電工學(xué)-第10章集成運算放大器

1、電子技術(shù)電子技術(shù) 下一章下一章 返回主頁返回主頁 .210.1 集成電路集成電路 集成電路是集成電路是20 世紀(jì)世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的固體組年代發(fā)展起來的固體組件。它是用微電子技術(shù)將元件、導(dǎo)線、電路集成件。它是用微電子技術(shù)將元件、導(dǎo)線、電路集成在一塊很小的半導(dǎo)體芯片上。在一塊很小的半導(dǎo)體芯片上。 集成電路的發(fā)展進程：集成電路的發(fā)展進程： 1960 年：小規(guī)模集成電路年：小規(guī)模集成電路 SSI。 1966 年：中規(guī)模集成電路年：中規(guī)模集成電路 MSI。 1969 年：大規(guī)模集成電路年：大規(guī)模集成電路 LSI 。 1975 年：超大規(guī)模集成電路年：超大規(guī)模集成電路 VLSI 。.3 集成電路分

2、類集成電路分類 (1) 模擬電路模擬電路 處理模擬信號的電路。處理模擬信號的電路。 如集成功率放大器、集成運算放大器等。如集成功率放大器、集成運算放大器等。 (2) 數(shù)字電路數(shù)字電路 處理數(shù)字信號的電路。處理數(shù)字信號的電路。 如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。 集成電路芯片集成電路芯片.4特點：特點：輸入級采用差分放大電路，輸入級采用差分放大電路，KCMR 和和 ri 很高。很高。 中間級采用多級共射電路，起電壓放大作用。中間級采用多級共射電路，起電壓放大作用。 輸出級采用互補對稱放大電路和共集放大電路，輸出級采用互補對稱放大電路和共集放大電路，

3、ro 很小，帶負(fù)載能力很強。很小，帶負(fù)載能力很強。直接耦合的多級放大電路，電壓放大倍數(shù)很高。直接耦合的多級放大電路，電壓放大倍數(shù)很高。 體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。10.2 集成運算放大器的概述集成運算放大器的概述輸入級輸入級 中間級中間級 輸出級輸出級 輸入端輸入端 輸出端輸出端 集成運算放大器的組成集成運算放大器的組成.5CF741 81723456集成運算放大器的圖形符號、引腳和外部接線圖集成運算放大器的圖形符號、引腳和外部接線圖 凈輸入電壓凈輸入電壓 運算放大器的符號運算放大器的符號 uD uuuO Ao 同相輸入端同相輸入端 反相輸入端反相輸入

4、端 輸出端輸出端 + UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO .6 uO= = f( (uD) )線性區(qū)線性區(qū) uO = Ao uD = Ao ( uu)飽和區(qū)飽和區(qū) 正飽和電壓：正飽和電壓： uO =UOMUCC 負(fù)飽和電壓：負(fù)飽和電壓： uO =UOMUEE uDOuO負(fù)飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū)線性線性區(qū)區(qū)UOM+UOM電壓傳輸特性電壓傳輸特性.7凈輸入凈輸入 信號信號xD D 輸出信號輸出信號 xO 輸入信號輸入信號 xI放大電路放大電路 Ao 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 開環(huán)放大倍數(shù)：開環(huán)放大倍數(shù)： Ao = xoxD 閉環(huán)放大倍數(shù)：閉環(huán)放大倍數(shù)： Af =xo xI

5、 反饋系數(shù)：反饋系數(shù)： xFxo F =反饋信號反饋信號 xF 反饋電路反饋電路F反饋示意圖反饋示意圖.8 正反饋正反饋: xF 與與 xI 作用相同作用相同, 使使 xD 增加；增加； 負(fù)反饋負(fù)反饋: xF 與與 xI 作用相反作用相反, 使使 xD 減小。減小。 電流反饋：反饋信號取自輸出電流，電流反饋：反饋信號取自輸出電流，xF iO； 電壓反饋：反饋信號取自輸出電壓，電壓反饋：反饋信號取自輸出電壓，xF uO。 串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋: xF 與與 xI 以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端；以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端； 并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋: xF 與與 xI 以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。以并聯(lián)的形式作

6、用于凈輸入端。 .9 判斷方法：瞬時極性法。判斷方法：瞬時極性法。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD uO RFiF R1R2uI iI iD RL正反饋正反饋負(fù)反饋負(fù)反饋.10uO RFiF R1R2uI iI iD RL輸出端短路法輸出端短路法: 令令RL= 0，此時此時 uO=0， 若若 xF = 0 則為電壓反饋，否則為電流反饋。則為電壓反饋，否則為電流反饋。輸出端開路法輸出端開路法: 令令RL=，此時，此時 iO=0， 若若 xF = 0 則為電流反饋，否則為電壓反饋。則為電流反饋，否則為電壓反饋。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD 判斷方

7、法判斷方法 電壓反饋電壓反饋電流反饋電流反饋.11uO RFiF R1R2uI iI iD RL Ao RF RL R R1R2 uO uI串聯(lián)反饋在輸入端是以電壓的形式出現(xiàn)的；串聯(lián)反饋在輸入端是以電壓的形式出現(xiàn)的； 并聯(lián)反饋在輸入端是以電流的形式出現(xiàn)的。并聯(lián)反饋在輸入端是以電流的形式出現(xiàn)的。 判斷方法判斷方法 并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋.12 Xo/ XD1XF/ XD = xF AoFxI xD xO = Xo XDXF XD = XIXF Xo XI | Af | = | Ao |1| F | Ao | | Af | = 1 | F | | Af | 當(dāng)當(dāng)|F |Ao |1，稱為深

8、度負(fù)反稱為深度負(fù)反饋饋 | Af | 1 1若為深度負(fù)反饋若為深度負(fù)反饋, | F | Ao | 1 d | Af | | Af | d | Ao | | Ao | .14 例例 10.2.1 某放大電路的某放大電路的 | Ao | =1 000，由于某一，由于某一原因原因, 使其變化率為使其變化率為 ，若電路的反饋系，若電路的反饋系數(shù)數(shù) | F | = 0.009，則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的變化率？，則閉環(huán)電壓放大倍數(shù)的變化率？= 2% 1 10.0091000 = 20% 解解 d| Ao| | Ao| 1 1| F | Ao| = d| Af | | Af | d| Ao| | Ao |= 2

9、0% .15 0.707 | Af| | Ao|未加入反饋后未加入反饋后 O f | A |0.707 | Ao| Bof1f2 Bff3 f4 加入反饋后加入反饋后 | Af | 加寬通頻帶加寬通頻帶.16 電壓負(fù)反饋穩(wěn)定電壓負(fù)反饋穩(wěn)定。 電流負(fù)反饋穩(wěn)定電流負(fù)反饋穩(wěn)定 無負(fù)反饋時無負(fù)反饋時有負(fù)反饋時有負(fù)反饋時ICiCO t UCC /RC ICiCO t UCC /RC 改善非線性失真改善非線性失真.17 串聯(lián)反饋使串聯(lián)反饋使增加。增加。 并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋使使減小。減小。 電壓負(fù)反饋使電壓負(fù)反饋使減小。減小。 電流負(fù)反饋使電流負(fù)反饋使增加。增加。.18 開環(huán)電壓放大倍數(shù)：開環(huán)電壓放大倍數(shù)：A

10、o 開環(huán)輸入電阻：開環(huán)輸入電阻：ri 開環(huán)輸出電阻：開環(huán)輸出電阻：ro0 共模抑制比：共模抑制比：KCMR u uuO uD 理想運放的符號理想運放的符號 .19uO = UOMUCC (2) 當(dāng)當(dāng) uu時，時， 即即 uD 0 OuOuD+UOMUOM 不加反饋時，稍有不加反饋時，稍有 uD 即進入飽和區(qū)。即進入飽和區(qū)。理想運算放大器理想運算放大器的電壓傳輸特性的電壓傳輸特性.20iD 反饋電路反饋電路 u uuO (1) Ao uOAouD = 0 u = u (2) ri uD riiD = 0 (3) ro0 uOL= uOC 故稱為虛短路。故稱為虛短路。 故稱為虛開路。故稱為虛開路。

11、 即輸出電壓不受負(fù)載的影響。即輸出電壓不受負(fù)載的影響。引入負(fù)反饋后的理想運放引入負(fù)反饋后的理想運放 .21Af u= u= 0 iD = 0 i1 = iF uIR1uO RF= =F 1uO = uI uuuO RFiF R1R2uI i1 iD 虛地虛地 反相比例運算電路反相比例運算電路.22 uO 與與 uI 成反相比例；成反相比例； uO 的大小只與的大小只與 R1 、 RF 的阻值和的阻值和 uI 有關(guān)。有關(guān)。若若 R1 = RF ，則，則 uO = uI 。 故稱為反相器。故稱為反相器。 R2為平衡電阻，為平衡電阻， R2 = R1RF 說明說明 F 1uO = uI 反相比例運算

12、電路反相比例運算電路uuuO RFiF R1R2uI i1 iD .23i1 iD uuuO RFiF R1R2uI Af RF R1 uO = ) uI ( 1 uO= RF iF R1 i1 uI = R1 i1 iF = i1同相比例運算電路同相比例運算電路.24 說明說明 uO 與與 uI 同相位，且同相位，且 Af1； uO 的大小只與的大小只與R1、RF 的阻值和的阻值和 uI 有關(guān)。有關(guān)。 若若 RF = 0, R1 = , R2 = 0 時時, uO = uI 稱為電壓跟隨器稱為電壓跟隨器 平衡電阻平衡電阻 R2 = R1RF 。uO uI 電壓跟隨器電壓跟隨器RF R1 uO

13、 = ) uI ( 1 i1 iD uuuO RFiF R1R2uI 同相比例運算電路同相比例運算電路.25 例例 10.5.1 應(yīng)用運放來測量電阻的原理電路如圖所示，應(yīng)用運放來測量電阻的原理電路如圖所示， 其中其中 uI =U = 10V，輸出端接有滿量程為輸出端接有滿量程為 5V 的電壓表，被的電壓表，被測電阻為測電阻為Rx。(1) 試找出被測電阻的阻值試找出被測電阻的阻值Rx與電壓表讀數(shù)之與電壓表讀數(shù)之間的關(guān)系；間的關(guān)系；(2)若使用的運放為若使用的運放為CF741型，為了擴大測量電阻型，為了擴大測量電阻的范圍，將電壓表量程選為的范圍，將電壓表量程選為 50V是否有意義？是否有意義？解解

14、 (1) uO Rx R1uI U V 05V1M 10Vx 1uO = uI 1 uIx = uO 106 10 = uO =105 uO .26電壓表讀數(shù)電壓表讀數(shù) uO V 12345被測電阻值被測電阻值 Rx 1052105310541055105所以所以: (2) 查附錄可知，查附錄可知，CF741 型集成運放的最大輸出電壓為型集成運放的最大輸出電壓為 13 V，超出此值時輸入與輸出不再有線性關(guān)系，超出此值時輸入與輸出不再有線性關(guān)系， 所以，選用所以，選用 50 V 量程的電壓表是沒有意義的。量程的電壓表是沒有意義的。 .27u= u = 0 uuuO RF iF R12 R2uI1

15、 iI1 iI2 uI2 R11 F 12 F 11 + uI2 ) uO=( uI1 當(dāng)當(dāng) uI1 單獨作用時單獨作用時, uO1=F11uI1當(dāng)當(dāng) uI2 單獨作用時單獨作用時, 根據(jù)疊加定理根據(jù)疊加定理: uO = uO1 uO2uO1=F12uI2 加法運算電路加法運算電路虛地虛地 .28當(dāng)當(dāng) R11 = R12 = R1 時：時： 當(dāng)當(dāng) R11 = R12 = RF 時：時： uO=(uI1 + uI2) ， 平衡電阻：平衡電阻： R2 = R11R12RF 。 說明說明 uuuO RF iF R12 R2uI1 iI1 iI2 uI2 R11 F 12 F 11 + uI2 ) u

16、O=( uI1 F 1 uO= (uI1 + uI2) 加法運算電路加法運算電路.29 當(dāng)當(dāng) uI1 單獨作用時單獨作用時, uO1=F1uI1當(dāng)當(dāng) uI2 單獨作用時單獨作用時, RF R1 uO2= (1 ) u R3R2R3u=uI2 = (1 RF R1 ) R3R2R3 uI2 uuuO RF R1 R2 uI2 uI1 R3 uuuO RF R1 R2 uI1 R3 uuuO RF R1 R2 uI2 R3 根據(jù)疊加定理根據(jù)疊加定理: uO = uO1 uO2 減法運算電路減法運算電路.30F 1 R3 R2R3 RFR1 = (1 ) uI2 uI1 uO = uO1uO2F 1

17、uO= (uI2uI1) 3 2 F 1 當(dāng)當(dāng)=時時,當(dāng)當(dāng) R1= RF 時時, uO= uI2 uI1平衡電阻平衡電阻 R2R3= R1RF 。 說明說明 uuuO RF R1 R2 uI2 uI1 R3 R3 / R21R3 / R2 減法運算電路減法運算電路.31 例例 10.5.2 如圖為兩級運放組成的電路，如圖為兩級運放組成的電路，已知已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求，求 uO。uI1uI2uI3 + uO 30 k 30 k 30 k 10 k 10 k 10 k 10 k 10 k F1 12 F1 11uO1=( uI1 uI2 )第

18、一級為加法運算電路：第一級為加法運算電路： 解解第二級為減法運算電路：第二級為減法運算電路： R5R4 + R5RF2R3 (1 ) uI3 F23 uO1 uO= = 0.3 V= 0.6 V.32uuuO RF R2 uI iF C uCiC u+ = u = 0 iF = iC duCuO =RFC dtduIuO =RFC dtduC = CdtuORF OuO tOuItUI 當(dāng)當(dāng) uI 為階躍電壓時為階躍電壓時, uO 為尖脈沖電壓。為尖脈沖電壓。 說明說明 平衡電阻平衡電阻 R2 = RF 。 微分運算電路微分運算電路虛地虛地 波形波形.33五、積分運算電路五、積分運算電路 u=

19、 u= 0 iI = iF1R1CuO = uI dt uCuuuO R1 R2 uI iF C iI duCdt C uIR1= =uO =uC 說明說明 當(dāng)當(dāng) uI 為階躍電壓時為階躍電壓時, uO隨時間線性積分到負(fù)飽隨時間線性積分到負(fù)飽和值為止。和值為止。OuI UIttOuOUOM平衡電阻平衡電阻 R2 = R1 。 積分運算電路積分運算電路波形波形虛地虛地 .34+UOM 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 R R uI URUOMuOuIuOOURUOMR R uI URuO+UOMuIuOOUR 信號輸入方式信號輸入方式 .35 零電壓比較器可以實現(xiàn)波形變換零電壓比較器可以實現(xiàn)波形變換,

20、即可以即可以把正弦波變換為方波。把正弦波變換為方波。 當(dāng)當(dāng)UR =0 時，稱為零電壓比較器時，稱為零電壓比較器UOM t uIO t uO O UOM R R uI uO零電壓比較器零電壓比較器輸出波形輸出波形.36 例例 10.6.1 如圖所示是利用運放組成的過溫保護電如圖所示是利用運放組成的過溫保護電路，路，R3 是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，溫度升高時，阻值變是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，溫度升高時，阻值變小，小，KA 是繼電器，要求該電路在溫度超過上限值時，繼是繼電器，要求該電路在溫度超過上限值時，繼電器動作，自動切斷加熱電源。試分析該電路的工作原電器動作，自動切斷加熱電源。試分析該電路的工作原理

21、。理。解解 從圖中可得：從圖中可得：正常工作時，正常工作時， uIUR， uO =UOM 晶體管晶體管 T 截止，截止， KA 線圈不通電線圈不通電, KA 不會動作。不會動作。 uO R1 R2 uI UCC R4 R3 UR T KA R2R1R2 UR = UCC (2) R4R3R4uI =UCC (1).37當(dāng)溫度超過上限值時，當(dāng)溫度超過上限值時， R3 的阻值下降；的阻值下降；根據(jù)公式根據(jù)公式 (1) 可知可知 uI 增加，增加， 當(dāng)當(dāng) uI UR 時，時， uO =UOM 晶體管晶體管 T 飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通， KA線圈通電線圈通電, KA產(chǎn)生動作，產(chǎn)生動作，切除加熱電源，切除加

22、熱電源，實現(xiàn)過溫保護。實現(xiàn)過溫保護。 uO R1 R2 uI UCC R4 R3 UR T KA .38+UOMUOM當(dāng)當(dāng) uO= + UOM 時時, u+ = UH = RF R2 + RF UR + R2 R2 + RF UOM 當(dāng)當(dāng) uO=UOM 時時, u+ = UL =RF R2 + RF UR R2 R2 + RF UOM O uO uIULUHuO+ _R1 R2uI UR RF 滯回電壓比較器滯回電壓比較器 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 上限觸發(fā)電壓上限觸發(fā)電壓 下限觸發(fā)電壓下限觸發(fā)電壓 .39+UOMUOMOuO uIULUHuO+ _R1 R2uI UR Rf U= UH UL

23、 稱為滯回寬度稱為滯回寬度 改變改變 R2 和和 RF，可以改變，可以改變 U、UL、UH 。 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 滯回電壓比較器滯回電壓比較器.40當(dāng)當(dāng) uIUL 時時, uO1=UOM uO2=UOM 當(dāng)當(dāng) uI UH 時時, uO1=UOM uO2=UOM 當(dāng)當(dāng) UHuIUL 時時,uO1 = UOM uO2 = UOM uO= =UOM uO= =UOM uH uO2 uO1 D1 D2 uO uL uI uLuHuIuOO+ uOMuO= 0 雙限電壓比較器雙限電壓比較器電壓傳輸特性電壓傳輸特性.41AoF =1 Uo Ui Uf 放大電路放大電路 A0 反饋電路反饋電路 F正

24、弦波振蕩器原理電路正弦波振蕩器原理電路 uO R CC RFR1 R RC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 Uf = F Uo Uo Ao Ui =反饋電路反饋電路 同相比同相比例電路例電路 .42反饋電壓反饋電壓 Uf 的相位要與輸入電壓的相位要與輸入電壓 Ui 的相位的相位 相同。相同。 即必須是正反饋。即必須是正反饋。 RC 串并聯(lián)電路串并聯(lián)電路 Uf =Ui UO R R CC =Uf Uo RXC 3j R2XC 1 =2Z并并 Z總總 (RjXC )R(jXC) R(jXC ) =.43Uf Uo R = XC = 2p pfnC 1 12p pR C fn =RXC 3j R2XC 1

25、 =2若滿足若滿足 Uf 和和 Ui 同相位同相位 =Uf Uo 13 振蕩頻率振蕩頻率 F = RC 串并聯(lián)選頻電路串并聯(lián)選頻電路 Uf =Ui Uo R R CC 改變改變 R、C 可以改變振蕩頻率?？梢愿淖冋袷庮l率。 .44 | Ao | = 3 =Uf Uo F = 13 反饋電壓與輸入電壓大小相等。反饋電壓與輸入電壓大小相等。 即即 | Ao| F | = 1。RFR1 1 = 3 F = 2R1 Uf= F Uo Uo Ao Ui = uO R R CC RF R1RC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 .45RC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 再反饋再反饋Ui = Uf = |F |Uo 2

26、 3. 振蕩電路的組成振蕩電路的組成 接通電源接通電源 Uo1 反饋反饋 Ui = Uf = | F |Uo1 放大放大 Uo2= | Ao | | F | Uo1 Uo1 再放大再放大Uo3 = | Ao | | F |Uo2 Uo2 起振的過程起振的過程 放大電路放大電路 正反饋電路正反饋電路 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 反饋電路反饋電路 放大電路放大電路 uO R CC RFR1 R 選頻電路選頻電路 .46 才能起振才能起振 振蕩穩(wěn)定振蕩穩(wěn)定 不能起振不能起振 | Ao | F | 1 | Ao | F | = 1 | Ao | F |1 總之，起振過程是由總之，起振過程是由 | Ao | F | 1， 一直到一直到 | Ao | F | = 1， 達到穩(wěn)定的過程。達到穩(wěn)定的過程。 振蕩波形振蕩波形.47| Ao | = 3F = 2R1 振蕩穩(wěn)定時振蕩穩(wěn)定時: | Ao | F | = 1 | Ao | 3F 2R1 起振時起振時: | Ao | F | 1 F 為非線性電阻，為非線性電阻， 選擇負(fù)溫度系數(shù)的熱敏變阻。選擇負(fù)溫度系數(shù)的熱敏變阻。 uO R R CC RF R1RC 正弦波振蕩器