn)的集成電路的外形有：雙列直插式、圓殼式河扁平式，如圖：,主菜單,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,作 ？

2、業(yè),退 出,開(kāi) 始,第2章 集成運(yùn)算放大器,第2章 集成運(yùn)算放大器,集成運(yùn)算放大電路實(shí)物圖。,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,作 ？業(yè),退 出,集成運(yùn)算放大器中的單元電路包括輸入級(jí)、 中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分構(gòu)成。,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 輸入級(jí)：差分放大器； 中間級(jí)：電壓放大器； 輸出級(jí)：功率放大器； 偏置電路：采用恒流源電路。,退 出,作 ？業(yè),主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,電路結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.1.1（a）；,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),集成運(yùn)算放大器電路符號(hào)如圖2

3、.1.1 (b)。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,退 出,集成運(yùn)算放大的器的一些特點(diǎn)與其制造工藝緊密相連，主要有以下幾點(diǎn)：,由于構(gòu)成運(yùn)放的元器件處在一個(gè)硅片上，距離近，對(duì)稱性好。適于構(gòu)成差分放大電路，有效的抑制運(yùn)算放大電路的零點(diǎn)漂移。,作 ？業(yè),2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),集成運(yùn)放內(nèi)部一般用恒流源提供各級(jí)放大電路的直流偏置，或用于有源負(fù)載。, 受集成電路體積的限制，電容和電感難于被集成，因此內(nèi)部采用直接耦合。電容和電感必須用時(shí)大都采用外接的辦法。,作 ？業(yè),退 出,主菜單

4、,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 由于集成運(yùn)放具有很高的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，線性應(yīng)用時(shí)需要加入深度負(fù)反饋，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)放大電路。,圖2.1.2（a）為集成運(yùn)算放大器的基本電路，+U和-U為直流電源，u1和u2是輸入信號(hào)，uO是輸出信號(hào)。由于通常只關(guān)心電路的功能，所以直流電源通常并不畫(huà)出如圖（b）所示。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,

5、返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),圖2.1.3 集成運(yùn)算放大器小信號(hào)模型,上圖中，u i=u 1-u 2稱為差模輸入，uO與（u 1-u 2)的比值稱為差模放大倍數(shù)，記作：Aud。,即：,信號(hào)：u 1=u 2 稱為共模信號(hào)； u 1=-u 2稱為差模信號(hào)。一般情況，任意兩個(gè)信號(hào)u 1和u 2可以寫(xiě)成共模分量u iC和差模分量u id的疊加。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),Aud=,uo,_,u 1-u 2,共模分量 u i

6、C=,差模分量 u id=,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),_,u 1+u 2,2,u 1-u 2,2,_,即： u 1=u iC+u id ; u 2 =u iC u id,集成運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用中十分重要，直接關(guān)系到所組成的應(yīng)用電路的性能。但在不同應(yīng)用電路中各項(xiàng)指標(biāo)有所側(cè)重。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),一般可以把集成運(yùn)算放大器的指標(biāo)分為三類(lèi)：直流指標(biāo)、小信號(hào)指標(biāo)和大信號(hào)指標(biāo)。見(jiàn)下表：,表2.1.1 集成運(yùn)算放大器指標(biāo)分類(lèi),作 ？業(yè),

7、退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,主要性能指標(biāo)的圖示,IBN+I BP,2,2.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,主要性能指標(biāo)的圖示,2.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.3 理想運(yùn)算放大器,由于運(yùn)算放大器性能優(yōu)良，將實(shí)際運(yùn)放看成理想運(yùn)放差別并不大。理想化后對(duì)分析和應(yīng)用都十分便利。,理想運(yùn)放的理想化指標(biāo)：,1. 輸入阻抗無(wú)限大

8、：r id=；,2. 開(kāi)環(huán)差模增益無(wú)限大：A ud=；,3. 共模信號(hào)增益等于零: A uc=0;,4. 頻帶寬度無(wú)限大：f h=。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.3 理想運(yùn)算放大器,由此可得理想運(yùn)放等效模型，如圖2.1.8,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.3 理想運(yùn)算放大器,由理想運(yùn)放的理想?yún)?shù)，可得理想運(yùn)放的兩個(gè)理想化條件：,因?yàn)椋篈 uo=，所以：U+=U，稱為“虛短” ； 因?yàn)椋簉 id=， 所以：i += i ，稱為“虛斷” 。,以上兩個(gè)理想化條件，又稱作“強(qiáng)制零輸入”，是分析運(yùn)算放大器線性應(yīng)用的理

9、論依據(jù)。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.1.3 理想運(yùn)算放大器,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下理想運(yùn)算放大器的工作特性。,理想運(yùn)算放大器的工作特性,2.2 集成運(yùn)算放大器的三種輸入組態(tài),集成運(yùn)算放大器應(yīng)用電路中, 根據(jù)信號(hào)的輸入端不同，可以分為反相輸入、同相輸入和差分輸入三種輸入方式。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下反相比例電路。,反相比例電路,2.2.1 反相輸入組態(tài),2.2.1 反相輸入組態(tài),圖2.2.1 反相輸入比例運(yùn)算電

10、路,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,反饋電阻,平衡電阻,輸入回路電阻,RP=R1/R F,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.1 反相輸入組態(tài),根據(jù)“虛短”和“虛斷”兩個(gè)理想化條件,由圖2.2.1可得：,式中：- R F R 1為比例系數(shù);或稱電壓放大倍數(shù)A uf。,圖2.2.2 為電壓傳輸特性。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.1 反相輸入組態(tài),例2.2.1 在高增益反相放大電路中為了避免使用過(guò)大的電阻，常采用圖2.2.3所示電路。 (1)導(dǎo)出輸出電壓u o與輸入電壓u i的關(guān)系

11、； (2)若R 1=1M,R 2= R 4 = 500K,R 3=2K，電壓增益為多大？此電路相當(dāng)于接多大的單反饋電阻R F？ (3)R P應(yīng)如何選??？,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.1 反相輸入組態(tài),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下同相比例電路。,同相比例電路,2.2.2 同相輸入組態(tài),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.2 同相輸入組態(tài),圖2.2.4 同相輸入比例運(yùn)算電路,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.2

12、 同相輸入組態(tài),根據(jù)“虛短”和“虛斷”兩個(gè)理想化條件,由圖2.2.4可得：,式中：(1+ R F R 1)為比例系數(shù);或稱電壓放大倍數(shù)A u f。,圖2.2.7 為電壓傳輸特性。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.2 同相輸入組態(tài),當(dāng)比例系數(shù)（1+R FR 1）中，R F=0或R 1=時(shí)，即R F R 1=0時(shí), u o=u i；電路稱為電壓跟隨器。如圖2.2.5所示。,同相輸入與反相輸入組態(tài)相比較電路特點(diǎn)有：,同相輸入比反相輸入組態(tài)輸入電阻大；對(duì)放大有利。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.2 同相輸入組態(tài),同相

13、輸入比反相輸入組態(tài)共模分量也大；對(duì)放大不利。,同相輸入組態(tài)，輸出與輸入信號(hào)符號(hào)相同；反相輸入組態(tài)，輸出與輸入信號(hào)符號(hào)相反。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.2 同相輸入組態(tài),例2.2.2 理想集成運(yùn)算放大器構(gòu)成圖2.2.8所示電路，若R 1= R 2=100k， R 3=50k, R 4=200k。 (1)寫(xiě)出u o與u i的表達(dá)式； (2)求出平衡電阻R p1和R p2的值。,例2.2.3 同相輸入比例放大器如下圖，已知R 1=R 3=10k， R 2=R 4=100k;試求:輸出電壓u o=?,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最

14、后,返 回,2.2.2 同相輸入組態(tài),解：,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下差分比例電路。,差分比例電路,2.2.3 差分輸入組態(tài),作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.3 差分輸入組態(tài),當(dāng)兩個(gè)信號(hào)分別從兩個(gè)輸入端輸入時(shí)，構(gòu)成差分輸入組態(tài)，如圖2.2.9所示。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.3 差分輸入組態(tài),分析差分輸入電路時(shí)，可利用線性電路疊加原理，分別求出反相輸入和同相輸入時(shí)輸出電壓，然后進(jìn)行疊加即可求出結(jié)果。,在圖2.2.9電路中u i1作用時(shí)(u

15、 i2=0) :,u i2作用時(shí)(u i1=0):,u i1與u i2共同作用：,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.3 差分輸入組態(tài),為了保證集成運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，同時(shí)為了避免降低共模抑制比，在圖2.2.9電路中通常要求：,代入上式得：,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.2.3 差分輸入組態(tài),圖2.2.10是一個(gè)性能比較優(yōu)越的差分放大電路，常用于儀表放大器。,2.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用舉例,集成運(yùn)算放大器應(yīng)用十分廣泛，可分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩類(lèi)。本節(jié)主要介紹運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用，屬于線性

16、應(yīng)用的范疇。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,在此再次強(qiáng)調(diào)，線性應(yīng)用的分析特點(diǎn)：“虛短”和“虛斷”，是分析信號(hào)運(yùn)算電路的理論依據(jù)。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,1. 反相求和電路,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下反相求和電路。,反相求和電路,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,圖2.3.1 所示電路為反相求和電路。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,當(dāng)R 1=R 2

17、=R 3=R F時(shí)：,平衡電阻：,在上式中,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,2. 同相求和電路,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下同相求和電路。,同相求和電路,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,圖2.3.2所示電路為反相求和電路。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,在上式中,R P=R 1/R 2/R 3/R 4 為同相輸入端對(duì)地總電阻。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回

18、,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,且：,考慮到直流電阻平衡條件：R P=R N 且將反相電阻 R N=R 0/R F，代入上式:,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,當(dāng)R 1=R 2=R 3=R F時(shí)，有,注意：上式成立必須滿足R N=R P。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,3. 加、減混合運(yùn)算電路,圖2.3.3所示電路為加、減混合電路。,考慮到運(yùn)放共模抑制比的要求，電路應(yīng)滿足平衡條件 R P=R N，即：,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最

19、 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,依據(jù)線性電路疊加原理，考慮到同相輸入和反相輸入公式，可得,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,例2.3.1 試用一只集成運(yùn)算放大器和若干電阻設(shè)計(jì)一個(gè)電路能進(jìn)行如下運(yùn)算：,限定所用最大電阻的阻值為120k。,解：該算式是加減混合運(yùn)算，u I1和u I3為正向求和，可采用同相輸入； u I2和u I4為反向求和，可采用反相輸入。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,若各電阻編號(hào)與輸入電壓編號(hào)相同，則可畫(huà)出設(shè)計(jì)電路，如圖2.3

20、.4。,根據(jù)式（2.3.5）有：,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .1 加法和減法運(yùn)算電路,根據(jù)題意有：,其中R F的阻值最大，即,由電阻平衡公式,可得：,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .2 積分電路和微分電路,我們可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示理解一下反相積分微分電路。,反相積分微分電路,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .2 積分電路和微分電路,1. 積分電路,把反相輸入方式電路中的反饋電阻改用電容C取代，即可構(gòu)成基本積分電路，如圖2.3.8 (a)所示。,作 ？業(yè),退 出,主菜

21、單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .2 積分電路和微分電路,當(dāng)運(yùn)放工作于線性放大狀態(tài)時(shí)，電路滿足：U+=U- ，I+=I -=0的條件，所以,設(shè)初始條件為uO(0 )=0,于是運(yùn)放的輸出電壓uO將與輸入電壓ui 成積分關(guān)系。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .2 積分電路和微分電路,圖2.3.10為反相積分電路的階躍響應(yīng)。,RC t p意味著充放電時(shí)間很慢，電容充電未結(jié)束，輸入便翻轉(zhuǎn)，運(yùn)放始終工作在線性區(qū)。 積分電路可以很方便地將矩形波轉(zhuǎn)換為三角波。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,開(kāi) 始,回 退,前 進(jìn),最 后,返 回,2.3 .2 積分電路和微分電路,2. 微分電路,如果將圖2.3.8 (a)所示的基本積分運(yùn)算電路中元件R和C的位置互易，使可構(gòu)成基本微分運(yùn)算電路，如圖2.3.12所示。,作 ？業(yè),退 出,主菜單,