運(yùn)放原理及典型芯片電路課件

運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

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。集成電路分類按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬各類型號(hào)集成芯片運(yùn)算放大器的特點(diǎn)1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)稱性好；

2.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；

3.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；

4.二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。一、電路的基本組成輸入級(jí)

中間級(jí)

輸出級(jí)偏置電路運(yùn)算放大器方框圖

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分放大器

。

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。

偏置電路:

由鏡像恒流源等電路組成

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。集成運(yùn)放741的電路原理圖同相輸入輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相輸入輸出二、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IIB1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2.開環(huán)輸入電阻3.開環(huán)輸出電阻4.共模抑制比

由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。三、理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)

在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：2.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o

=Auo(u+–

u–

)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)O3.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)四、運(yùn)算放大器的應(yīng)用在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用：對(duì)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。在信號(hào)處理方面的應(yīng)用:對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、比較等處理。在信號(hào)發(fā)生方面的應(yīng)用：用于產(chǎn)生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等波形例: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)因虛短，所以

u–=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//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–3）加法運(yùn)算電路a.反相加法運(yùn)算電路

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–)(2i2iF1i1iFouRRuRRu+-=4)減法運(yùn)算電路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF常用做測(cè)量放大電路5)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

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。ifi1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。uoCFuiR2R1++––++–RFuoC1uiR2RF++––++–R1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?！狿D調(diào)節(jié)器ifiRiC2.

運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用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。

按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。a.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––

幅頻特性0|Auf0||T(j)|Ob.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1+–+–

幅頻特性0|Auf0||T(j)|OSuC+–ui+–uo+–++–模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)a.電路2).采樣保持電路

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b.工作原理a.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應(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+–++–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)O飽和區(qū)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–UZ電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––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(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R2－－uoui++–R1+–+–oF

2

2uRRRu+=+)(o(sat)F22URRRUu

++=￠=++)(o(sat)F

2

2

URRRUu-+=￠￠=++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RFuoui++–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)稱于縱軸，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當(dāng)參考電壓UR不等于零時(shí)定義：回差電壓與過零比較器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.改善了輸出波形在躍變時(shí)的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，U越大，抗干擾能力越強(qiáng)。結(jié)論：1.調(diào)節(jié)RF

或R2

可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門限電壓，但不影響回差電壓U。

電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測(cè)、自動(dòng)控制、超限控制報(bào)警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用。解：對(duì)圖（1）

上門限電壓

下門限電壓例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）解：對(duì)圖（2）

例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）（2）+UR–RFR2uoui++–R1+–+–RFR2uoui++–R1+–+–（1）+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226

圖(1)的電壓傳輸特性圖(2)的電壓傳輸特性u(píng)ouiO-661.335.33RFR2uoui++–R1+–+–

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。

溫度未超過規(guī)定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不動(dòng)作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo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)解:運(yùn)放為同相輸入過零電壓比較器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各電壓波形如右圖所示。R1R2uiuo+–+CDRLR3.

運(yùn)放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用：產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點(diǎn)：不用外接輸入信號(hào)，即有輸出信號(hào)。1).RC橋式正弦波振蕩電路RC選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路

用正反饋信號(hào)uf作為輸入信號(hào)

選出單一頻率的信號(hào)(1)電路結(jié)構(gòu)uf–+R++∞RFR1CRC–uO–+同相比例電路選頻網(wǎng)絡(luò)(3)工作原理

輸出電壓

uO

經(jīng)正反饋(兼選頻)網(wǎng)絡(luò)分壓后，取uf

作為同相比例電路的輸入信號(hào)ui

。1)起振過程2)穩(wěn)定振蕩

A

=

0，僅在f

0處F

=

0,滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率f

0=12RC。改變R、C可改變振蕩頻率

由運(yùn)算放大器構(gòu)成的RC振蕩電路的振蕩頻率一般不超過1MHz。3)振蕩頻率

振蕩頻率由相位平衡條件決定。振蕩頻率的調(diào)整++∞RFRCC–uO–+KKR1R2R3R3R2R1

改變開關(guān)K的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率4)起振及穩(wěn)定振蕩的條件穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因?yàn)閨F|=1/3，則

考慮到起振條件AuF

>1,一般應(yīng)選取RF略大2R1。如果這個(gè)比值取得過大，會(huì)引起振蕩波形嚴(yán)重失真。

由運(yùn)放構(gòu)成的RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路不是靠運(yùn)放內(nèi)部的晶體管進(jìn)入非線性區(qū)穩(wěn)幅，而是通過在外部引入負(fù)反饋來達(dá)到穩(wěn)幅的目的。帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(1)

熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。

在起振時(shí)，由于uO

很小，流過RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強(qiáng)，uO增大，流過RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時(shí)，穩(wěn)定于AuF=1，

振蕩穩(wěn)定。半導(dǎo)體熱敏電阻R++∞RFR1CRC–uO–+IDUD帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(2)振蕩幅度較小時(shí)正向電阻大振蕩幅度較大時(shí)正向電阻小

利用二極管的正向伏安特性的非線性自動(dòng)穩(wěn)幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–穩(wěn)幅環(huán)節(jié)2）矩形波發(fā)生器矩形波產(chǎn)生電路

uc+–UR+–1.電路結(jié)構(gòu)

由滯回比較器、RC充放電電路組成。

電容電壓uc

即是比較器的輸入電壓，2.工作原理設(shè)電源接通時(shí)，

uo

=+UZ，uc(0)=0。

電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。uo

通過RF對(duì)電容C充電，uc

按指數(shù)規(guī)律增長。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1動(dòng)畫當(dāng)uo

=+UZ時(shí)，電容充電，uc上升，電容放電，

uc下降，當(dāng)uc=UR

時(shí)，uo

跳變成–UZ當(dāng)uc=–UR

時(shí)，uo

跳變成

+UZ，電容又重新充電。2.工作原理放電uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充電

Z2

1

2RURRRU+-=-3.工作波形T2T=T1+T2電容充放電過程，uc的響應(yīng)規(guī)律為4.周期與頻率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的頻率充放電時(shí)間常數(shù)相同：=RC

矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號(hào)源在充電過程中在放電過程中4.

運(yùn)放在信號(hào)測(cè)量方面的應(yīng)用

在自動(dòng)控制和非電測(cè)量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應(yīng)變、壓力和流量等)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流)，而后輸入系統(tǒng)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號(hào)的變化量常常很小(一般只有幾毫伏到幾十毫伏)，所以要將電信號(hào)加以放大。測(cè)量放大電路的作用是將測(cè)量電路或傳感器送來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，再送到后面電路去處理。一般對(duì)測(cè)量放大電路的要求是輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力。測(cè)量放大器的原理電路ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A