集成運算放大器及其應(yīng)用

第3章集成運算放大器及其應(yīng)用3.1集成運算放大器簡介3.2差動放大器3.3理想運算放大器及其分析依據(jù)3.5放大電路中的負(fù)反饋3.4集成運放在模擬運算方面的應(yīng)用3.6集成運放在信號測量方面的應(yīng)用3.7電壓比較器3.8集成運放在信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用第3章目錄3.1.1集成運放概述3.1集成運算放大器簡介3.1.2集成電路的特點1.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(jié)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、電感和變壓器均需外接。第3章31集成運放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。3.1.3

集成運放的結(jié)構(gòu)和符號

1.集成運放的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖輸入級偏置電路輸出級中間級輸入級—差動放大器輸出級—射極輸出器或互補對稱功率放大器中間級—電壓放大器偏置電路—由鏡像恒流源等電路組成第3章31輸入級偏置電路中間級輸出級輸出2.集成運放741的電路原理圖+VCCuO+–反相輸入-VEE同相輸入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C第3章31uiuou+u–3.集成運算放大器的符號輸出端反相輸入端同相輸入端A信號傳輸方向第3章31理想運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)RRB1C1uiuoTT12UCE13.2差動放大器3.2.1直接耦合方式及其存在問題1.前、后級靜態(tài)工作點的相互影響當(dāng)T2

接入后,有UCE1=UBE20.6V,使T1進(jìn)入飽和狀態(tài),T1的動態(tài)范圍很小。解決辦法：提高VE2。(1)加入電阻RE2+VCCE2RRC2第3章3

2RRB1C1R

C2uiuoTT12RUz（2）在T2的發(fā)射極加入穩(wěn)壓管+VDzCC第3章3

2RRB1C1RE2uiuoTT12RC2VCC+（3）利用NPN型管和PNP型管進(jìn)行電平移動第3章3

22.

直流放大器的零點漂移tu0當(dāng)放大器的輸入電壓ui

=0時，其輸出電壓uO往往不為常數(shù)，稱這種現(xiàn)象為放大器的零點漂移。差動放大器能夠很好地抑制零點漂移。o第3章3

2uRCRCRRBBuo1ui1i2uuo2oCCV3.2.2差動放大器共模輸入ui1

=

ui2差模輸入ui1=

–

ui21.典型差動放大器RPREEET1T2第3章3

2RCRCRRRBBPuoCC+V1

雙端輸入雙端輸出方式T1REuiEEVui1ui22.

差動放大器的輸入輸出方式RRT2第3章3

2RCRCRRRBBPo1uuo2CC+V（2）單端輸入單端輸出方式REEEuiT1T2第3章3

2

RCRCRBRBRPRE33.具有恒流源的差動放大器CC+VEE–VuOT1T2

ui

R1R2T3第3章3

2

1.運算放大器的電壓傳輸特性UOMUOM–UOM–UOMUim–Uim實際運放理想運放

uo=

f

(

ui

)

,其中

ui

=

u+–

u–

3.3理想運算放大器及其分析依據(jù)uOui0uiuo++–uiuO0第3章3

3“虛斷路”原則+iiui對于理想運放rid相當(dāng)于兩輸入端之間短路uiiirid=對于理想運放u–u+相當(dāng)于兩輸入端之間斷路uOii

0Auoui

0,rid,“虛短路”原則212.理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)第3章3

3+uo=ui–u–=uAuo+uiuO++––在右圖所示電路中，因為存在負(fù)反饋信號,同相輸入端不是“虛地”?。疲遥遥玻眜iuoＲ3

“虛地”的概念由“虛斷路”原則ii

=0

,有u+=0

u+

u–=

0結(jié)論：反相輸入端為“虛地”。當(dāng)同相輸入端接地時，第3章3

3ＲＦＲＲ１２uiuo由“虛短路”原則注意“虛斷路”原則uiiirid=對于理想運放相當(dāng)于兩輸入端之間斷路ii

0rid,3.理想運放工作在非線性區(qū)的分析依據(jù)運放工作在線性工作狀態(tài)的必要條件：必須引入深度負(fù)反饋。+iiuiriduO第3章3

3+注意:u+=u–

不一定成立！uiuoi1ifidRFR1R23.4

集成運放在模擬運算方面的應(yīng)用3.4.1

比例運算電路虛斷路id

0虛地uii1

=

—–R1uif

=

–—oRFi1

ifRF引入深度負(fù)反饋uo

=

uiRFR1故有：第3章3

41.反相比例運算電路uiuoi1ifRFR1R2虛地：ui1

=—iR1例:反相比例運算電路R3R4設(shè):

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3ui

uo第3章3

4uo'uo=R4R3R4+uo得'

uoif

=–RF'RFRR12uiuo

uo

=

1+

u+RFR1uf

=

1+

uiRFR12.同相比例運算電路虛斷路id

0虛短路uiu=+uou

=

——–

fR1R1RF+u–u=+故有：第3章3

4uiuo同相跟隨器uo

=uiRFR若接入電阻R、RF，運算關(guān)系不變第3章3

43.差動比例運算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進(jìn)行分析ui1i2u"uo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′第3章3

4uO=

1+

u+RFR1″

=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3F1u

o31.

反相加法運算電路Pui1

ui3ui2

u

=–(

+

+

)

ui2

oui1

ui3

RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifＲＲＲＲＲ3.4.2

加法運算電路第3章3

42F211uo2.同相加法運算電路23ui1ui2ui3ＲＲＲＲＲ22ＲRFR1

uO

=

1+

R

+

+

R21R23ui3ui1R22ui2其中

R

=

R21R22

R23R

第3章3

41.差動比例運算電路uoRFR1R2R3

=

1+

ui2

uoRFR1R2

+

R3R3-

ui1RFR13.4.3

減法運算電路ui2ui1差動比例運算是減法運算電路的一種形式第3章3

4

11ui121

2.兩級反相輸入減法運算電路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第3章3

4F2uo=

—–

?

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2１ui1.反相積分運算電路CFuoＲＲ23.4.4積分和微分運算電路由虛斷和虛地ui1

=——iR1iC

=i1iCuC

duCdt

CF

—–iC

=

uO=–uC可得=

–

——–uoR1CF１uidt∫第3章3

4C2.同相積分運算電路uuoiCＲＲ=

–—

uoRC

1ui

dt∫第3章3

4uuOi

3.

反相微分運算電路C1

duidtuo=

–

RF

C1

–—uouiＲＲF由于微分和積分互為逆運算，將電容與電阻位置對調(diào)即可。輸出與輸入的關(guān)系式為若輸入為方波則輸出波形為第3章3

4CF應(yīng)用舉例：PID調(diào)節(jié)器21uouiC1ＲFＲＲ輸出與輸入的關(guān)系式為第3章3

4duiu

=

–

[(

+

)

+RFC1–—

+

——

ui

dt

]

ouiRFR1R1CFC1CFdt1∫應(yīng)用舉例：求解微分方程uouiN1N3N2dtduo–5uo

=10ui10k100k100k150k50k50k0.1F根據(jù)電路參數(shù)，所要求解的微分方程為：第3章3

41.對數(shù)運算電路Ｒ2Ｒ1uou

>0iT

uo

=

–

UT

ln

——uiR1IS3.4.5

對數(shù)和反對數(shù)運算電路uDiDi1利用三極管發(fā)射結(jié)的指數(shù)特性i1

=iD

=IS(e

-1)uDUT

ISeuDUTu——iR1=有代入–

uDu=O第3章3

42.反對數(shù)運算電路ＲＲFuoTuiuo

=

–RF

IS

eui

/UT由于反對數(shù)和對數(shù)互為逆運算，將三極管與電阻的位置對調(diào)即可。輸出與輸入的關(guān)系式為第3章3

43.乘法和除法運算電路結(jié)構(gòu)框圖lnln+ln-1lnx1lnx2lnx1+（lnx1·x2

）Kx1·x2乘法除法lnx2x1x2lnx2lnln–lnx1-1lnlnx1lnx2–（lnx1/x2

）Kx1x2x1x2第3章3

4uo4.乘法器的原理電路ui2ui1uO=-

ui1·ui2

/RISＲＲＲRＲＲＲＲＲＲT1T2T3利用對數(shù)、加法和反對數(shù)運算構(gòu)成乘法運算。第3章3

43.5

放大電路中的負(fù)反饋3.5.1反饋的基本概念正反饋xd

=

xi

+

xf負(fù)反饋xd=

xi

–

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xoAf

=—

=

——–xo

xiA

1+

AFAFxoxixdxf閉環(huán)放大倍數(shù)xi

—總輸入信號xd

—凈輸入信號xf

—反饋信號開環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)xo—輸出信號反饋：將放大器輸出信號的一部分或全部經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)送回輸入端。第3章3

51.電壓串聯(lián)負(fù)反饋FAuiudufuo3.5.2

負(fù)反饋的類型RLAFxoxixdxf在放大器輸出端，F(xiàn)與A相并聯(lián),

xf與uo成正比，為電壓反饋；信號x均以電壓

u

的形式出現(xiàn)在放大器輸入端,信號以電壓出現(xiàn),uf與ud相串聯(lián),為串聯(lián)反饋；ud=

ui

–uf

<

ui，為負(fù)反饋。凈輸入電壓第3章3

51.電壓串聯(lián)負(fù)反饋FA框圖例圖同相比例運算3.5.2

負(fù)反饋的類型RLuiudufuo第3章3

5R2uiu

oRLRFR1ＡＦuoidiiif2.電壓并聯(lián)負(fù)反饋RLAF在放大器輸入端,

信號以電流出現(xiàn),

if與id相并聯(lián),為并聯(lián)反饋；id=

ii–

if<

ii

，為負(fù)反饋。凈輸入電流xoxixdxf在放大器輸出端，F(xiàn)與A相并聯(lián),

xf與uo成正比,

為電壓反饋；第3章3

5AF2.電壓并聯(lián)負(fù)反饋框圖例圖反相比例運算RLuoidiiif第3章3

5uiuoRFRLR2R1AF3.電流串聯(lián)負(fù)反饋RLioAFud=

ui

–

uf

<

ui

，為負(fù)反饋。凈輸入電壓,在放大器輸入端,信號以電壓出現(xiàn),uf與ud相串聯(lián),為串聯(lián)反饋；在放大器輸出端，F(xiàn)與A相串聯(lián)，xf與io成正比，為電流反饋；xoxixdxfuiudufuo第3章3

5AF3.電流串聯(lián)負(fù)反饋框圖例圖電壓控制電流源RLuiudufuoio12RRRLuiuoiouduf第3章3

5AFiouoRLAF在放大器輸入端,

信號以電流出現(xiàn),

if與id相并聯(lián),為并聯(lián)反饋；

id=

ii–if<

ii

，為負(fù)反饋。凈輸入電流在放大器輸出端，F(xiàn)與A相串聯(lián),

xf與io成正比，為電流反饋；信號

x

均以電流

i

的形式出現(xiàn)4.電流并聯(lián)負(fù)反饋xoxixdxfidiiif第3章3

54.電流并聯(lián)負(fù)反饋iAFiouiiidfRL框圖例圖oRL++iouoR2R1RFRiiidif第3章3

51.正反饋和負(fù)反饋uiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1電壓并聯(lián)負(fù)反饋(級間)RF2電壓串聯(lián)負(fù)反饋(級間)RF3電壓并聯(lián)負(fù)反饋(本級)if3.5.3

反饋的判別例1第3章3

5uiuoN1N2uf++uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2利用瞬時極性法判斷反饋的正負(fù)反饋類型：串聯(lián)電壓負(fù)反饋電流RLuf

與uo成正比io例2：反饋類型的判別第3章3

5xf

與uo成正比是電壓反饋xf

與io成正比是電流反饋RLRFR1uduf2.電壓反饋和電流反饋uiuoR2第3章3

5ioufuiR1R2uduoRL3.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋(在輸入回路中判別)xi

與

xf串聯(lián)為串聯(lián)反饋

xf必以電壓形式出現(xiàn)xi

與

xf并聯(lián)為并聯(lián)反饋

xf必以電流形式出現(xiàn)xi

與

xf分別接在兩個輸入端為串聯(lián)反饋xi

與xf接在同一個輸入端為并聯(lián)反饋uiuoiiidifRLR1RFR2第3章3

5+VCCRB1RCC1C2RSTRLuO

uSRB2RE2+CERE1例3：分析分壓式偏置電路中反饋的類型。ui

++第3章3

5rbe

R'LRB1RB2

RE1

ib

ibufuOuiubeicuf

=

RE1iC

，與輸出電流成正比，是電流反饋。

ube=

ui

uf

，

是串聯(lián)比較，且三者同相，

uf削弱了ube。RE1引入了串聯(lián)電流負(fù)反饋分析第3章3

5例4：分析射極輸出器的反饋類型深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋+VCCRBC1C2RSTRLui

REuS++uo

uf

=uo

，輸出電壓全部反饋到輸入端。ube

=ui–

uf，

RE

引入了是串聯(lián)比較，且三者同相，uf

削弱了ube

，uf

第3章3

53.5.4負(fù)反饋對放大器性能的影響AFxoxixdxf無負(fù)反饋0.707AuAufffLfH有負(fù)反饋1.擴展放大器的通頻帶AuAufAu0.707AuffLffHfBWfBWBWf

1AF

BW加入負(fù)反饋使放大器的通頻帶展寬0第3章3

5Aufuouiuiuoud負(fù)反饋改善了波形失真2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性——

=

———11+

AFdAfAfdAA——

3.改善非線性失真FA加入負(fù)反饋無負(fù)反饋第3章3

54.改變輸入電阻5.改變輸出電阻串聯(lián)負(fù)反饋提高輸入電阻rif

>ri并聯(lián)負(fù)反饋降低輸入電阻rif

<ri電流負(fù)反饋提高輸出電阻rof

>ro電壓負(fù)反饋降低輸出電阻rof

<ro因為：電壓負(fù)反饋穩(wěn)定了輸出電壓。因為：電流負(fù)反饋穩(wěn)定了輸出電流。第3章3

5UxUoV+–1.同相輸入式直流電壓表原理電路UO=

(1+RFR1)

UxR1R2RF3.6集成運放在信號測量方面的應(yīng)用第3章3

62.反相輸入式直流電流表電路MA+IfIx=I=（1+R1R2）IxIfIxRR2MAIx+I1I2IR1R第3章3

6Ix3.整流橋接在反饋回路的交流電流表原理電路I=0.9IxR1R2ID1D2D3D4若被測電流Ix為正弦電流，經(jīng)過橋式整流，流過表頭的是全波整流電流I，微安表的示數(shù)為平均值，故有關(guān)系式微安表為線性刻度特點第3章3

6A4.測量放大器ui1uO

=

(1

+

)(ui2–ui1)RFR2R1RP第3章3

6RFuoRN1N2N3ui2R1R1RPABRRFuo2uo13.7

電壓比較器1.過零比較器R1R2uouiUOM-UOMuiuo-UOMUOM(1)

反相輸入過零比較器(2)

同相輸入過零比較器0uiuo0第3章3

7R1R2uouiR1R2例題：反相輸入過零比較器的應(yīng)用UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouOuiuiuo第3章3

7R1R2uOui(1)反相輸入過零限幅比較器2.過零限幅比較器DzUZ第3章3

7UZ-UZ0uOui-UZUZ(2)同相輸入過零限幅比較器R1R2R3Dz0uiuouiuo第3章3

7UZ-UZ3.

同相輸入任意電平比較器R1R2R3URDzUR0uiuouOui第3章3

7UZ設(shè)UR>0UZUZ–UZ–

—URR1R2R2R3R1URDzUZ4.反相求和型電壓比較器0uiuouOui第3章3

7UZR2R3R1URtt-UZ–

—URR1R2UZ-UZUT

設(shè)UR<

0，UT>

0DzUZUT=–

—URR1R2門限電平：例題000uiuouiuouOui第3章3

7R1R2R3RFUZ-UZUT2UT1Dz

5.反相輸入過零滯回比較器0uiuouOui第3章3

7UZR1R2uOuiR3RFUZ-UZUT2UT1過零滯回比較器tUT1UT20tUZ-UZDzUZ00uiuououi第3章3

7例題R1R2uOuiR3RFURuiuoUZ-UZ0UT2UT1U'RUZDzU'R

=———URR2

+RFRF

6.反相輸入滯回電壓比較器第3章3

7電壓比較器的分析方法1.

輸出電壓躍變的條件u–u

=+由此可求出電壓比較器的門限電壓UT對過零比較器門限電壓UT

=

02.

電壓傳輸特性u–u

>+uo>0；時，u–u

<+uo<0。時，輸出端不接

DZ時，

uo

=

UOM輸出端接

DZ限幅時，

uo

=

UZ第3章3

73.8集成運放在信號產(chǎn)生方面的應(yīng)用R1R2uOui

R3RFUZRDZ滯回電壓比較器3.8.1方波發(fā)生器1.電路的組成方波發(fā)生器C第3章3

8RuOR2uoUZR3UZR1DzCuCFUZ-UZ-FUZt2.

方波發(fā)生器的工作原理T1T2ucuo=

–UZu+=

–FUZ設(shè)uo=UZu+=

FUZ，C充電；，C放電；當(dāng)uC

=

FUZ0第3章3

8RuOR2uOUZR30UZR1DZCuCFUZ-UZ-FUZtuC3.方波發(fā)生器的主要參數(shù)周期

T=2RCln(1+2R2R1)幅度

Uom=UZT第3章3

8RuOR2UZR3R1DZCuCuo0UZFUZ-UZ-FUZtuo0UZFUZ-UZ-FUZt4.矩形波發(fā)生器D1RRPD2第3章3

8R4R1

R3R2UZDZ3.8.2

三角波發(fā)生器1.三角波發(fā)生器的組成N1

uiuO1CuOR5N2R三角波發(fā)生器由組成N1—滯后電壓比較器N2—反相積分電路第3章3

82.三角波發(fā)生器的工作原理R4R1uO

R3R2UZDZR5RCN1N2uO1tt0UZ-UZuO1uOTTT2T23.三角波發(fā)生器的主要參數(shù)三角波幅值Uom=

UZ

R1

R2R1

R2UZ三角波周期T

=4RCR1

R20第3章3

8R1

R2UZ-R4R1uO

R3R2UZDZ3.8.3鋸齒波發(fā)生器1.電路的組成和工作原理R5CN1N2R'D1RD2uO1RD2RD2R'D1R'D1充電放電當(dāng)積分電容的充電和放電時間常數(shù)不同時，三角波發(fā)生器就變?yōu)殇忼X波發(fā)生器。第3章3

8R4R