chapter16 集成運(yùn)算放大器

第16章集成運(yùn)算放大器16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用*16.4

運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用16.5

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:幾十~幾百KCMR高:70dB~130dB集成運(yùn)放的符號(hào)：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–+UCC–UEEuou–u+16.1.2電路的簡(jiǎn)單說明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端

輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放

。

中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。16.1.3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(yùn)放沒有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

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

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)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IIB16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo

，rid，ro0，KCMR2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性u(píng)o++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)O3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o

=Auo(u+–

u–

),Auo

所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”(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(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)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?yàn)閞id4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(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(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用

集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。

運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。16.2.1比例運(yùn)算1.

反相比例運(yùn)算（1）電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF動(dòng)畫

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u(píng)+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–

結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。

當(dāng)R1=或RF

=0時(shí)，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–

由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–

左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：16.2.2加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

動(dòng)畫2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–動(dòng)畫方法2：

平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–16.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。常用做測(cè)量放大電路動(dòng)畫分析方法2：利用疊加原理減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––16.2.4積分運(yùn)算電路

由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–

當(dāng)電容CF的初始電壓為uC(t0)時(shí)，則有動(dòng)畫若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運(yùn)算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–Ui

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。16.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui動(dòng)畫比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分

控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC16.3

運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.3.1有源濾波器

濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號(hào)，而抑制無用的信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過，衰減很大。

無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。

有源濾波器：含有運(yùn)算放大器的濾波器。

缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、頻率特性好。

按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––設(shè)輸入為正弦波信號(hào),則有故：若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為

幅頻特性0|Auf0||T(j)|O

當(dāng)

>0時(shí)，|T(j)|

衰減很快

顯然，電路能使低于0的信號(hào)順利通過，衰減很小，而使高于0的信號(hào)不易通過，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。

為了改善濾波效果，使>

0時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一階二階

幅頻特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1+–+–設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有故：

可見，電路使頻率大于0

的信號(hào)通過，而小于0

的信號(hào)被阻止，稱為有源高通濾波器。若頻率為變量，則電路的傳遞函數(shù)其模為

幅頻特性0|Auf0||T(j)|O模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)1.電路16.3.2采樣保持電路SuC+–ui+–uo+–++–

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。

用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。采樣存儲(chǔ)電容控制信號(hào)電壓跟隨器2.工作原理16.3.2采樣保持電路1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，S斷開(場(chǎng)效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–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(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(hào)的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

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

(sat)

或–Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，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u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)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(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時(shí)，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo=–

Uo

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

(sat)–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，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(hào)接在反相端輸入信號(hào)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(hào)接在反相端輸入信號(hào)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(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O

在輸出端與地之間接一個(gè)雙向穩(wěn)壓管，即可把輸出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的電平匹配。電壓傳輸特性UO(sat)–UO(sat)UZ–UZuoRR1R2+–+DZui+–+–uoO限幅電壓比較器設(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=0，uo

=

–

UZ

ui>UR=0，uo=UZ[例1]圖中所示為運(yùn)放組成的過溫保護(hù)電路，R是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過規(guī)定值，KA動(dòng)作，自動(dòng)切斷電源。分析其工作原理。溫度超過規(guī)定值，ui

>UR，uo=+UOM，T導(dǎo)通。KA動(dòng)作，切斷電源。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo溫度未超過規(guī)定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不動(dòng)作。電壓傳輸特性u(píng)oOUO(sat)–UO(sat)

[例

2]

電路如圖所示，ui是一正弦電壓，畫出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)R1R2uiuo+–+CDRLR

[解]

運(yùn)放為同相輸入過零比較器uoOtOtOtUO(sat)UO(sat)2.滯回比較器上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當(dāng)uo=+Uo(sat)，則當(dāng)uo

=–Uo(sat)，則門限電壓受輸出電壓的控制R2uoui++–R1+–+–－－上門限電壓U'+

：ui逐漸增加時(shí)的門限電壓下門限電壓U"+：ui

逐漸減小時(shí)的門限電壓uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性u(píng)itOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++–R1+–+–根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動(dòng)?？梢姡簜鬏斕匦圆辉賹?duì)稱