CH4-集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

1、電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)第一篇第一篇電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)差分差分輸入級(jí)輸入級(jí)中間放大級(jí)中間放大級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)uiu0 集成運(yùn)放的型號(hào)和種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但它們的基本組成部分相同，如下圖所示：運(yùn)放的輸入級(jí)。利運(yùn)放的輸入級(jí)。利用差分電路的對(duì)稱用差分電路的對(duì)稱特性可提高整個(gè)電特性可提高整個(gè)電路的共模抑制比和路的共模抑制比和電路性能。電路性能。中間級(jí)的主要作中間級(jí)的主要作用是提高電壓增用是提高電壓增益。一般由多級(jí)益。一般由多級(jí)放大電路組成。放大電路組成。輸出級(jí)常用電壓跟輸出級(jí)常用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶輸出電阻，提

2、高帶負(fù)載能力。負(fù)載能力。 集成運(yùn)放內(nèi)部主要有上述三個(gè)部分，其外部還常接有偏置電路，以便向各級(jí)提供合適的工作電流。4.1.1 集成運(yùn)算放大器組成電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)A741集成運(yùn)放的8個(gè)管腳排列圖如下：12438765調(diào)零端調(diào)零端 反相輸入端反相輸入端 同相輸入端同相輸入端 負(fù)電源端負(fù)電源端 調(diào)零端調(diào)零端 輸出端輸出端 正電源端正電源端 空腳空腳 4.1.2 A741集成運(yùn)放電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)反相輸入端A741集成運(yùn)放圖形符號(hào)U0U+U-A741集成運(yùn)放外部接線圖同相輸入端12V12V輸出端子調(diào)零電位器調(diào)零電位器 管腳管腳1和和5分別與調(diào)零電位分別與調(diào)零電位器的兩個(gè)

3、固定端相連器的兩個(gè)固定端相連 調(diào)零電位器的可調(diào)調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳端與管腳4相連相連6513724電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)(1)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0 其數(shù)值很高，一般約為104107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U和U之間的關(guān)系。(2)差模輸入電阻ri運(yùn)放的差動(dòng)輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。(3)閉環(huán)輸出電阻r0 由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。 指運(yùn)放兩個(gè)輸入端能承受的最大共模信號(hào)電壓。超出這個(gè)電壓時(shí)，運(yùn)放的輸入級(jí)將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。(4)最大共模輸入電壓Uicmax4.1.3.

4、集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè) 為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，同時(shí)又能滿足實(shí)際工程的需要，常把集成運(yùn)放理想化，集成運(yùn)放的理想化參數(shù)為：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0=差模輸入電阻ri=輸出電阻r0=0共模抑制比KCMR=4.1.4. 理想集成運(yùn)放及其傳輸特性電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)集成運(yùn)放的電壓傳輸特性理想特性理想特性u(píng)i(mV)0u0(V)實(shí)際特性實(shí)際特性集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系 可以看出，當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)(+U0M U0M)時(shí)，其實(shí)際特性與理想特性非常接近；由于集成運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)相當(dāng)高，即使輸入電壓很小，也足以讓運(yùn)放工作在飽和狀態(tài)，使輸出電

5、壓保持穩(wěn)定。)(Au00UUU電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)由)(Au00UUU因Au0=，所以可導(dǎo)出0Au00UUU運(yùn)放工作在線性區(qū)差模輸入電壓等于零，說(shuō)明 ，UU即理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位相等。 兩點(diǎn)等電位相當(dāng)于短路。理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并沒(méi)有真正短接，但卻具有短接的現(xiàn)象稱為“虛短”。 又由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻ri=，所以 i+=i-=0這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。 “虛短”和“虛斷”是運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩個(gè)重要結(jié)論。電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)第一篇第一篇uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)飽和區(qū)O電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè) 集成運(yùn)放的應(yīng)用

6、分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。1. 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用負(fù)號(hào)說(shuō)明輸負(fù)號(hào)說(shuō)明輸入輸出反相入輸出反相由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011 RuiRuifi，由圖可知fii 1所以F01RuRuiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=0整理后可得i1F0uRRu輸出與輸入輸出與輸入的比例值的比例值4.2 集成運(yùn)放的應(yīng)用(1)反相比例運(yùn)算電路電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)反相比例運(yùn)算電路中，R2是平衡電阻，其值應(yīng)選擇符合F12/ RRR (2)同相比例運(yùn)算電路由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=uiFi011 RuuiRuifi，由圖可知fi

7、i 1所以F01RuuRuiiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=ui整理后可得i1F0)1 (uRRu輸出與輸入輸出與輸入的比例值的比例值 顯然同相比例運(yùn)算電路的輸出必然大于輸入。為提高電路的對(duì)稱性，與反相比例運(yùn)算電路相同，R2=R1/RF電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)同反相輸入比例運(yùn)算電路一樣，為了提高差動(dòng)電路的對(duì)稱性，平衡電阻F1p/ RRR 。閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：1Fo1RRuuAiuf可見(jiàn)同相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)必定大于或等于 1。當(dāng)0fR或1R時(shí) ，iuuo， 即1ufA，這時(shí)輸出電壓跟隨輸入電壓作相同的變化，稱為電壓跟隨器。u

8、i +uo電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)uo + )f12=(f11ui1ui2 若若 R11 = R12 = R1，則：則：uo=f1(ui1 + ui2) 若若 R11 = R12 = Rf ，則：則： uo=(ui1 + ui2) 平衡電阻平衡電阻: : R2 = R11 / R12 / Rf返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)uo+R12RfR2R11ui1ui2加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路 (3)加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)第一篇第一篇? u)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1

9、+ R1+動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)(4) 減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路R3uo+R1RfR2ui1ui2返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路 RfR1 ) u0= (1 +R3R2+R3ui2 ui1f1平衡電阻平衡電阻: : R2 / R3= R1 / Rf電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè) 例例1 兩級(jí)運(yùn)算電路如圖兩級(jí)運(yùn)算電路如圖 所示。所示。(1)試推導(dǎo)試推導(dǎo) uo 與與 ui1、ui2、ui3 的運(yùn)算關(guān)系；的運(yùn)算關(guān)系；(2) 若若: R1= R2= Rf1= 30 k，R3 = R4 = R5 = R6 =Rf2 = 10 k

10、， ui1= 0.1 V，ui2= 0.2 V，ui3=0.3 V，求，求 uo 的值。的值。uo +R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo 解解 (1)uo =(f11ui1 +f12ui2 )第一級(jí)運(yùn)算為加法運(yùn)算：第一級(jí)運(yùn)算為加法運(yùn)算：返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè) 例例1 的電路的電路 電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)uo=Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3= uo f24Rf2R4 ) (1+R6R5+R6ui3f11ui1 +f12ui2 )+f24(2)uo= ui3 + ui2 + ui1=(0.3 + 0.2 +

11、 0.1) V = 0.6 V+R2Rf1R3R1ui1ui2R6+R4Rf2R5ui3 + uo uo 返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè) 例例1的電路的電路 電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)Rp2RP1 +uoui1RF +uo1RRR1R2ui2：電路由第一級(jí)的反相器和第二級(jí)的加法運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)而成。11F22Fo12F11Fo2o1)(iiiiuRRuRRuRRuRRuuu電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)(5) 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路+ uCu= u+ = 0 (虛短虛短)uC = uiif

12、 = i1i1 = CduCdtif =uoRfuo =Rf Cduidt平衡電阻平衡電阻: : R2 = Rf0uit0uot(b) 波形波形返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)圖圖 10.5.8 微分運(yùn)算電路及其微分運(yùn)算電路及其階躍響應(yīng)波形階躍響應(yīng)波形 (a) 電路電路Ui= Cduidt微分時(shí)間常數(shù)微分時(shí)間常數(shù)uo+CuiRfuu+R2i1if電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè) 例例4 已知輸入已知輸入 ui 的波形如圖所示，試畫(huà)出輸出的波形如圖所示，試畫(huà)出輸出 uo 的的波形。設(shè)波形。設(shè) 5 Rf Ctp 。解解 uo =Rf Cduidttui0+Uitptuo

13、0t1 t2uo+CuiRfR2返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)(6) 積分運(yùn)算積分運(yùn)算uo+CuiR1uu+R2i1if+ uCu = u+ = 0uC = uuo =uoif = i1 i1 =uiR1if = CduCdt =Cduodtuo =ui dt1R1C積分時(shí)間常數(shù)積分時(shí)間常數(shù)平衡電阻平衡電阻: :0uit0uotUi t1R1CUOMR2 = R1返返 回回上一節(jié)上一節(jié)下一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)(b) 波形波形圖圖 10.5.8 積分運(yùn)算電路及其積分運(yùn)算電路及其階躍響應(yīng)波形階躍響應(yīng)波形 (a) 電路電路Ui

14、電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)例例5 輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0uu+oiA+iR1RCiCCu電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)i1uiR1URR2u0單門限電壓比較器 單門限電壓比較器只有一個(gè)門限電平，當(dāng)輸入電壓達(dá)到此門限值時(shí)，輸出狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 電壓比較器廣泛應(yīng)用于模/數(shù)接口、電平檢測(cè)及波形變換等領(lǐng)域中。uiu00U0MU0M 門限電平值門限電平值4.2.3 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)第一篇第一篇電壓傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。 uiuoOU

15、RURuouiR2+ R1+可見(jiàn)，在可見(jiàn)，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)電壓比較器應(yīng)用實(shí)例 利用電壓比較器可以把正弦波變換成方波。UR=0uiu0 由于門限電壓等于由于門限電壓等于0，因此，因此為過(guò)零電壓比較器。為過(guò)零電壓比較器。ui0tu00tUCMUCM 輸入電壓只要到達(dá)門限電輸入電壓只要到達(dá)門限電壓值，輸出電壓即可發(fā)生壓值，輸出電壓即可發(fā)生跳變。跳變。電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)滯回比較器 滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，傳輸過(guò)程中：當(dāng)輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時(shí)，兩種情況

16、下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”曲線的形狀。電路及曲線圖如下所示：uiR1R4u0R3R2DZUOMU0MUB1UB2當(dāng)當(dāng)ui等于或大于等于或大于UB1時(shí)時(shí)u0ui0門限電平值門限電平值當(dāng)當(dāng)ui小等于或小于小等于或小于UB2時(shí)時(shí) 滯回比較器可構(gòu)成矩形波、鋸齒波等非正弦信號(hào)發(fā)生器電路，也可以實(shí)現(xiàn)波形變換。電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè)滯回比較器的特點(diǎn)1、具有雙門限UB1和UB2； 2、電路具有正反饋環(huán)節(jié)；3、電路的抗干擾能力強(qiáng)。滯回比較器應(yīng)用實(shí)例ui (V)t010- -10tu0 (V)07- -7當(dāng)門限電壓為當(dāng)門限電壓為0.7V時(shí)時(shí)輸入波形輸入波形輸出波形輸出波形實(shí)現(xiàn)了波形的整形與變換電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)首首 頁(yè)頁(yè) 4.2.4.集成運(yùn)放的保護(hù)集成運(yùn)放的保護(hù) ）輸入端保護(hù)）輸入端保護(hù) 當(dāng)輸入端所加的電壓過(guò)高時(shí)會(huì)損壞集成運(yùn)放,為此,可在輸入端加入兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管,如圖6.29所示,將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以內(nèi)。 ）輸出端保護(hù)）輸出