集成運算放大器及其應用

1、第第7 7章章 目錄目錄第第7 7章章 7 7 1 1集成運算放大器組成集成運算放大器組成集成運算放大器特性集成運算放大器特性集成運算放大器反饋問題集成運算放大器反饋問題集成運算放大器應用集成運算放大器應用1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；2. 二極管多用三極管的發(fā)射結代替；二極管多用三極管的發(fā)射結代替；3. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替， 電位器需外接；電位器需外接；4. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感 和變壓器均需外接。和變壓器

2、均需外接。第第7 7章章 7 7 1 1集成運放是集成運放是電壓放大倍數(shù)很高電壓放大倍數(shù)很高的的直接耦合直接耦合多級放大器多級放大器。 1. 集成運放的內部電路結構框圖集成運放的內部電路結構框圖輸入級輸入級 差動放大器差動放大器輸出級輸出級 射極輸出器或互補對稱功率放大器射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級中間級 電壓放大器電壓放大器偏置電路偏置電路 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成第第7 7章章 7 7 1 1uiuou+u2. 集成運算放大器的符號集成運算放大器的符號輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端A信號傳信號傳輸方向輸方向第第7 7章章 7 7 1 1理想

3、理想運放開環(huán)運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)實際實際運放開環(huán)運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)負反饋穩(wěn)定放大器增益的原理是因為負反饋負反饋穩(wěn)定放大器增益的原理是因為負反饋有自動調節(jié)作用。工作環(huán)境變化有自動調節(jié)作用。工作環(huán)境變化(如溫度、如溫度、濕度濕度)、器件更換或老化、電源電壓不穩(wěn)等、器件更換或老化、電源電壓不穩(wěn)等諸因素會導致基本放大器的放大倍數(shù)不穩(wěn)定諸因素會導致基本放大器的放大倍數(shù)不穩(wěn)定。第第7 7章章 7 7 2 2正反饋正反饋xd = xi + xf負反饋負反饋xd = xi xfA= xo / xdF= xf / xoAf = = xo xiA 1+ AFAFxoxixdxf 閉環(huán)放大

4、倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xi 總輸入信號總輸入信號xd 凈輸入信號凈輸入信號xf 反饋信號反饋信號開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)反饋系數(shù)xo 輸出信號輸出信號第第7 7章章 7 7 2 2正反饋：正反饋：反饋信號增強輸入信號。反饋信號增強輸入信號。負反饋：負反饋：反饋信號削弱輸入信號。反饋信號削弱輸入信號。電壓反饋：電壓反饋：反饋信號反饋信號xf取自輸出電壓取自輸出電壓uo，xf與與uo成正比。成正比。電流反饋：電流反饋：反饋信號反饋信號xf取自輸出電流取自輸出電流io，xf與與io成正比。成正比。串聯(lián)反饋：串聯(lián)反饋：反饋信號和輸入信號以串聯(lián)方式作用在基本放大電路的反饋信號和輸入信號以串聯(lián)方式作用在

5、基本放大電路的 凈輸入端凈輸入端。并聯(lián)反饋：并聯(lián)反饋：反饋信號和輸入信號以并聯(lián)方式作用在基本放大電路的反饋信號和輸入信號以并聯(lián)方式作用在基本放大電路的凈輸入端凈輸入端。第第7 7章章 7 7 2 2FAuiudufuoRLAFxoxixdxf在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相并聯(lián)相并聯(lián), , xf與與uo成正比，為電壓反饋；成正比，為電壓反饋；信號信號 x均以電壓均以電壓 u 的形式出現(xiàn)的形式出現(xiàn)在放大器輸入端在放大器輸入端, ,信號以電壓出現(xiàn)信號以電壓出現(xiàn), ,uf與與ud相串聯(lián)相串聯(lián), ,為串聯(lián)反饋；為串聯(lián)反饋；ud= ui uf ui，為負反饋。，為負反饋。凈輸入電壓凈輸入電壓第

6、第7 7章章 7 7 2 2FA框圖框圖例圖例圖同相比例運算同相比例運算RLuiudufuoR2uiu oRLRFR1第第7 7章章 7 7 2 2uoidiiifRLAF在放大器輸入端在放大器輸入端, , 信號以電流出現(xiàn)信號以電流出現(xiàn), , if與與id相并聯(lián)相并聯(lián), ,為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋；id = ii if ii ，為負反饋。，為負反饋。凈輸入電流凈輸入電流xoxixdxf在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相并聯(lián)相并聯(lián), , xf與與uo成正比成正比, , 為電壓反饋；為電壓反饋；第第7 7章章 7 7 2 2AF框圖框圖例圖例圖反相比例運算反相比例運算RLuoidiiifui

7、uoRFRLR2R1第第7 7章章 7 7 2 2AFRLioAFud= ui uf ui ，為負反饋。為負反饋。凈輸入電凈輸入電壓壓, ,在放大器輸入端在放大器輸入端, ,信號以電壓出現(xiàn)信號以電壓出現(xiàn), ,uf與與ud相串聯(lián)相串聯(lián), ,為串聯(lián)反饋；為串聯(lián)反饋；在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相串聯(lián)，相串聯(lián)， xf與與 io成正比，為電流反饋；成正比，為電流反饋；xoxixdxfuiudufuo第第7 7章章 7 7 2 2AF框圖框圖例圖例圖電壓控制電流源電壓控制電流源RLuiudufuoio12RRRLuiuoiouduf第第7 7章章 7 7 2 2AFiouoRLAF在放大器輸

8、入端在放大器輸入端, , 信號以電流出現(xiàn)信號以電流出現(xiàn), , if與與id相并聯(lián)相并聯(lián), ,為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋； id= ii if ii ，為負反饋。，為負反饋。凈輸入電流凈輸入電流在放大器輸出端，在放大器輸出端，F(xiàn)與與A相串聯(lián)相串聯(lián) , , xf與與 io成正比，為電流反饋；成正比，為電流反饋；信號信號 x 均以電流均以電流 i 的形式出現(xiàn)的形式出現(xiàn)xoxixdxfidiiif第第7 7章章 7 7 2 2iAFiouiiidfRL框圖框圖例圖例圖oRL+iouoR2R1RFRiiidif第第7 7章章 7 7 2 2uiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1電壓并聯(lián)負反饋電壓

9、并聯(lián)負反饋(級間級間)RF2電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋(級間級間)RF3電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋(本級本級)if第第7 7章章 7 7 2 2ui uoN1N2uf+uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2反饋類型：串聯(lián)反饋類型：串聯(lián) 電壓電壓 負反饋負反饋電流電流RLuf 與與uo成正比成正比io例例2：反饋類型的判別：反饋類型的判別第第7 7章章 7 7 2 2xf 與與uo成正比成正比是電壓反饋是電壓反饋xf 與與io成正比成正比是電流反饋是電流反饋RL R F R1udufuiuoR2ioufui R1R2uduoRL第第7 7章章 7 7 2 2xi 與與 xf 串聯(lián)為串聯(lián)

10、反饋串聯(lián)為串聯(lián)反饋 xf 必以電壓形式出現(xiàn)必以電壓形式出現(xiàn)xi 與與 xf 并聯(lián)為并聯(lián)反饋并聯(lián)為并聯(lián)反饋 xf 必以電流形式出現(xiàn)必以電流形式出現(xiàn)xi 與與 xf 分別接在兩個輸入端為串聯(lián)反饋分別接在兩個輸入端為串聯(lián)反饋 xi 與與 xf 接在同一個輸入端為并聯(lián)反饋接在同一個輸入端為并聯(lián)反饋uiuoiiidifRLR1RFR2第第7 7章章 7 7 2 2+VCCRB1RCC1C2RSTRLuO uSRB2RE2+CERE1ui +第第7 7章章 7 7 2 2rbe RLRB1RB2 RE1 ib ibufuOuiubeicuf = RE1iC ，與輸出電流成正比，是電流反饋。，與輸出電流成正

11、比，是電流反饋。 ube= ui uf ， 是串聯(lián)比較，且三者同相，是串聯(lián)比較，且三者同相， uf 削弱了削弱了ube。 RE1引入了引入了第第7 7章章 7 7 2 2例例4：分析射極輸出器的反饋類型：分析射極輸出器的反饋類型+VCCRBC1C2RSTRLui REuS+uo uf = uo ，輸出電壓輸出電壓全部反饋到輸入端。全部反饋到輸入端。ube =ui uf，E是串聯(lián)比較，是串聯(lián)比較，且三者同相，且三者同相， uf 削弱了削弱了ube ，uf 第第7 7章章 7 7 2 2負反饋負反饋xd = xi xf閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)xi = xd + xfAf = = xo xixoxd

12、 + xf=xoxdxoxfxo1+xd| Af |=|Ao|1+ |F|Ao| Af |1|F| Af | ri并聯(lián)并聯(lián)負反饋負反饋降低降低輸入電阻輸入電阻 rif ro電壓電壓負反饋負反饋降低降低輸出電阻輸出電阻 rof 0，即時，oOM當i0，即R4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uo第第7 7章章 7 7 4 4uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo uo = 1+ u+RFR1 1uf = 1+ ui RF R1 12. 同相比例運算電

13、路同相比例運算電路虛斷路虛斷路id 0虛短路虛短路uiu =+uou = fR1R1 RF+uu =+故有：故有：第第7 7章章 7 7 4 4uiuo同相跟隨器uo = uiRFR若接入電阻若接入電阻R、RF，運算關系不變，運算關系不變第第7 7章章 7 7 4 43. 差動比例運算電路差動比例運算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進行分析利用疊加原理進行分析ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1第第7 7章章 7 7. .4 4uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3F1u

14、 o31. 反相加法運算電路反相加法運算電路Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if7.4.2 第第7 7章章 7 7 4 42F211uo2. 同相加法運算電路同相加法運算電路23ui1ui2ui322RFR1 uO = 1+ + R + + + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 R 第第7 7章章 7 7 4 41. 差動比例運算電路差動比例運算電路uoRFR1R2R3 = 1+ ui2 uoRFR1R2 + R3R3- - ui1RFR17.4.3 減法運算電路減法運

15、算電路ui2ui1差動比例運算差動比例運算是減法運算電是減法運算電路的一種形式路的一種形式第第7 7章章 7 7 4 4 11ui121 2. 兩級反相輸入減法運算電路兩級反相輸入減法運算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第第7 7章章 7 7 4 4F2uo= ui1 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2ui1. 反相積分運算電路反相積分運算電路CFuo27.4.4 積分和微分運算電路積分和微分運算電路由虛斷和虛地由虛斷和虛地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt第第7 7章章 7 7

16、 4 4uuOi 2. 反相微分運算電路反相微分運算電路C1 duidtuo= RF C1 uouiF由于微分和積分互為逆運算，由于微分和積分互為逆運算，將電容與電阻位置對調即可。將電容與電阻位置對調即可。輸出與輸入輸出與輸入的關系式為的關系式為若輸入為方波若輸入為方波則輸出波形為則輸出波形為第第7 7章章 7 7 4 4CF應用舉例：應用舉例：PID調節(jié)器調節(jié)器21uouiC1F輸出與輸入的輸出與輸入的關系式為關系式為第第7 7章章 7 7 4 4duiu = ( + ) + RFC1 + ouiRFR1R1CFC1CFdt1ui dt 應用舉例：應用舉例：求解微分方程求解微分方程uouiN

17、1N3N2dtduo5uo = 10ui10k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 F根據(jù)電路參數(shù)，所要根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：求解的微分方程為：第第7 7章章 7 7 4 4uouu+ +實際特性理想運放符號 運放電壓傳輸特性理想特性uou+uUOMUOM0當i0，即時，oOM當i0，即0UZ第第7 7章章 7 7 5 57.6.1 ：在無輸入信號（xi=0）時，電路中的噪擾電壓（如元件的熱噪聲、電路參數(shù)波動引起的電壓、電流的變化、電源接通時引起的瞬變過程等）使放大器產生瞬間輸出xo，經(jīng)反饋網(wǎng)絡反饋到輸入端，得到瞬間輸入xd，再經(jīng)基本放大器放大，又在輸出端產生新的輸出信號xo，如此反復。在無反饋或負反饋情況下，輸出