chapter16 集成運(yùn)算放大器

第16章集成運(yùn)算放大器了解通用集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.掌握運(yùn)算放大器的特點(diǎn)、符號(hào)和電壓傳輸特性；3.熟悉通用集成運(yùn)放LM741的管腳功能；4.理解理想運(yùn)算放大器的條件并掌握其基本分析方法；5.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加法、減法、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理，了解PID和PDD在后續(xù)課程中的應(yīng)用；6.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求：16.1集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹

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。集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

高：80dB~140dB差模輸入電阻rid高：105~1011輸出電阻ro

低：幾十

~幾百共模抑制比KCMRR高：70dB~130dB集成運(yùn)放的總體結(jié)構(gòu)

16.1.2電路的簡(jiǎn)單說明+UCC–UEEuou–u+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。集成運(yùn)算放大器符號(hào)同相輸入端反相輸入端輸出端典型集成運(yùn)放芯片介紹1.μA741（F007、5G24、LM741）單運(yùn)放2.μA747雙運(yùn)放16.1.3主要參數(shù)

運(yùn)算放大器的性能可用一些參數(shù)來表示。為了合理地選用和正確地使用運(yùn)算放大器，必須了解各主要參數(shù)的意義。1.最大輸出電壓UOPP

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，稱為運(yùn)算放大器的最大輸出電壓。F007集成運(yùn)算放大器的最大輸出電壓約為12V。2.開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo

在沒有外接反饋電路時(shí)所測(cè)出的差模電壓放大倍數(shù)，稱為開環(huán)電壓放大倍數(shù)。

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。Auo一般約為104～107，即80～140dB。3.輸入失調(diào)電壓Uio

理想的運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入電壓ui1

=ui2

=0（即把兩輸入端同時(shí)接地）時(shí)，輸出電壓uo

=0。但在實(shí)際的運(yùn)算放大器中，由于制造中元件參數(shù)的不對(duì)稱性等原因，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，uo

≠0。反過來說，如果要u0=0，必須在輸入端加一個(gè)很小的補(bǔ)償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓。

Ui0一般為幾毫伏，愈小愈好。4.輸入失調(diào)電流Ii0

輸入失調(diào)電流是指輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流之差，即。Ii0一般在零點(diǎn)零幾微安級(jí)，其值愈小愈好。5.輸入偏置電流IiB

輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流，即它的大小主要和電路中第一級(jí)管子的性能有關(guān)。愈小愈好，一般在零點(diǎn)幾微安級(jí)。6.最大共模輸入電壓UiCM

運(yùn)算放大器對(duì)共模輸入信號(hào)具有抑制的性能，但這個(gè)性能是在規(guī)定的共模電壓范圍內(nèi)才具備。如超出這個(gè)電壓，運(yùn)算放大器的共模抑制性能就大為下降，甚至造成器件損壞。

一般為±13V

指的是集成運(yùn)放的反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。

±30V7.最大差模輸入電壓Vidmax

總之，集成運(yùn)算放大器具有開環(huán)電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻高（約幾百千歐）、輸出電阻低（約幾百歐）、漂移小、可靠性高、體積小等主要特點(diǎn)，所以它已成為一種通用器件，廣泛而靈活地應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中。在選用集成運(yùn)算放大器時(shí)，就像選用其它電路元件一樣，要根據(jù)它們的參數(shù)說明，確定合用的型號(hào)。16.1.4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，KCMRR2.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)3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)∵uo

=

Auo(u+–

u–

)∴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)4.理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)①輸出只有兩種可能+Uo(sat)或–Uo(sat)②i+=i–0

，仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

16.2

集成運(yùn)放

在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用一、比例運(yùn)算電路二、加法運(yùn)算電路三、減法運(yùn)算電路四、積分運(yùn)算電路五、微分運(yùn)算電路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)∵虛短

∴

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

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–∴i1if

∵要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對(duì)地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RF

⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低，

ri

=R1。共模輸入電壓低。結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反?！遳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∵

u-=u+=0，∴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.∵

Auf

=–RF

，R1

=–RF

10=–10

∴RF=Auf

R1=1010=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算∵虛斷，∴

u+=ui

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

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

∵要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對(duì)地電阻相同，

∴平衡電阻R2=R1//RFu+u–⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。∵ui

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：負(fù)載電流的大小與負(fù)載無關(guān)。例2：負(fù)載浮地的電壓——電流的轉(zhuǎn)換電路1.

能測(cè)量較小的電壓；2.

輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi116.2.2加法運(yùn)算電路

1.反相加法運(yùn)算電路∵虛短u-=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

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

∴

ii1+ii1=if

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+–方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–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。1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–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-UOMuotO+UOMui=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

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16.2.5微分運(yùn)算電路uot0t0uiifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–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

—PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC16.3

集成運(yùn)放在信號(hào)處理中的應(yīng)用只講16.3.3電壓比較器電壓比較器功能：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。理想運(yùn)放工作在非線性區(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

②i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)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：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)UR：參考電壓（閾值電壓或門限電壓）翻轉(zhuǎn)條件?？梢姡趗i

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。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+–++––ouot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uitoURt1t2ot

+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tuituo+Uo(sat)-Uo(sat)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=02.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uiuo0

-Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性u(píng)it0uo0t+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