chapter16集成運算放大器(電工電子技術(shù))

1、上一章知識點回顧o放大電路的“放大”本質(zhì)以及性能指標(biāo)。o典型電路n共發(fā)射極放大電路。特點：n分壓式偏置放大電路n射集輸出器。特點：n差分放大電路。特點：n互補(bǔ)對稱功率放大電路。特點：o存在問題：n非線性失真：靜態(tài)工作點Q的穩(wěn)定分壓式偏置放大電路n零點溫漂：兩個差分對稱管，具有RE“長尾”式差動放大電路。o放大電路的分析方法：n靜態(tài)分析（靜態(tài)工作點）：1.估算法，2.圖解法：直流負(fù)載線n動態(tài)分析：1.微變等效電路，2.圖解法：直流負(fù)載線，交流負(fù)載線。o多級放大電路：直接耦合和阻容耦合第第1616章集成運算放大電路章集成運算放大電路16.2 運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用16.3 運算放大器在信號

2、處理方面的應(yīng)用16.5 使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題16.1 集成運算放大器的簡單介紹16.1 集成運算放大器的簡單介紹o集成電路概念o集成電路的優(yōu)缺點o集成運算放大器的組成o集成運算放大器的特點及符號o運算放大器的傳輸特性集成電路概念o相對于分立電子電路而言的，利用一定的生產(chǎn)工藝把整個電路的各個元器件及它們之間的連線集成在一塊半導(dǎo)體基片上，封裝在一個管殼內(nèi)，構(gòu)成一個完整的、具有一定功能的固體器件。集成電路的優(yōu)缺點：集成電路的優(yōu)缺點：優(yōu)優(yōu) 點點1.使用方便、體積小、重量輕、功耗小。2.減少了電路的焊點，提高了工作的可靠性。3.同一個硅片上的元器件相互離得很近，性能和溫度特性較一致，容易建立相

3、同特性的對稱晶體管。4.實現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的三者統(tǒng)一。缺缺 點點1.電阻太高或太低都不易制造。10030 k2.電感難于制造。3.大電容不易制造，電容一般不超過200 pF。4.必須使用這些器件的場合，大多采用外接的方法。集成運算放大器的組成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通常采用互補(bǔ)對稱功率放大電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)，通常采用互補(bǔ)對稱功率放大電路，帶負(fù)載能力強(qiáng)，給出足夠的輸出電流給出足夠的輸出電流io ，輸出阻抗，輸出阻抗 ro小小。采用共發(fā)射集放大電路，放大管采用復(fù)合管，采用共發(fā)射集放大電路，放大管采用復(fù)合管，具有足夠大的電壓放大倍數(shù)。具有足夠大的電

4、壓放大倍數(shù)。通常采用差動放大電路，能夠盡量抑制零點漂移通常采用差動放大電路，能夠盡量抑制零點漂移,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合放大電路。采用恒流源電路，給各級電路提供穩(wěn)定和合適采用恒流源電路，給各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級靜態(tài)工作點。的偏置電流，決定各級靜態(tài)工作點。集成運算放大器特點及符號集成運放集成運放理想運放理想運放A o很大很大: 80140 dBAo KCMRR很大：很大：90 dBKCMMRR ri高高: 幾十幾十k 幾百幾百k ri ro?。簬资。簬资?幾百幾

5、百 ro 0運放符號運放符號 u u+ uo A0 u u+ uo u u+ uo 集成運算放大器的封裝形式金屬殼封裝金屬殼封裝雙列直插式雙列直插式貼片式貼片式F006（5G24）引腳和接線圖A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+ +1 15 5V V- -1 15 5V V接線圖接線圖頂視圖頂視圖CCVOUTININEEV 反相輸入端反相輸入端 同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性)(ioufu )(uuAuuoo+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運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性例例

6、 F006F006運算放大器的正、負(fù)電源電壓為運算放大器的正、負(fù)電源電壓為15V15V，開環(huán)電壓，開環(huán)電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù)AU0=2 105, ,輸出最大電壓（即輸出最大電壓（即Uo(sat)為為13V。在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：V;10V,15) 1 (uuV;10V,5)2(uumV;50V,)3(uuV;0mV,5)4(uu u u+ uo 運算放大器的傳輸特性運算放大器的傳輸特性V651021360uoAuuu解只要兩個輸入端之間的電壓絕對值超過只要兩個輸入端之間的電壓絕對值超過6565V V，輸出電，輸出電壓就達(dá)到

7、正或負(fù)的飽和值。壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。5VV10)1015(10265ouV;10V,15)1 (uu輸出電壓3VV10)105(10265ou(2)5 V,10 V;uu輸出電壓3V1oumV;50V,)3(uu輸出電壓3V1ouV;0mV,5)4(uu輸出電壓運算放大器線性應(yīng)用時的特點o線性區(qū)很窄（微伏級），即使 輸入毫伏級信號 ，也可能使輸出飽和，如果存在干擾也使開環(huán)工作不穩(wěn)定。o運放在線性區(qū)工作， 通常引入深度電壓負(fù)反饋。f11AAAFF 放大電路放大電路AdX oX 反饋回路反饋回路FfX iX + 3. 3. 如果信號從反向端輸入，同相端接地，由虛斷，如果信號從反向端輸入，同相端

8、接地，由虛斷， 根據(jù)虛短，根據(jù)虛短， ，反相端近于，反相端近于“地地”電位，即電位，即虛地虛地。工作在線性區(qū)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(rèn)為是零，可認(rèn)為是零， ，即，即虛斷虛斷。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，0uA 00uoAuuu uu即即虛短虛短。,0u0u0ii工作在線性區(qū)時的分析依據(jù)o注意：注意：“虛短，虛斷，虛地虛短，虛斷，虛地”概念的概念的“虛虛”的含義的含義n虛短：虛短： ， “ “虛虛”的含義是輸入電流很小，幾乎為的含義是輸入電流很小，幾乎為“0

9、”0”，但不等于，但不等于“0”0”，否則就沒有輸入電流了。，否則就沒有輸入電流了。虛假的短路虛假的短路n虛斷：虛斷： ， “ “虛虛”的含義是輸入電壓很小，兩端電位幾乎相等，因的含義是輸入電壓很小，兩端電位幾乎相等，因此不能將反相輸入端和同相輸入端直接相聯(lián)，否則就沒有輸入電壓了。此不能將反相輸入端和同相輸入端直接相聯(lián)，否則就沒有輸入電壓了。虛假虛假的開路。的開路。n虛地：虛地： ， “ “虛虛”的含義是電位幾乎為的含義是電位幾乎為“0”0”，但不等于，但不等于“0”0”，因此，反相端和同相端因此，反相端和同相端虛假接地虛假接地，否則就沒有輸入電壓了。，否則就沒有輸入電壓了。o“虛虛”的目的就

10、是為了分析計算帶來的便利，按照這些依據(jù)可以的目的就是為了分析計算帶來的便利，按照這些依據(jù)可以帶來很精確地帶來很精確地“估算估算”。0iiuu0uu工作在飽和區(qū)時的分析依據(jù)當(dāng)當(dāng) 時時，uuuuo(sat)Uou 當(dāng)當(dāng)時，時，其飽和值接近正負(fù)電源電壓值，在飽和區(qū)的應(yīng)用其飽和值接近正負(fù)電源電壓值，在飽和區(qū)的應(yīng)用通常在比較器和波形發(fā)生器電路，是集成放大器通常在比較器和波形發(fā)生器電路，是集成放大器的開環(huán)應(yīng)用。的開環(huán)應(yīng)用。o(sat)Uou 16.2運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用o比例運算電路o加法運算電路o減法運算電路o積分運算電路o微分運算電路反相比例運算反相比例運算 反相比例運算電路反相比例運算電路

11、A1RFRRUIUO+_+_虛斷虛斷II IF虛短U- U+ 0 1I1IIRURUUIF1IFFORRURIU電壓增益 1F1IFFIOuRRRIRIUUA虛短I II F虛地注意：平衡電阻，保證輸入端對地的靜態(tài)電阻相等。平衡電阻：1F/RRR基爾霍夫電壓定律U- 0 I_0I_0 20URII同相比例運算同相比例運算 虛斷UI = U+ 虛短U+=U- = UI電壓增益 I+= I-0 1OI1FRUUURRI1FIOu)1 (URRUUA 同相比例運算電路同相比例運算電路 AOUIU電壓跟隨器作用：輸入電阻大 輸出電阻小 隔離緩沖請思考：當(dāng)當(dāng)1R0FR或或此電路此電路 有什么特點？有什么

12、特點？A1RFRRUIUOIIIFi313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu加法運算加法運算12i212Rui11i111Rui13i313Ruif111213123111213iiiiiiiuuuRRRFfoRiu反相加法運算電路反相加法運算電路平衡電阻：F1312112/RRRRR 11i12i13ifi虛地U- 0 虛斷基爾霍夫oi1i2i3uuuuF111213RRRR11i12i13ifii313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu加法運算加法運算反相加法運算電路反相加法運算電路利用疊加原理單獨作用時單獨作用時i1u11i12i13ifi注意：注意：加法運算電路與運

13、算放大器本身的參數(shù)無關(guān)，只要電阻阻值足夠精加法運算電路與運算放大器本身的參數(shù)無關(guān)，只要電阻阻值足夠精確，就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性確，就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性.反相比例運算電路反相比例運算電路差動減法運算差動減法運算 A1R1RFRFRUIUIUO差動減法運算電路差動減法運算電路 反相輸入端 F1IO1F1FRRUUURRRR同相輸入端 FI1FRUURR虛短 ：UU)(II1OUURRUF1FIIOuRRUUUA兩個輸入端都有信號輸入，則為差動輸兩個輸入端都有信號輸入，則為差動輸入，在測量和控制系統(tǒng)應(yīng)用較多。入，在測量和控制系統(tǒng)應(yīng)用較多。差動輸入：1OII111(1)FFFRRRU

14、UURRRR11FFRR RR, 平衡電阻：OII()UUU 差動減法運算差動減法運算 A1R1RFRFRUIUIUO差動減法運算電路差動減法運算電路 注意：這種輸入方式存在較大的共模電壓，應(yīng)選用這種輸入方式存在較大的共模電壓，應(yīng)選用K KCMRRCMRR較大的運放，較大的運放，并應(yīng)注意電阻阻值的選取。并應(yīng)注意電阻阻值的選取。運用疊加原理，由同相輸入及反相輸入的結(jié)運用疊加原理，由同相輸入及反相輸入的結(jié)論進(jìn)行計算。論進(jìn)行計算。Foi1RuuR1oI11(1)FFRRuURRRooouuu1OII111(1)FFFRRRUUURRRR運用戴維寧，開路電壓，去源等效電阻。運用戴維寧，開路電壓，去源等

15、效電阻。1I1iFRuURR1/FRRR虛斷虛地U- U+ 0 COuuiRu IIOCCI1111dd=dduuuititu tCCCRRC 當(dāng)輸入信號是階躍直流電壓UI時 tRCUtuRCuuIICOd1積分運算電路積分運算電路 CuARR+_+_CCIuiiOu+_CC1duitCCii 輸出電壓是輸入電壓的微分 ARRIO+_+_CCR+_uCuuii微分運算電路微分運算電路 tuRCRiRiuddCCROtuRCuddIO 輸出電壓是輸入電壓的微分 積分電路中的電容和電阻交換位置 CRii 0UUCIuu 電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一

16、個參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此判別輸入信號的大小和極性。判別輸入信號的大小和極性。 電壓比較器用于自動控制、波形變換、模數(shù)轉(zhuǎn)電壓比較器用于自動控制、波形變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換及越限報警等。換及越限報警等。 集成運放構(gòu)成電壓比較器時，多處于開環(huán)或正集成運放構(gòu)成電壓比較器時，多處于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。16.3 16.3 運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用 將運放任一輸入端加上輸入信號。而另一輸入將運放任一輸入端加上輸入信號。而另一輸入端加入?yún)⒖茧妷?，即可?gòu)成端加入?yún)?/p>

17、考電壓，即可構(gòu)成電壓比較器電壓比較器，如圖所示。，如圖所示。電壓傳電壓傳輸特性輸特性Ui 為輸入電壓，為輸入電壓， UR 為參考電壓為參考電壓當(dāng)當(dāng) ui UR 時，時， uo = Uo(sat)ui UR 時，時， uo = +Uo(sat)ui = UR 時，時， uo 發(fā)生躍變發(fā)生躍變uoiuouoR1R2ui+UR+uR+ 當(dāng)當(dāng) UR = 0 時，即輸入電壓和零電平比較，稱為時，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器過零比較器。電壓傳電壓傳輸特性輸特性uoiuouo 若圖中若圖中 ui 為正弦波，為正弦波，畫出畫出 uo 的波形。的波形。oiutR1R2ui+UR+uoot 在輸出端與地

18、之間接在輸出端與地之間接一個一個雙向穩(wěn)壓管，即可把雙向穩(wěn)壓管，即可把輸出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的輸出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的電平匹配。電平匹配。電壓傳輸特性電壓傳輸特性uoRR1R2+DZui+uoiuo限幅電壓比較器限幅電壓比較器16.5 16.5 使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題1. 選用元件 根據(jù)實際要求來選用運算放大器根據(jù)實際要求來選用運算放大器, ,主要是根據(jù)主要是根據(jù)使用條件及運放的參數(shù)進(jìn)行選擇使用條件及運放的參數(shù)進(jìn)行選擇。2. 消振 這是為避免運算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容這是為避免運算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和其他寄生參數(shù)的影響和其他寄生參數(shù)的影響, ,使電路產(chǎn)生自激振蕩，即外使電路產(chǎn)生自激振蕩，即外加消振的方法。加消振的方法。3. 調(diào)零 由于運放內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱由于運放內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱, ,輸入信號輸入信號為零為零, ,輸出可能不為零輸出可能不為零, ,為此為此, ,在使用時必須調(diào)零。在使用時必須調(diào)零。4. 保護(hù)(1) (1) 輸入保護(hù)輸入保護(hù)輸入電壓將