運算放大器用

第16章集成運算放大器1.了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法（虛短，虛斷）。3.掌握用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。第16章集成運算放大器1.了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法（虛短，虛斷）。3.掌握用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器的工作原理。4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。16.1集成運算放大器概述（1）采用四級以上的多級放大器，輸入級一般采用差動放大器。輸入電阻高、靜態(tài)電流下、抑制零點漂移和共模干擾信號的能力強；輸入級常采用復(fù)合三極管或場效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸入電阻。（2）中間級主要進行電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)高，一般由共射級電路構(gòu)成，放大管常采用復(fù)合管，以提高電流放大倍數(shù)。（3）輸出級采用互補功率放大電路或射極輸出器，要求輸出電阻小、帶負載能力強、輸出足夠大的電壓和電流（大的功率）。（4）偏置電路、為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)關(guān)注點。IC=IC1+IC2

=1IB+2(1+1)IB

=[1+2(1+1)]IBR2T3R1R3-UEE+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4為減小IB,提高輸入電阻,T1、T2采用復(fù)合三極管=IC/IB

=1+2(1+1)12ICIBIE12IC1IC2IB2IE2T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）第1級：差動放大器第2級：差動放大器第3級：單管放大器第4級：互補對稱射極跟隨器極性判斷放大電路性能指標+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiERSes+–ui+–riii放大電路RLe0+–uo+–roio＋－u－u+uo集成運算放大器符號－＋＋反相輸入端u－同相輸入端u+輸出端uo國際符號：國內(nèi)符號：(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)(開環(huán)增益)大

Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=104-107倍;

80dB~140dB(2)共模抑制比高

KCMRR=100db以上;(3)輸入電阻大

ri>1M,有的可達100M以上;(4)輸出電阻小ro=幾-幾十集成運算放大器的技術(shù)指標主要參數(shù)1.最大輸出電壓UOPP

能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。2.開環(huán)差模電壓增益Auo

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM

運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好3.輸入失調(diào)電壓UIO4.輸入失調(diào)電流IIO5.輸入偏置電流IIB電壓傳輸特性

uo=f(u+–u–)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+-u–>u'

時，uo=+Uo(sat)

u+-u–

<u''

時，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)飽和區(qū)O運算放大器的傳輸特性uo++u+u–+UCC–UEE–2.理想運算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRRuo++u+u–+UCC–UEE–i+i–+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性飽和區(qū)Ouo

=Auo(u+–

u–

)Auo(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”3.理想運放工作在線性區(qū)的特點(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O因為rid(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)4.理想運放工作在飽和區(qū)的特點開環(huán)與閉環(huán)uo++u+u––輸入輸出uo++u+u––輸入輸出反饋電路輸入輸出之間沒有反饋電路開環(huán)電壓放大倍數(shù)：Auo

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：Auf開環(huán)：閉環(huán)：在運放的線性應(yīng)用中，運放的輸出與輸入之間加負反饋，使運放工作于線性狀態(tài)。運放線性運用運放線性運用信號的放大、運算恒壓源、恒流源電路有源濾波電路URuouiR2++–R1+–++––uoRFuiR2R1++––++–16.2運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用_++RFR1R2uiuoi1iFib-ib+虛地點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):R2=R1//RF電壓放大倍數(shù):i(1)反相比例運算放大器_++RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例題1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP應(yīng)為多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k反相比例運算放大器輸入電阻及反饋方式：ri=R1輸入電阻(小):uo_++RFR1RPuii1iFib-ib+反饋電阻反饋方式：并聯(lián)電壓負反饋i1=iF+

ib-ib-=i1-iFu-=u+=uiib+=0ib-=0_++RFR1R2uiuoiFifAuf=1+RFR1iF=ifR2=R1//RFF1F1)(2)同相比例運算放大器_++RFRfRPuiuoiFif例題2.Rf=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP應(yīng)為多大？uo=Aufui=(3)(-1)=-3VRP=Rf//RF=10//20=6.7kAuf=1+=1+20/10=3RFRf串聯(lián)電壓負反饋同相比例運算放大器輸入電阻及反饋方式：_++RFRfRPuiuo輸入電阻(高)反饋方式?輸入電壓:u+-u-=ui-uo

RfRf+RF_++RFRfRPuiuoAuf=1+RFRf當(dāng)RF=0或Rf→∞時,Auf=1uo=ui此電路在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。電壓跟隨器以上電路的比較歸納：1.它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較小。2.關(guān)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(lián),級聯(lián)時放大倍數(shù)分別獨立計算。例題3.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V例題3.若ui1=sintV，ui2=1V，求:uo

uo1=ui1=sintVuo2=ui2(1+R2/R1)=3Vuo=(uo2-uo1)=(20/10)(3-sint

)=6-2sint

(V)R2R1_++RFR11R12ui2uoRPui1i1i2iF虛地uo=-(ui1

R1RF+ui2

R2RF)若R1=R2=R,

uo=-(ui1

R

RF+ui2

)取RP=R11//R22//RFuo_++RFR1RPuiib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1

R1=ui2

R2+-uo

RF(3)加法運算反相求和運算Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFRf1+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf當(dāng)R1=R2

時,uo=()(ui1+ui2)RFRf1+12RfRF++u

i1uoR1R2ui2-u+_++RFRfRPuiuo同相求和運算_++R2R1R1ui2uoR2ui1ib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=(4)減法運算u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFCib-=0(5)微分運算tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°i1iFu

i-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0(6)積分運算反相積分器：如果ui=直流電壓U,輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0Utuo0-UomTM積分時限=–tURC設(shè)Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒反相積分器：如果ui=-U=-3V，畫出uo的波形圖。tui0tuo0+Uom-Uò-=t0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒設(shè)Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0運算電路要求1.熟記基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2.以上基本運算電路級聯(lián)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(shù)。16.3.3

電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。理想運放工作在飽和區(qū)的特點：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–

Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

過零電壓