集成運算放大器資料講解

第16章集成(jíchénɡ)運算放大器§16.1集成運算放大器的簡單(jiǎndān)介紹§16.2運算(yùnsuàn)放大器在信號運算(yùnsuàn)方面的應用§16.3運算放大器在信號處理方面的應用§16.4運算放大器在波形產生方面的應用目錄第一頁，共72頁。集成運算放大器：是一種高放大倍數、高輸入電阻(diànzǔ)、低輸出電阻(diànzǔ)的直接耦合放大電路電路方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路

輸出級主要提高帶負載能力(nénglì)，給出足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小。中間級應有(yīnɡyǒu)足夠大的電壓放大倍數盡量減小零點漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大§16.1集成運算放大器的簡單介紹第二頁，共72頁。電路方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路輸出級主要提高帶負載能力(nénglì)，給出足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小。中間級應有足夠大的電壓放大(fàngdà)倍數第三頁，共72頁。電路方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路

輸出級主要(zhǔyào)提高帶負載能力，給出足夠的輸出電流io，輸出阻抗ro小。第四頁，共72頁。F007（5G24）外引線(yǐnxiàn)圖反相輸入端同相輸入端輸出端接線圖頂視圖第五頁，共72頁。ri高:幾十k

幾百k運放的特點：理想運放：

ri

KCMRR很大KCMMRR

ro?。簬资畘幾百ro

0Ao很大:104以上~107Ao

運放的特點(tèdiǎn)和符號運放符號：－＋＋u－u+uoA0－＋＋u－u+uoA0－＋＋u－u+uo第六頁，共72頁。運算(yùnsuàn)放大器的傳輸特性+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)很窄,所以運放在線性區(qū)工作(gōngzuò),通常引入深度電壓負反饋第七頁，共72頁?！?6.2運算放大器在信號運算方面(fāngmiàn)的應用(1)反相比例(bǐlì)運算放大器_++RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虛地點(dìdiǎn)i1=iF+

ib-=iF,ib-=0

ib+=0u+

=0

u－=u+=0平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):RP=R1//RFF電壓放大倍數:iF動畫第八頁，共72頁。_++RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例題(lìtí)1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP應為多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k第九頁，共72頁。反相比例(bǐlì)運算放大器輸入電阻及反饋方式：ri=R1輸入電阻(小):uo_++RFR1RPuii1iFib-ib+反饋(fǎnkuì)電阻反饋式：電壓并聯負反饋i1=iF+

ib-ib-=i1-iF動畫第十頁，共72頁。(2)同相比例(bǐlì)運算放大器u-=u+=uiib+=0ib-=0_++RFR1RPuiuoiFi1Au=1+RFR1iF=i1RP=R1//RFF1F1)動畫第十一頁，共72頁。_++RFR1RPuiuoiFi1例題(lìtí)2.Rf=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP應為多大？uo=Auui=(3)(-1)=-3VRP=R1//RF=10//20=6.7kAu=1+=1+20/10=3RFR1第十二頁，共72頁。電壓(diànyā)串聯負反饋同相比例運算(yùnsuàn)放大器輸入電阻及反饋方式：_++RFR1RPuiuo輸入電阻(高)輸入電壓:u+-u-=ui-uo

R1R1+RF第十三頁，共72頁。_++RFRfRPuiuoAu=1+RFRf當RF=0時,Au=1uo=ui(3)電壓(diànyā)跟隨器此電路是電壓并聯負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨(ɡēnsuí)性能好。第十四頁，共72頁。(4)差動放大器_++R2R1R1ui2uoR2ui1ib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=動畫第十五頁，共72頁。以上電路(diànlù)的比較歸納：1.它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較(bǐjiào)小。2.關于輸入電阻反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.以上放大器均可級聯,級聯時放大倍數分別獨立計算。第十六頁，共72頁。例題(lìtí)3.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uouo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V第十七頁，共72頁。例題(lìtí)3.若ui1=sintV，ui2=1V，求:uouo1=ui1=sintVuo2=ui2(1+R2/R1)=3Vuo=(uo2-uo1)=(20/10)(3-sint

)=6-2sintVR2R1第十八頁，共72頁。(5)反相求和(qiúhé)算：_++RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虛地uo=-(ui1

R1RF+ui2

R2RF)若R1=R2=R,

uo=-(ui1

R

RF+ui2

)取RP=R1//R2//RFuo_++RFR1RPuiib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1

R1=ui2

R2+-uo

RF動畫第十九頁，共72頁。(6)同相求和(qiúhé)運算：Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFR11+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf當R1=R2時,uo=()(ui1+ui2)RFR11+12R1RF++u

i1uoR1R2ui2-u+_++RFR1RPuiuo第二十頁，共72頁。(7)微分(wēifēn)運算：u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFCib-=0第二十一頁，共72頁。tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°第二十二頁，共72頁。(8)反相積分(jīfēn)運算i1iFu

i-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0第二十三頁，共72頁。反相(fǎnxiānɡ)積分器：如果ui=直流電壓U,輸出將反相(fǎnxiānɡ)積分，經過一定的時間后輸出飽和。tui0Utuo0-UomTM積分(jīfēn)時限=–tURC設Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒第二十四頁，共72頁。反相積分器：如果(rúguǒ)ui=-U=-3V，畫出uo的波形圖。tui0tuo0+Uom-Uò-=t0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒設Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F第二十五頁，共72頁。應用舉例：輸入方波，輸出(shūchū)是三角波。tui0tuo0第二十六頁，共72頁。運算(yùnsuàn)電路要求1.熟記前8種基本(jīběn)運算電路的電路圖及放大倍數公式。2.以上基本(jīběn)運算電路級聯后輸出的計算。3.會用ib-=0,ib+=0,u+=u-分析給定運算電路的放大倍數。第二十七頁，共72頁?！?6.3運算放大器在信號處理方面(fāngmiàn)的應用濾波電路(diànlù)的種類:按信號性質:模擬濾波器和數字濾波器按電路功能:低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按所用元件:無源濾波器和有源濾波器16.3.1、概述(ɡàishù)按階數:一階,二階…高階第二十八頁，共72頁。傳遞函數：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數、幅頻特性第二十九頁，共72頁。濾波器分類(fēnlèi)(按頻率特性進行分類(fēnlèi))：低通高通帶通帶阻第三十頁，共72頁。RCR一階RC低通濾波器(無源(wúyuán))CC傳遞函數幅頻特性第三十一頁，共72頁。010.7070截止頻率此電路的缺點：1、帶負載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線(qūxiàn)RCR第三十二頁，共72頁。通頻帶寬(dàikuān)度(帶寬(dàikuān))010.7070截止頻率帶寬(dàikuān):0-0設R=10k,C為下列(xiàliè)各值時的帶寬:Cfo1F16Hz0.047F340Hz0.01F1600Hz第三十三頁，共72頁。16.3.2有源濾波器RR1RFC+-+1.一階有源低通濾波器傳遞函數RCRC傳遞函數中出現(chūxiàn)的一次項,故稱為一階濾波器第三十四頁，共72頁。幅頻特性：相頻特性：RR1RFC+-+幅頻特性及幅頻特性曲線(qūxiàn)01+RF/R10.707(1+RF/R1)0傳遞函數RC第三十五頁，共72頁。1、時：有放大作用3、運放輸出，帶負載能力強。2、時：幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路(diànlù)特點:第三十六頁，共72頁。2.一階有源高通濾波器R–1RCRR1RFC+-+低通RR1RFC+-+高通傳遞函數–1RC第三十七頁，共72頁。幅頻特性及幅頻特性曲線(qūxiàn)傳遞函數1RC–幅頻特性：0

01+RF/R10.707(1+RF/R1)0RR1RFC+-+第三十八頁，共72頁。3.二階有源低通濾波器RR1RFC+-+CRP，AF=1+RF/R1傳遞函數中出現(chūxiàn)的二次項,故稱為二階濾波器，第三十九頁，共72頁。03dB幅頻特性曲線(qūxiàn)第四十頁，共72頁。R1=時：AF=1時：RC+-+CR第四十一頁，共72頁。一階低通和二階低通幅頻特性曲線(qūxiàn)的區(qū)別0-3dbAF理想低通一階低通二階低通階數越高，幅頻特性曲線越接近(jiējìn)理想濾波器第四十二頁，共72頁。16.4.3電壓(diànyā)比較器16.4.4遲滯(chízhì)比較器16.4.1信號(xìnhào)發(fā)生器16.4.2方波發(fā)生器§16.4運放在波形產生方面的應用

第四十三頁，共72頁?！?6.5運算放大器在波形(bōxínɡ)產生方面的應用即非線性應用，是指：由運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關系(guānxì)uo=f(ui)是非線性函數。第四十四頁，共72頁。16.4.1限幅器tuiu0tUZ+UF-(UZ+UF)-+AuoR1RFuiDZR+1.雙向穩(wěn)壓管接于輸出(shūchū)端R限流電阻(diànzǔ)一般取100特點：電路中的運放處于(chǔyú)線性放大狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、穩(wěn)壓二極管）。DZ雙向穩(wěn)壓管UZ穩(wěn)壓值,UF正向壓降第四十五頁，共72頁。uoui0傳輸(chuánshū)特性DZ-+AuoR1RFui+2.雙向穩(wěn)壓管接于負反饋回路上(lùshɑng)+UOM-UOM第四十六頁，共72頁。16.4.2電壓(diànyā)比較器++uouiURuoui0+Uom-UomURUR為參考(cānkǎo)電壓當ui>UR時,uo=+Uom當ui<UR時,uo=-Uom

特點(tèdiǎn):運放處于開環(huán)狀態(tài)第四十七頁，共72頁。++uouiURuoui0+Uom-UomUR當ui<UR時,uo=+Uom當ui>UR時,uo=-Uom

若ui從反相端輸入(shūrù)電壓(diànyā)比較器(續(xù))第四十八頁，共72頁。uoui0+UOM-UOM++uoui過零比較(bǐjiào)器:當UR=0時++uouiuoui0+UOM-UOM電壓(diànyā)比較器(續(xù))第四十九頁，共72頁。++uouituituo+Uom-Uom例題(lìtí)：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā５谖迨?，?2頁。++uiuoui0+UZ-UZ用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出(shūchū)電壓uoUZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略(hūlüè)了UF第五十一頁，共72頁。電壓比較(bǐjiào)器的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負反饋回路上++uiuoUZR′R_uoui0+UZ-UZR′=R第五十二頁，共72頁。16.4.3遲滯(chízhì)比較器1.遲滯(chízhì)比較器(下行)特點:電路中使用正反饋,運放(yùnfànɡ)處于非線性狀態(tài)1、因為有正反饋，所以輸出飽和。2、當uo正飽和時(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、當uo負飽和時(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=－++uoRR2R1uiU+第五十三頁，共72頁。－++uoRR2R1uiU+遲滯比較(bǐjiào)器(下行)(續(xù))uoui0+Uom-UomU+HU+L設ui,當ui=<U+L,

uo從-UOM+UOM這時,uo=-UOM,U+=U+L設初始值:

uo=+UOM,U+=U+H設ui,當ui=>U+H,

uo從+UOM-UOM第五十四頁，共72頁。傳輸(chuánshū)特性uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上門限電壓(diànyā)U+L下門限電壓(diànyā)U+H-U+L稱為回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+第五十五頁，共72頁。tuiU+HU+LtuoUom-Uom例:設輸入為正弦波,畫出輸出(shūchū)的波形。－++uoRR2R1uiU+第五十六頁，共72頁。加上參考(cānkǎo)電壓后的遲滯比較器(下行)：－++uoRR2R1uiUR上下限(xiàxiàn)：uoui0U+HU+L傳輸特性+UOM-UOM第五十七頁，共72頁。例題：R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V當輸入(shūrù)ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。uoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiUR傳輸特性上下限(xiàxiàn)：=10V=2V第五十八頁，共72頁。2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L傳輸特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR第五十九頁，共72頁。－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L遲滯(chízhì)比較器(下行)兩種電路傳輸特性的比較:第六十頁，共72頁。2.遲滯比較(bǐjiào)器(上行)u+=0時翻轉，可以求出上下門限(ménxiàn)電壓。0URRRuRRRom211i212=+++－++uoRR2R1ui當u+>u-=0

時,uo=+UOM當u+<u-=0時,uo=-UOM0URRRRRRom211212=+-+ui當uo=-UOM當uo=+UOMui=ui=第六十一頁，共72頁。U+HU+Luoui0Uom-Uom傳輸特性(tèxìng)曲線－++uoRR2R1ui遲滯(chízhì)比較器(上行)(續(xù))上下門限電壓第六十二頁，共72頁。加上參考電壓后的遲滯比較(bǐjiào)器(上行)：－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓URURRRuRRRom211i212=+++當uo=+UOM當uo=-UOMURRRRRRom211212=+-+uiURUR

R2RR21++UR

R2RR21++第六十三頁，共72頁。加上參考電壓后的遲滯比較器(上行)傳輸(chuánshū)特性：－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1ui對照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom第六十四頁，共72頁。1.電路(diànlù)結構16.4.4方波發(fā)生器下行的遲滯比較器，輸出(shūchū)經積分電路再輸入到此比較器的輸入端。上下限:－++RR1R2Cucuo第六十五頁，共72頁。2.工作(gōngzuò)原理：(1)設uo

=

+UOM,此時，輸出(shūchū)給C充電,uc則：u+=U+H－++RR1R2C+ucuo0tuoUOM-UOMucU+H0t一旦(yīdàn)uc>U+H,就有u->u+,在uc<U+H