模擬電子技術(shù)第3章 集成運(yùn)算放大器j

1、 采用專(zhuān)門(mén)的制造工藝，將元器件采用專(zhuān)門(mén)的制造工藝，將元器件及連線(xiàn)組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成及連線(xiàn)組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定的功能。特定的功能。開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)：運(yùn)算放大器外部，：運(yùn)算放大器外部，兩個(gè)輸入和輸出之間兩個(gè)輸入和輸出之間沒(méi)有任何連接。沒(méi)有任何連接。 將集成運(yùn)算放大器的一些參數(shù)近似理想化，得到將集成運(yùn)算放大器的一些參數(shù)近似理想化，得到理想運(yùn)算放大器的模型，有理想運(yùn)算放大器的模型，有(1)(1)開(kāi)環(huán)差模電壓增益：開(kāi)環(huán)差模電壓增益：odA(3)(3)差模輸入電阻：差模輸入電阻：idr(4)(4)輸出電阻：輸出電阻：0or(2)(2)共模抑制比：共模抑制比：CMRRK注意

2、注意：無(wú)特殊說(shuō)明，：無(wú)特殊說(shuō)明，今后我們分析的集今后我們分析的集成運(yùn)算放大器均為成運(yùn)算放大器均為！uuuid( (一一) )線(xiàn)性區(qū)線(xiàn)性區(qū)idoooduuuuuA)(1)(1)兩個(gè)輸入端之間電壓近似為零兩個(gè)輸入端之間電壓近似為零odoAuuu)(0uu uu（“虛短虛短”）（“虛斷虛斷”）0ii(2)(2)兩個(gè)輸入端電流近似為零兩個(gè)輸入端電流近似為零idrooU，uuu時(shí)ooU，uuu時(shí)uuuid( (二二) )非線(xiàn)性區(qū)非線(xiàn)性區(qū)(1)(1)兩個(gè)輸入端之間電壓兩個(gè)輸入端之間電壓不為零不為零0ii(2)(2)兩個(gè)輸入端電流近似為零兩個(gè)輸入端電流近似為零idr（“虛斷虛斷”） 電路特點(diǎn)電路特點(diǎn)：運(yùn)算放

3、大器工作在：運(yùn)算放大器工作在閉環(huán)閉環(huán)狀態(tài)，即在運(yùn)放狀態(tài)，即在運(yùn)放外部，輸出端與一個(gè)反相輸入端有物理連接。外部，輸出端與一個(gè)反相輸入端有物理連接。特點(diǎn)特點(diǎn)： 輸入信號(hào)接反相輸入端；輸入信號(hào)接反相輸入端； 反饋電阻接于輸出與反相反饋電阻接于輸出與反相輸入端之間；輸入端之間； 輸出電壓與輸入電壓反相。輸出電壓與輸入電壓反相。0uufii 1111RuRuuiiifofofRuRuui 為平衡電阻為平衡電阻 2RfRRR/12ifouRRu1 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，有時(shí)，有 ，稱(chēng)該電路為，稱(chēng)該電路為反相器反相器或或反號(hào)器反號(hào)器。fRR 1iouu求電壓增益值求電壓增益值 ioufuuA例例1 1112Ruiiia

4、iauRRu1221RuRuaiiauRRRRui41244331233RuuRRRRuuioioa在在 由由KCLKCLa 33124121RuuRRRuRRRRuoiii)(41321312RRRRRRRRuuAiouf342iiiuRRufo)1 (1特點(diǎn)特點(diǎn)：輸入信號(hào)接同相輸入端；輸入信號(hào)接同相輸入端；反饋電阻接于輸出與反相反饋電阻接于輸出與反相輸入端之間；輸入端之間；輸出電壓與輸入電壓同相。輸出電壓與輸入電壓同相。iuuufoRuuRu1ifouRRu)1 (1由平衡電阻的概念有由平衡電阻的概念有 21/RRRfiuRRRuu323foRuuRu1ifouRRRRRu3231)1 (

5、由平衡電阻的概念有由平衡電阻的概念有 321/RRRRfuRRufo)1 (1討論討論ifouRRRRRRu11323(1) (1) 輸出電壓與輸入電壓同相輸出電壓與輸入電壓同相; ;由上式可知由上式可知(2) (2) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，有時(shí)，有3RifouRRu)1 (1輸出輸出 輸入輸入iouu (3) (3) 當(dāng)當(dāng) 或或 有有1R0fR對(duì)應(yīng)電路如下對(duì)應(yīng)電路如下分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例例2 2分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例例3 3由圖可知反相輸入端由圖可知反相輸入端虛虛地地111Ruii222RuiifofRui由由KCLKCL有有fi

6、ii21)(2111ififouRRuRRu由平衡電阻的概念有由平衡電阻的概念有 fRRRR/21當(dāng)當(dāng) 有有 fRRR21)(21iiouuu 該結(jié)論可推廣為多該結(jié)論可推廣為多 個(gè)輸入信號(hào)個(gè)輸入信號(hào) 電路如圖，已知電路如圖，已知 KR601KR302KR203KRf200Vui2 . 01Vui8 . 02Vui2 . 03求：輸出電壓求：輸出電壓 的大小。的大小。 ou解：解：該電路實(shí)現(xiàn)了三個(gè)輸入信號(hào)的該電路實(shí)現(xiàn)了三個(gè)輸入信號(hào)的反相加法運(yùn)算，所以反相加法運(yùn)算，所以 )(332211ifififouRRuRRuRRuV67. 22 . 020200)8 . 0(302002 . 060200(

7、例例4 4+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路電平抬高電路A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)uiuouo = (ui /2)+2.5 V例例5 5例例5(續(xù)續(xù))uo = (ui /2)+2.5 V = (ui +5) /2 _+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k uo1=-(10/20)(ui+5)=- (ui+5)/2uo=-(20/20)uo1=- uo1 =(ui+5)/2 輸入信號(hào)由兩個(gè)輸入端分輸入信號(hào)由兩個(gè)輸入端分別輸入，稱(chēng)為別輸入，稱(chēng)為差動(dòng)輸入差動(dòng)輸入。 由虛短得到由虛短得到2323iuRRRufoiRuuRuu11foifRRuRuRu1

8、11 由虛斷得到由虛斷得到 uu11232311ififouRRuRRRRRRu 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)fRRRR32112iiouuu-利用疊加原理進(jìn)行分析利用疊加原理進(jìn)行分析1123231 )1 (ififooouRRuRRRRRuuu11ifouRRuuRRufo)1 (1 23231)1 (ifuRRRRR分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系例例6 6dtudCdtduCRuoci)(tiOtiodtuRCUdtuRCu01)0(1輸出與輸入對(duì)時(shí)間的積分成正比。輸出與輸入對(duì)時(shí)間的積分成正比。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)0)0(oUtiodtuRCu01dtduCdtduCiiCCRuiof0fC

9、ii RudtduCi0dtduRCuio 電路如圖，試求表達(dá)式電路如圖，試求表達(dá)式 )(ioufu 解：解：由圖中各量的參考方向有由圖中各量的參考方向有1RuiiRdtduCiiC1fofRui由由CRfiiidtduCRuRuiifo11dtduCRuRRuififo11輸出電壓是輸入電壓的比例運(yùn)算和微分運(yùn)算的組合，輸出電壓是輸入電壓的比例運(yùn)算和微分運(yùn)算的組合，稱(chēng)之為比例微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)之為比例微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱(chēng)PDPD調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器。例例7 7KRR2075 電路如圖，已知電路如圖，已知 KRRR10421KR106 KR53Vuuii221FC100求求（1 1）寫(xiě)出）寫(xiě)出 的表達(dá)式的表

10、達(dá)式),(21iiouufu （2 2）設(shè)）設(shè) ，求，求 達(dá)到達(dá)到 所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。0)0(CUouV9例例8 8解：解：（1 1）由第一級(jí)可以求出由第一級(jí)可以求出111RuiidtRuRuCRRURRuRRRRuRRRRuRRuitiCiioo)()0(2201157572245711457157222Ruii)1(41dtiCiRutffo)(1)0(022112241141dtRuRuCUuRRuRRutiiCiio由第二級(jí)可以求出由第二級(jí)可以求出dtRuRuCRRURRuRRRRuRRRRuRRuitiCiioo)()0(2201157572245711457157（2 2）由

11、已知由已知 則帶入數(shù)據(jù)有則帶入數(shù)據(jù)有0)0(CUtRCuuuiio22sRCuuutiio25. 122+-+-uIuOuO2RF1RF2RR2R1R2uR RR RRuOF1F2I 212()uRRuO2F22O()1uRuRI1O2F1 0uRRuO2F1I 1 -RRwwuO1uO2uI1uI2RRuOuIO2O1WWWWI2I1)2(uuRRRRRuuR1R2R2R1abcuOuI+uRRuRRuOac()11212()()11121221RRuRRRRuab()()112RRuuab()112RRuI15VuIR1R2R1R2R3R42R1uOiIi1i2uO1+A1+A2uuOI

12、2iu / R11Ii(u -u )/ R =(uu )/ R =u / R2IO1III121iiiI120ru / iiII 如果在多個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)中選取或除去如果在多個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)中選取或除去某些頻率的信號(hào)，完成該功能的電路稱(chēng)為某些頻率的信號(hào)，完成該功能的電路稱(chēng)為濾波器濾波器。濾波器：濾波器：按信號(hào)性質(zhì)按信號(hào)性質(zhì): 模擬濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能按電路功能: 低通濾波器低通濾波器高通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器按所用元件按所用元件: 無(wú)源濾波器和無(wú)源濾波器和有源濾波器有源濾波器按階數(shù)按階數(shù): 一階一階,二階二階 高階高階 種

13、類(lèi)種類(lèi): :)j (Ui )j (Uo 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：ioioioUU)j (U)j (U)j (T ioUU)j (T 幅頻特性幅頻特性io)( 相頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性傳遞函數(shù)、幅頻特性 ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻反饋回路的等效阻抗為反饋回路的等效阻抗為FFFFFFFFFfCRjRCjRCjRCRZ111/iFFFiFoUCRjRRURZU11FFFiofUCRjRRUUA11一、有源濾波器一、有源濾波器1.1.一階有源一階有源低通低通濾波器濾波器傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)中出現(xiàn)傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項(xiàng)的一次項(xiàng),故稱(chēng)為故

14、稱(chēng)為一階濾波器一階濾波器定義截止頻率為定義截止頻率為 FFCR10RRAFufoFFFiofUCRjRRUUA11幅頻特性幅頻特性20)(11ufoiofUAUUA傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)011jAUUAufoiofU1、0 時(shí)：時(shí)：1RRUUFio有放大作用有放大作用3、運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。2、0 時(shí)：時(shí)：)211RRUUFio幅頻特性與一階無(wú)幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類(lèi)似源低通濾波器類(lèi)似電路特點(diǎn)電路特點(diǎn): :oF11URRRU UUiUCj1RCj1U iUCj11R1 RCRR1RFC+-+iU oU Cj11)RR1(UU1Fio 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)1 RC2.2.

15、一階有源一階有源高通高通濾波器濾波器幅頻特性及幅頻特性曲線(xiàn)幅頻特性及幅頻特性曲線(xiàn)Cj11)RR1(UU1Fio 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)1 RC幅幅頻頻特特性性201Fio)(11)RR1(UU ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0RR1RFC+-+iU oU CR10一階低通和二階低通一階低通和二階低通幅頻特性曲線(xiàn)幅頻特性曲線(xiàn)的區(qū)別的區(qū)別二階低通二階低通o ioUU 0-3dbAF理想低通理想低通一階低通一階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線(xiàn)越接近階數(shù)越高，幅頻特性曲線(xiàn)越接近理想濾波器理想濾波器oF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU iUCj1RCj1U iUCj11 R

16、CCj11)RR1(UU1Fio 201Fio)(11)RR1(UU ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0例例9 9其功能是比較兩個(gè)輸入信號(hào)的大小，其結(jié)果用其功能是比較兩個(gè)輸入信號(hào)的大小，其結(jié)果用輸出端的高低電平來(lái)表示。輸出端的高低電平來(lái)表示。常用于模擬和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、對(duì)信號(hào)的控制常用于模擬和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、對(duì)信號(hào)的控制及測(cè)量。及測(cè)量。+uouiUR+uouiURuoui0URUR為參考電壓為參考電壓當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = U+o當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = U-o 特點(diǎn)特點(diǎn):運(yùn)放處于運(yùn)放處于 開(kāi)環(huán)狀態(tài)開(kāi)環(huán)狀態(tài)(1)(1)單限電壓比較器單限電壓比較器( (

17、一一) )oUoU+uouiURuoui0UR當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = U-o- ui從反相端輸入從反相端輸入oUoU(1)(1)單限電壓比較器單限電壓比較器( (二二) )uoui0+uoui過(guò)零比較器過(guò)零比較器: 當(dāng)當(dāng)UR =0時(shí)時(shí)+uouiuoui0oUoUoUoU+uouituituo利用電壓比較器將利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。正弦波變?yōu)榉讲ā＠? 9oUoU00iiZZouuUUu輸出限幅電路輸出限幅電路00iiDDouuUUuuoui0+UZ-UZ+uiuo UZuoui0+UZ-UZ忽略了忽略了UD輸入信號(hào)和參考電壓均接在反相端輸入信號(hào)和參考電壓均接在反相端反相輸入

18、端反相輸入端虛地虛地因此當(dāng)因此當(dāng) 時(shí)時(shí), ,012RURuRiif 向右，與參考方向相同向右，與參考方向相同ZDZoUUUu)(同理當(dāng)同理當(dāng) 時(shí)時(shí), ,012RURuRiZoUuRURR12電路的門(mén)限電壓為電路的門(mén)限電壓為總結(jié)總結(jié)1、電路簡(jiǎn)單。、電路簡(jiǎn)單。2、 容易引入干擾。容易引入干擾。(2)(2)遲滯型電壓比較器遲滯型電壓比較器oFRFFFoRRRRuRRRURRRRRRuUUUUU222222當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), ,ooUuHoFRFFUURRRURRRU222當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), ,ooUuLoFRFFUURRRURRRU222令令0LHUU 由由0 0+iu得到上圖中得到上圖中A到到D段段當(dāng)當(dāng) 由由

19、+ 0時(shí)時(shí)iu得到上圖中得到上圖中D到到F段段輸出電壓在兩個(gè)不同的門(mén)限電壓上下跳變輸出電壓在兩個(gè)不同的門(mén)限電壓上下跳變UUU回差電壓回差電壓tuiUHULtuoU+oU-o輸入正弦波的情況輸入正弦波的情況UR =0采樣采樣：把連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的信號(hào)；：把連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的信號(hào)；保持保持：在兩次采樣的時(shí)間間隔內(nèi)，將前一次采樣結(jié)：在兩次采樣的時(shí)間間隔內(nèi)，將前一次采樣結(jié)束的信息保持下來(lái)。束的信息保持下來(lái)。原理電路圖原理電路圖場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管T作為模擬開(kāi)關(guān)作為模擬開(kāi)關(guān)電容電容C作為保持元件作為保持元件集成運(yùn)放接成跟隨器，起阻抗變換和隔離作用集成運(yùn)放接成跟隨器，起阻抗變換和隔離作

20、用u作為采樣控制信作為采樣控制信號(hào)號(hào)ui是待采樣信號(hào)是待采樣信號(hào)uo為采為采保后的離散信號(hào)保后的離散信號(hào)集成運(yùn)放處于比較器狀態(tài)；集成運(yùn)放處于比較器狀態(tài)；輸出電壓為矩形波輸出電壓為矩形波;電容電壓為近似的三角波。電容電壓為近似的三角波。在非電量測(cè)量系統(tǒng)中，常用各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)在非電量測(cè)量系統(tǒng)中，常用各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈦娏餍盘?hào)，放大后給檢測(cè)系統(tǒng)變?yōu)殡妷?、電流信?hào)，放大后給檢測(cè)系統(tǒng).第一級(jí)放大電路由第一級(jí)放大電路由A1、A2組成，均采樣同相輸入，組成，均采樣同相輸入，輸入電阻高，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可抑制零漂。輸入電阻高，電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可抑制零漂。兩個(gè)運(yùn)放的兩個(gè)運(yùn)放的輸入信號(hào)極輸入信號(hào)極性

21、相反，當(dāng)性相反，當(dāng)R2=R3時(shí)，時(shí)，R1的中點(diǎn)相的中點(diǎn)相當(dāng)于地當(dāng)于地.1121121)21 ()21 (iiouRRuRRu2122)21 (iouRRu)(21 (211221iioouuRRuu)21 (122121211RRuuuuuuuAiooiioou1462464757)(ooouRRuRRRRRRu)()(21461246146246ooooooouuRRuuRRuRRuRRu)21 (124621RRRRAAuuAuuiou當(dāng)當(dāng)R4=R5， R6=R7時(shí)，時(shí)，14 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7NCNCINFMTHDADJ 2THDADJ1OUT(S)

22、OUT(T)OUT(Q)RARBVCCVEE /GNDRFMCT集成電路，如正弦波、集成電路，如正弦波、方波、三角波、矩形方波、三角波、矩形波和鋸齒波，而且占波和鋸齒波，而且占空比可調(diào)?？蓪⑵錃w空比可調(diào)?？蓪⑵錃w屬于壓控振蕩器集成屬于壓控振蕩器集成電路系列。電路系列。 5G8038是函數(shù)發(fā)是函數(shù)發(fā)生器的典型產(chǎn)品。生器的典型產(chǎn)品。函數(shù)發(fā)生器是一種能產(chǎn)生多種信號(hào)波形的專(zhuān)用函數(shù)發(fā)生器是一種能產(chǎn)生多種信號(hào)波形的專(zhuān)用23965478101112+VCC方波方波5G8038VEE/GNDR2CR1RLRP1RP2三角波三角波正弦波正弦波運(yùn)放在輸入端不加信號(hào)的情況下，輸出端也可能運(yùn)放在輸入端不加信號(hào)的情況下，輸出端也可能有交流電壓輸出，表明運(yùn)放產(chǎn)生