湘潭大學電工學下chapter-nemodppt課件

1、 第第16章章 集成運算放大電路集成運算放大電路 返回返回16.1 集成運算放大器的簡單介紹16.2 運算放大器在信號運算方面的應用16.3 運算放大器在信號處理方面的應用16.4 運算放大器在波形產生方面的應用16.5 使用運算放大器應注意的幾個問題集成電路集成電路: :它是用一定的生產工藝把晶體管、場它是用一定的生產工藝把晶體管、場效應管、二極管、電阻、電容、以及效應管、二極管、電阻、電容、以及它們之間的連線所組成的整個電路集它們之間的連線所組成的整個電路集成在一塊半導體基片上，封裝在一個成在一塊半導體基片上，封裝在一個管殼內，構成一個完整的、具有一定管殼內，構成一個完整的、具有一定功能的

2、器件，也稱為固體器件功能的器件，也稱為固體器件優(yōu)優(yōu) 點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量 輕、功耗小，實現(xiàn)了元件、電路和系輕、功耗小，實現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的三結合統(tǒng)的三結合返回目錄返回目錄集成電路中元器件的特點集成電路中元器件的特點1. 單個的精度不是很高單個的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、但由于是在同一硅片上、用相同工藝生產出來的，性能比較一致用相同工藝生產出來的，性能比較一致 元器件相互離得很近元器件相互離得很近, ,溫度特性較一致溫度特性較一致3.3.電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低都不易制造都不易制

3、造 4.4.電感難于制造電感難于制造, ,電容一般不超過電容一般不超過200pF,200pF,大電容大電容不易制造不易制造返回目錄返回目錄16.1 16.1 集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器的簡單介紹集成運算放大器：是一種高放大倍數(shù)、高輸入集成運算放大器：是一種高放大倍數(shù)、高輸入 電阻、低輸出電阻的直接耦電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路合放大電路電路方框圖電路方框圖中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路 盡量減小零點漂移盡量減小零點漂移,盡量提高盡量提高KCMRR , 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡可能大中間級應有足夠大的電壓放大倍數(shù)中間級應有足夠大的電壓放大倍數(shù)輸出級

4、主要提高帶負載能力，給出輸出級主要提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro小。小。返回目錄返回目錄集成電路的封裝集成電路的封裝雙列直插式塑料封裝雙列直插式塑料封裝管腳數(shù)有管腳數(shù)有8 8、1010、1212、1414、1616等種類等種類金屬殼封裝金屬殼封裝管腳數(shù)有管腳數(shù)有8 8、1010、1212等種類等種類返回目錄返回目錄213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)每兩個每兩個運放共運放共用一個用一個偏置偏置電阻電阻四個四個運放運放共用共用VDDVDD、VSSVSS端端C14578C14578外引線排

5、列圖外引線排列圖213 4 5 6 7 8910111213141516VDDVSSIR(A B)IR(C D)返回目錄返回目錄F007F0075G245G24外引線圖外引線圖 反相反相輸入端輸入端 同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V接接 線線 圖圖頂頂 視視 圖圖CCVEEVOUTININ返回目錄返回目錄 rid 高高:幾十幾十k 幾百幾百k運放的特點：運放的特點：理想運放：理想運放： rid KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：幾十?。簬资?幾百幾百 ro 0 Auo 很大很大:104以上以上

6、107Auo 運放的特點和符號運放的特點和符號運放符號：運放符號： u u+ uo A0 u u+ uo A0 u u+ uo 返回目錄返回目錄運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性)(ioufu+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)uuou)(uuAuuoo線性區(qū)很線性區(qū)很窄窄, ,所以所以運放在線運放在線性區(qū)工作性區(qū)工作, ,通常引入通常引入深度電壓深度電壓負反饋負反饋返回目錄返回目錄運算放大器線性應用時的分析依據(jù)運算放大器線性應用時的分析依據(jù)1. 1. 差模輸入電阻差模輸入電阻 , ,兩個輸入端的輸入電流兩個輸入端的輸入電流可認為是零，即虛斷?？烧J為是零，

7、即虛斷。idr2. 2. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 輸出電壓是一個輸出電壓是一個有限值，有限值，0uA00uoAuuu uu即虛短。即虛短。,0u 如果信號從反向端輸入，同相端接地如果信號從反向端輸入，同相端接地 0u反相端近于反相端近于“地電位，即虛地。地電位，即虛地。返回目錄返回目錄運算放大器在飽和區(qū)時的情況運算放大器在飽和區(qū)時的情況當當 時，時，uuo(sat)Uouuuo(sat)Uou當當時，時，注意：此時輸入端的輸入電流也注意：此時輸入端的輸入電流也等于零等于零返回目錄返回目錄16.2 16.2 運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器在信號運算方面的應用1. 1. 比例運

8、算比例運算(1) 反相輸入fii 10uu111RuRuuiiiFFfRuRuuiooi1FouRRu1FiofRRuuAuR R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o1ifi返回目錄返回目錄平衡電阻，保證輸入端平衡電阻，保證輸入端對地的靜態(tài)電阻相等對地的靜態(tài)電阻相等R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo o電路的輸入電阻1iRR 平衡電阻F12/RRR 返回目錄返回目錄R RR R2 2R R1 1F Fu ui iu uo o電位為零，虛地電位為零 注意雖然雖然0uu但不能將反相輸?shù)荒軐⒎聪噍斎攵撕屯噍斎肴攵撕屯噍斎攵酥苯酉嗦?lián)或者端直接相聯(lián)或者直接接

9、地直接接地返回目錄返回目錄(2)(2)同相輸入同相輸入R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iiuuuf1ii 1Fiof1RRuuAu請思考：當1R0FR或或此電路此電路 有什么特點？有什么特點？例題FoiFofRuuRuui1i11RuRuii1Fo1uRRufi1i返回目錄返回目錄i313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu2. 2. 加法運算加法運算12i212Rui11i111Rui13i313Rui131211fiiiiFofRuiFfoRiu(1) 反相加法器R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui i1 1u ui i2

10、2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11 1R R1 13 311i12i13i返回目錄返回目錄R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui i1 1u ui i2 2u ui i3 3R R1 12 2R R1 11 1R R1 13 3平衡電阻F1312112/RRRRR 加法運算電路與運算放大器本身的參加法運算電路與運算放大器本身的參數(shù)無關數(shù)無關, ,只要電阻阻值足夠精確只要電阻阻值足夠精確, ,就可就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性保證加法運算的精度和穩(wěn)定性. .返回目錄返回目錄(2) 同相加法器R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo

11、oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 3R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u ui3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222i2222121i1222122uRRRuRRRu此電路若以此電路若以u為輸入，為輸入，則輸出為：則輸出為：uRRu1Fo1i2222121i12221221Fo1uRRRuRRRRRu請想一想：外接的各電阻關系如何？請想一想：外接的各電阻關系如何？反相求和電路與同相求電路相比有什么優(yōu)點？

12、反相求和電路與同相求電路相比有什么優(yōu)點？3. 減法運算R R2 2R R1 1R RF Fu ui iu uo oR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui iR R3 3R R2 2R RF Fu uo oR RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2u ui3i3R R1212R R1111R R1313R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1u ui2i2R R2121R R2222R R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui1i1R R3 3R R2 2R R1 1R RF Fu uo oR R3 3u ui2i2圖中電路的輸入方圖中電路的輸入

13、方式也稱做差動輸入式也稱做差動輸入由同相輸入及反相輸入由同相輸入及反相輸入的結論的結論 ，運用疊加定理，運用疊加定理ooouuui23231Fi11Fo1uRRRRRuRRui11FouRRui23231Fo1uRRRRRu返回目錄返回目錄請思考：如何選擇電阻，能得出如下結論i1i21FouuRRui1i2ouuu差動輸入方式下的電壓放大倍數(shù)差動輸入方式下的電壓放大倍數(shù)1Fi1i2oufRRuuuA注意：這種輸入方式存在較大的共模電壓，應選用KCMRR較大的運放，并應注意電阻阻值的選取。例題返回目錄返回目錄4. 4. 積分運算積分運算R R2 2R R1 1C CF Fu ui iu uo o

14、u uc c1if1RuiituCRtiCuud1d1iF1fFco反相輸入反相輸入0u虛地虛地例題1ifi返回目錄返回目錄ou思考題：在圖示電路中，輸入電壓mV6280sinitu 試求輸出電壓試求輸出電壓的幅值，并畫出的幅值，并畫出ou的波形圖。的波形圖。iutoutR R2 2R R1 1C CF Fu ui iu uo ou uc c返回目錄返回目錄5. 5. 微分電路微分電路R R2 2C CF Fu ui iu uo ou uc cR RF FiFfFoiRiRutuCRuddi1FotuCtuCiCddddi111ifii 應用舉例fi1i返回目錄返回目錄例例1 電路如圖所示，試

15、分別計算開關電路如圖所示，試分別計算開關S斷開和閉合時的電壓放大倍數(shù)斷開和閉合時的電壓放大倍數(shù)Auf。uouiR21k+ 1k1kS10kiiifii 2. 當當S閉合時：閉合時：iiiuui32211 uouiR21k+ 1k1kS10kiiifii iiiuii3121 1010oofuuui fiii 3 . 31031 ioufoiuuAuu1. 當當S斷開時：斷開時：解：解：511101 RRAFuf 例例2 如圖所示電路，已知如圖所示電路，已知RF100k，R150k，輸入電壓，輸入電壓 ui3sint V，求電，求電壓放大倍數(shù)和輸出電壓壓放大倍數(shù)和輸出電壓uo。uoRFuiR2R

16、1+ 350100111Fuf RRA解解 ：電壓放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)輸出電壓：輸出電壓： VtuAu sin9iufo 例例3 一個測量系統(tǒng)的輸出電壓和某些輸入信號的數(shù)一個測量系統(tǒng)的輸出電壓和某些輸入信號的數(shù)值關系為值關系為uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，試選擇圖示電路，試選擇圖示電路中各輸入電路的電阻和平衡電阻。設中各輸入電路的電阻和平衡電阻。設RF=100 k。uoui1RFui3Ri1Ri3+ R2ui2Ri2)(i313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu 解：解： kRRi254F1 kRRi502F2 kRRi2005 . 0F3 kRRRRRiii3 .

17、13/F3212 = 當當 R1= 且且 RF = 0 時，時，uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。稱電壓跟隨器。uoui+ uo+ 15k15k+15V 7.5k例例4 試計算圖示電路中試計算圖示電路中uo的大小的大小 。0 ii解：由于解：由于Vuuu5 . 71521o uo只與電源電壓和分壓電阻只與電源電壓和分壓電阻有關，而與負載電阻大小和運放有關，而與負載電阻大小和運放的參數(shù)無關。的參數(shù)無關。 例例5 如圖所示電路，已知如圖所示電路，已知RF100k，R150k，輸入電壓，輸入電壓 ui3sint V，求電，求電壓放大倍數(shù)和輸出電壓壓放大倍數(shù)和輸出電壓uo。uoRFu

18、iR2R1+ 350100111Fuf RRA解解 ：電壓放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)輸出電壓：輸出電壓： VtuAu sin9iufo 例例6 在圖示電路中，已知在圖示電路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求輸出電壓，求輸出電壓uo。uo1ui1+ + uoui2RRRA1A2+RRRi1i1o12)1(uuRRu 解：解：VuuuuuRRuRRu2)(222)1(i1i2i1i2o1i2o 濾波器就是一種選頻電路。它讓一定頻段的信號通濾波器就是一種選頻電路。它讓一定頻段的信號通過過(衰減很小衰減很小)，而抑制其余頻段的信號，而抑制其余頻段的信號(衰減很大衰減很大)。濾波器通常分為低通、高通、帶

19、通及帶阻等。濾波器通常分為低通、高通、帶通及帶阻等。 uiuoRFuCCR+ R1+01F1Fioj11j11 RRRCRRUUAufiC1j1jUCRCUU URRU)(11Fo頻頻率率角角稱稱為為截截止止RC1: 0 式式中中uiuoRFuCCR+ R1+01F1Fioj11j11 RRRCRRUUAuf01Fioufj11)(j)(j)(jA RRUU0f0j1 uA1Fuf01RRA 為通頻帶放大倍數(shù)為通頻帶放大倍數(shù) 0f0j1)( uufAjA20f0)(1)(j uAT幅頻函數(shù)：幅頻函數(shù)：相頻函數(shù)相頻函數(shù): 0arctan)( ,0時時當當 ,0時時當當 幅頻特性幅頻特性f021u

20、A 0| Auf0 | Auf(j) | Of0uf)(juAA 2)(jf0ufuAA ,時時當當 0)(juf A20f0)(1)(j uAT幅頻函數(shù)：幅頻函數(shù)：uoRFCR+ R1uiRC 為了改善濾波效果，使為了改善濾波效果，使 0 時信號衰時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。來，組成二階有源低通濾波器。二階二階一階一階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j) | OuiuoRFCR+ R1 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUAufi1jUCRRU URRU)(11Fo頻率頻率角角稱

21、為截止稱為截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUAuf 01Fioufj11)(j)(j)(j RRUUA 0f0j1 uA1Fuf01RRA 為通頻帶放大倍數(shù)為通頻帶放大倍數(shù) 20f0uf)(1)(j uAA幅頻函數(shù)：幅頻函數(shù)：相頻函數(shù)相頻函數(shù): 0arctan)( 0f0j1)( uufAjA20f0uf)(1)(j uAA,時時當當 f0uf)(juAA ,0時時當當 0)(juf A,0時時當當 2)(jf0uufAA 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | Auf(j) | O 將低通濾波器將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)

22、，和高通濾波器串聯(lián)，并使低通濾波器的并使低通濾波器的截止頻率大于高通截止頻率大于高通濾波器的截止頻率，濾波器的截止頻率，則構成有源帶通濾則構成有源帶通濾波器。波器。 將低通濾波將低通濾波器和高通濾波器和高通濾波器并聯(lián)，并使器并聯(lián)，并使高通濾波器的高通濾波器的截止頻率大于截止頻率大于低通濾波器的低通濾波器的截止頻率，則截止頻率，則構成有源帶阻構成有源帶阻濾波器。濾波器。 控制信號控制信號 采樣保持電路，多用于模采樣保持電路，多用于模 - 數(shù)轉換電路數(shù)轉換電路A/D之前。由于之前。由于A/D 轉換需要一定的時間，所以在進行轉換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采

23、樣轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足值保存一段時間，以滿足A/D 轉換電路的需要。轉換電路的需要。模擬開關模擬開關模擬輸模擬輸入信號入信號采樣存儲采樣存儲電容電容電壓跟隨器電壓跟隨器 SuC+ui+uo+ uGuitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 SuC+ui+uo+ uG 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電

24、平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。 運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋，運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋，運算放大器工作在飽和區(qū)。運算放大器工作在飽和區(qū)。URuouiR2+ R1參考電壓參考電壓電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoOUR可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。：輸出躍變所對應的輸入電壓。 uiuoOURuitOURt1 t2Ouot +Uo (sat) Uo (sat)URuouiR2+ R1 當當UR=0時，即輸入電壓和零電平比較，時，即輸入電壓

25、和零電平比較，稱為過零比較器。稱為過零比較器。 uouiR2+ R1tuituo+Uo(sat)Uo(sat)ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)uiuoURR2+ R1 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUROt +Uo(sat) Uo(sat)uouitOURt1 t2uoRVSuouiR2+ R1+UZ UZ電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoO 例例7 電路如圖所示，輸入電壓電路如圖所示，輸入電壓ui是一正弦電壓，是一正弦電壓，其周期為其周期為T，輸出端外接，輸出端外接RC電路的時間常數(shù)電路的時間常數(shù)RC ，試畫出，試畫出uo、uA、uL的波形

26、。的波形。 2TuoRVDuLuiRL+ +CAtuituo+Uo(sat)Uo(sat)uoRVDuLuiRL+ +CAtuituo+Uo(sat)Uo(sat)tuAtuL由于由于RC016.4 16.4 運算放大器在波形產生方面的應用運算放大器在波形產生方面的應用矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路Z122RURRRU雙向穩(wěn)壓管,起輸出限幅作用R1R1和和R2R2構成正反饋電路構成正反饋電路 起限流的作用起限流的作用反相輸入端的電壓反相輸入端的電壓cuu 電容兩端電壓的變化是電容電容兩端電壓的變化是電容通過電阻通過電阻RFRF的充放電實現(xiàn)的的充放電實現(xiàn)的RFRF和和C C構成負反饋電路構成負反饋電路通過比較通過比較uu ,的大小可的大小可得出輸出電壓得出輸出電壓U UR RR R2 2R RF Fu uo ou uC CR R1 1R R3 3D DZ Z返回目錄返回目錄2TtcutouZUZU思考題：如何改變矩形波的周期思考題：如何改變矩形波的周期T T？矩形發(fā)生器的波形矩形發(fā)生器的波形RURU返回目錄返回目錄2. 2. 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器組成積分電路組成比較器R R2 2R RF FR R1 1u uo1o1D DZ ZR R5 5R R4 4C CF Fu uo ou uc cR R