第四章集成運(yùn)算放大器

第四章集成運(yùn)算放大電路本章主要內(nèi)容：3．集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理及信號(hào)產(chǎn)生方面的應(yīng)用。1．集成運(yùn)放的組成及主要參數(shù)；2．理想集成運(yùn)放兩種工作方式的主要特點(diǎn)和分析方法；1.理想運(yùn)放“虛短”、“虛斷”的含義；2.集成運(yùn)放兩種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和分析方法；3.各種信號(hào)發(fā)生電路、比較電路的原理。本章重點(diǎn)：一、集成運(yùn)算放大器電路簡(jiǎn)介集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放）是一種多級(jí)放大電路，性能理想的運(yùn)放實(shí)際上是一種具有高開環(huán)放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻、工作點(diǎn)漂移小并具有深度負(fù)反饋的多級(jí)直接耦合放大器。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)：級(jí)間采用直接耦合方式利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)改善電路性能集成運(yùn)算放大器內(nèi)部組成框圖。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述采用差分放大電路構(gòu)成，第一級(jí)放大采用共射極放大電路，提供足夠大的電壓放大倍數(shù)采用共集電極放大電路或功放中的互補(bǔ)對(duì)稱電路。提供足夠大的輸出功率滿足負(fù)載需要，提供穩(wěn)定合適的偏置電流。1．輸入級(jí)采用差分放大電路構(gòu)成。具有對(duì)稱性好、輸入電阻高、可以有效減小零點(diǎn)漂移、抑制干擾信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，因此可以有效放大有用信號(hào)。2．中間級(jí)為整個(gè)電路提供足夠大的電壓放大倍數(shù)。一般采用共射級(jí)放大電路，集電極電阻用晶體管恒流源代替，恒流源的動(dòng)態(tài)電阻很大，可以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。3．輸出級(jí)輸出級(jí)與負(fù)載連接，主要作用是提供足夠的輸出功率（即足夠大的電流和電壓）以滿足負(fù)載的需要。要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。一般由射級(jí)輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱電路構(gòu)成。4．偏置電路為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的和合適的偏置電流。偏置電路是由各種恒流源電路組成。還有過載保護(hù)電路，可以防止輸出電流過大時(shí)將運(yùn)放燒壞。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述◆

輸入方式:

①反相輸入

②同相輸入（共模輸入）

③差分輸入（混合輸入）反相輸入端同相輸入端輸出端uou－u+－ud+Ao－++集成運(yùn)放的國(guó)標(biāo)圖形符號(hào)100dB2387546u－u+uo+UCC－UEEF007的外部接線和管腳圖國(guó)際流行符號(hào)國(guó)標(biāo)符號(hào)具有電源引腳的集成運(yùn)放國(guó)際流行符號(hào)

運(yùn)算放大器外形圖二、集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

三個(gè)概念1.反饋—將電路的輸出量(電壓或電流)的一部分或全部，以一定的方式通過某種電路（反饋）回送到輸入端或輸入回路，去影響輸入量（電流或電壓），以改善放大電路的某些性能。輸入輸出

放大電路

反饋網(wǎng)絡(luò)若反饋信號(hào)增強(qiáng)凈輸入信號(hào)－輸出信號(hào)得到提高－正反饋；若反饋信號(hào)削弱凈輸入信號(hào)－輸出信號(hào)得到削弱－負(fù)反饋；

閉環(huán)－放大電路的輸入回路與輸出回路之間有聯(lián)系，即有反饋時(shí)；開環(huán)－放大電路的輸入回路與輸出回路之間無(wú)聯(lián)系，即無(wú)反饋時(shí)。1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)（開環(huán)電壓增益）Auo——在輸出端開路，無(wú)外接反饋電路時(shí)，兩個(gè)輸入端加電壓輸入信號(hào)，此時(shí)測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，簡(jiǎn)稱開環(huán)電壓放大倍數(shù)，一般用分貝表示。Auo越高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。理想情況下，Auo＝∞u－u+Ao－++2.開環(huán)差模輸入電阻rid

——集成運(yùn)放加入差模信號(hào)時(shí)的開環(huán)等效輸入電阻。表征了輸入級(jí)從信號(hào)源取用電流的大小，其值越大越好。3.開環(huán)輸出電阻ro

——沒有外接反饋電路時(shí)，輸出級(jí)的輸出電阻。表征了集成運(yùn)放帶負(fù)載的能力，其阻值越小越好。4.輸入失調(diào)電壓uio——實(shí)際的集成運(yùn)放中，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓不等于零，為使輸出電壓為零，須在輸入端加補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓就稱為輸入失調(diào)電壓。它表征了輸入級(jí)差分對(duì)管（或）不對(duì)稱的程度，一般在毫伏級(jí)。5.最大輸出電壓UOM——能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。6.共模抑制比KCMRR——它表示集成運(yùn)放的差模放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對(duì)值，即：

KCMRR越大，說(shuō)明運(yùn)算放大器抑制共模信號(hào)的性能越好。◆

理想運(yùn)放的主要條件：(1)開環(huán)放大倍數(shù)：Ao→∞(2)開環(huán)輸入電阻：ri→∞(3)開環(huán)輸出電阻：ro→0(4)共模抑制比：KCMRR→∞uou－u+－ud+∞－++△理想運(yùn)放的圖形符號(hào)三、理想集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)及符號(hào)第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述四、集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性兩個(gè)工作區(qū)——線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)1．線性工作區(qū)+UO(sat)－UO(sat)理想特性實(shí)際特性O(shè)uou+u-第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述或集成運(yùn)放處于線性區(qū)的特點(diǎn)uo∞－++△ui1Rfu－u+i1if（1）“虛短”——集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓近似相等，即u+≈u-。特殊情況：反相端有信號(hào)輸入時(shí)，同相輸入端接“地”——反相輸入端是一個(gè)不接“地”的“地”電位，通常稱為“虛地”ui2（2）“虛斷”——流進(jìn)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流近似等于零，即i+＝i-≈0。原因：由于集成運(yùn)放開環(huán)差模輸入電阻很高（理想時(shí)∞）理想的集成運(yùn)放無(wú)論工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)，“虛斷”現(xiàn)象總是存在的。第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述uo∞－++△ui1Rfu－u+i1ifui2（1）（2）集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端電壓u+與u－不一定相等，即“虛短”的結(jié)論不一定成立。（3）集成運(yùn)放輸入電流仍等于零。即“虛斷”現(xiàn)象仍然存在。2.非線性工作區(qū)（飽和狀態(tài)）——處于開環(huán)或正反饋時(shí)當(dāng)u+＞u－時(shí)：uo=+UO(sat)當(dāng)u+＜u－時(shí)：uo=－UO(sat)第四章集成運(yùn)算放大電路

第一節(jié)概述uo∞－++△ui1u－u+ui2如何判斷理想集成運(yùn)放的工作狀態(tài)？集成運(yùn)放電路連接方式：1.開環(huán)：2.正反饋：3.負(fù)反饋判斷方法：集成運(yùn)放電路開環(huán)——非線性工作區(qū)用無(wú)源網(wǎng)絡(luò)連接輸出端和同相輸入端——正反饋，非線性工作區(qū)用無(wú)源網(wǎng)絡(luò)連接輸出端和反相輸入端——負(fù)反饋，線性工作區(qū)uo∞－++△R1uiRfRpu－u+請(qǐng)判斷有無(wú)反饋如何分析集成運(yùn)放電路？（1）分析判斷集成運(yùn)放的工作狀態(tài)（有無(wú)反饋？反饋的極性？）；（2）根據(jù)集成運(yùn)放在線性區(qū)和非線性區(qū)的特點(diǎn)分析具體電路和輸入輸出關(guān)系。(一)比例運(yùn)算電路(1)反相比例運(yùn)算電路u－=u+=0uo∞－++△R1uiRfRpu－u+虛地i1ifi1=ifuiR1=－uoRfuo=－ＲfＲ1ui閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路平衡電阻當(dāng)Rf=R1時(shí)：

uo=－ui反相器uo∞－++△R1uiRfRpu－u+平衡電阻:Rp=R1//Rf平衡電阻的作用：保證集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的外接電阻相等，以消除靜態(tài)基極電流對(duì)輸出電壓的影響。第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路(2)同相比例運(yùn)算電路uo∞－++△R1RpuiRfu－u+i1ifu－=u+=uiif=i1u－－uoRf=-u－R1uo=RfR1)ui(1+平衡電阻:RP=R1//Rfuo∞－++△ui閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Af當(dāng)電壓跟隨器

再令

第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路(二)加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路

uo∞－++△R12RFRpR11ui1ui2R13ui3當(dāng)

第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路2.同相加法運(yùn)算電路元件參數(shù)：——保證電路能夠補(bǔ)償輸入偏置電流、失調(diào)電流及其漂移的影響。

應(yīng)用疊加原理可知，可由和兩個(gè)電壓源單獨(dú)作用的疊加求出：

單獨(dú)作用時(shí)，令

單獨(dú)作用時(shí)，令

根據(jù)“虛短”現(xiàn)象，，而所以輸出電壓為：

若選取第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路兩個(gè)電壓源共同作用時(shí)，第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路(三)減法運(yùn)算電路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui21．應(yīng)用集成運(yùn)放中“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)。

當(dāng)和

當(dāng)?shù)谒恼录蛇\(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路2．應(yīng)用疊加原理求解

R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2▲當(dāng)ui1單獨(dú)作用時(shí):+①②R3uo′∞－++△R1RfR2ui1R3uo′′∞－++△R1RfR2ui2uo′=－ＲfＲ1ui1▲當(dāng)ui2單獨(dú)作用時(shí):uo′′=(1+RfR1)u+u－u+u+=R3R2+R3ui2=(1+RfR1)R3R2+R3ui2則：uo=uo′

+uo′′RfR1)=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1當(dāng)=ＲfＲ1Ｒ3Ｒ2時(shí)：uo=ＲfＲ1(ui2－ui1)▲平衡電阻:

R2//

R3=R1//RfR3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路例4-3圖4-10示電路是具有四個(gè)輸入電壓的雙端輸入和差運(yùn)算電路。應(yīng)用疊加原理求解的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系式。解：若令則該電路成為同相加法運(yùn)算電路，

式中，

第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路若令則電路成為反相加法運(yùn)算電路若令第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路練習(xí)題1.設(shè)計(jì)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)：uo=-3uiuo∞－++△R1uiRfRp2.求解下圖所示電路的運(yùn)算關(guān)系反相比例運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路將uo1代入uo2的表達(dá)式，可得3.設(shè)計(jì)運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)：uo=2ui1-ui2第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路(四)積分運(yùn)算u－

=u+=0uC=u－－uo=－uoif=i1

i1=uiR1if=CduCdt

=－Cduodtuo=－∫uidt1R1C▲平衡電阻:R2=R10uot－Uit1R1C－UO（sat）(b)波形uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－(a)電路0uitUi(五)微分運(yùn)算電路u－=u+=0uC=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo=－Rf

Cduidt▲平衡電阻:

R2=Rf0uot(b)波形ifi1+uC－uo∞－++△CuiRfu－u+R2(a)電路0uitUi第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路基本微分電路存在的缺點(diǎn)：①輸出端可能出現(xiàn)輸出噪聲淹沒微分信號(hào)的現(xiàn)象；②由于電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的RFC滯后環(huán)節(jié)，它與集成運(yùn)算放大器的滯后環(huán)節(jié)合在一起，使電路的穩(wěn)定儲(chǔ)備減小，電路容易引起自激振蕩；③突變的輸入電壓可能造成uo

超過集成運(yùn)算放大器所允許的最大輸出電壓，以至于產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，造成自鎖狀態(tài),使電路不能正常工作。改進(jìn)型的微分運(yùn)算電路第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路例4-7試求圖所示電路的與的關(guān)系式。

此電路是一個(gè)反相比例運(yùn)算和微分運(yùn)算相結(jié)合的電路，因此稱為比例－微分調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱PD調(diào)節(jié)器），用于控制系統(tǒng)中，使調(diào)節(jié)過程起到加速作用。

解由圖可列出第四章集成運(yùn)算放大電路

第二節(jié)模擬信號(hào)的運(yùn)算電路一、電壓比較電路基本功能：對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行比較和鑒別,根據(jù)輸入模擬電壓是大于還是小于給定的參考電壓來(lái)決定電路的輸出狀態(tài),也可以由比較電路的輸出狀態(tài)來(lái)判斷輸入電壓的大小，故稱為電壓比較器。構(gòu)成比較器的集成運(yùn)放一般接成開環(huán)或正反饋狀態(tài)，使其工作于非線性區(qū)。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路(一)基本電壓比較器反相輸入端輸入模擬電壓，同相輸入端接參考電壓第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路反相輸入的基本比較電路1．過零比較電路當(dāng)參考電壓時(shí)，即上圖中的同相輸入端通過電阻R1接地，與參考電壓（此時(shí)參考電壓為零電壓）進(jìn)行比較。當(dāng)時(shí)，，其值接近負(fù)電源電壓；當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，則有，其值接近正電源電壓。傳輸特性第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路在過零比較電路中，若輸入電壓為正弦電壓，理想情況下的輸出電壓為方波，且的頻率相同。和第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路是正弦波的周期，且例4-9電路如圖所示，輸入電壓為正弦波，電路的時(shí)間常數(shù)τ，試畫出和的波形。解；反相輸入端的參考電壓為零，而同相輸入端接輸入電壓，此時(shí)的電路為一同相輸入過零比較器。若輸入電壓為正弦波，則同相輸入過零比較電路的輸出電壓為矩形波，并且其極性與輸入電壓相同。

第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路集成運(yùn)算的輸出端接積分電路，由積分電路對(duì)輸出電壓電路的時(shí)間常數(shù)很大，接近三角波。

進(jìn)行積分，由于電容的充放電的時(shí)間很長(zhǎng)，所以經(jīng)積分后的輸出電壓第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路2.任意電平比較器當(dāng)參考電壓時(shí)，則為任意電平比較電路。門限電壓，反相輸入端接入輸入電壓,輸出端通過限流電阻R接在特性相同的的穩(wěn)壓管VS1和VS2上（穩(wěn)定輸出電壓，并限制幅度）。在同相輸入端加上參考電壓；當(dāng)時(shí)，則。其中為穩(wěn)壓對(duì)管的穩(wěn)定輸出電壓。稍大于時(shí)，則有稍小于第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路為正、負(fù)半周寬度不等的矩形波輸出電壓當(dāng)輸入電壓為正弦電壓時(shí)，第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路輸入電壓和參考基準(zhǔn)電壓都接在集成運(yùn)放的反相輸入端，同相輸入端經(jīng)平衡電阻接地（）。根據(jù)電路的特點(diǎn)，可知在3.基準(zhǔn)電壓比較器時(shí)，電路輸出電壓的狀態(tài)在發(fā)生變化第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路（3）在過時(shí)的躍變方向決定于作用于集成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端（2）寫出集成運(yùn)放同相輸入端、反相輸入端電位的表達(dá)式，令，解得的輸入電壓就是門限電壓、閾值電壓（1）通過研究集成運(yùn)放輸出端所接的限幅電路來(lái)確定電壓比較器的輸出低電平和輸出高電平

分析電壓傳輸特性的方法：例題：下圖1所示電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓；在圖2所示電路中，，基準(zhǔn)電壓，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓；它們的輸入電壓均為圖3所示的三角波。試分別畫出兩電路輸出電壓的波形。圖1圖2圖3二、施密特比較器

單限比較器——優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、靈敏度高；缺點(diǎn)：抗干擾能力差。施密特比較電路：改進(jìn)單限比較器?！陂_環(huán)比較器的基礎(chǔ)上增加由電阻構(gòu)成的正反饋環(huán)節(jié)（又稱施密特觸發(fā)電路）。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路

輸出電壓故將隨取值的不同而相應(yīng)取不同值。

當(dāng)時(shí)，電路的輸出；當(dāng)時(shí)，電路的輸出為使輸出電壓由跳變到，以及由跳到所需的輸入電壓是不同的，也就是這種比較器有兩個(gè)不同的門限電平。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路設(shè)電路的初始狀態(tài)為

集成運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓也變?yōu)椋荷源笥跁r(shí)，電路的輸出電壓的狀態(tài)就由轉(zhuǎn)換到,由于電路中正反饋的作用，電路輸出電壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)換非常迅速。同理，電路的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換成后，當(dāng)減小到稍小于時(shí)，電路的輸出電壓就由轉(zhuǎn)換到第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路其中稱上門限電壓，稱下門限電壓。和之差稱為回差電壓。

第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路2)改變參考電壓的大小，上和下門限電壓同時(shí)改變，但回差電壓不變，也就是說(shuō)，當(dāng)增大或者減小時(shí)，滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或者左移，但滯回曲線的寬度保持不變；說(shuō)明：回差電壓的大小取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電壓和正反饋網(wǎng)絡(luò)中的，而與參考電壓無(wú)關(guān)；3)由于回差電壓的存在，施密特比較器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。第四章集成運(yùn)算放大電路

第三節(jié)信號(hào)處理電路例4-11穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓試求兩個(gè)門限電壓，并畫出的波形。解：

上門限電壓：下門限電壓為:第四章集成運(yùn)算放大