第十六章電工學(xué)-集成運(yùn)算放大器

第十六章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)放簡(jiǎn)介16.2運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.3運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用16.1集成運(yùn)放簡(jiǎn)介一、運(yùn)放構(gòu)成輸入級(jí)中間級(jí)偏置電路輸出級(jí)輸入端輸出端輸入級(jí)：由差放構(gòu)成?？蓽p小零點(diǎn)漂移和抑制干擾。中間級(jí)：共射放大電路。用于電壓放大。輸出級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路。降低輸出電阻，提高帶載能力。偏置電路：由恒流源電路構(gòu)成。確定運(yùn)放各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。二、運(yùn)放特點(diǎn)

㈠實(shí)際運(yùn)放特點(diǎn)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)高(104-107)；輸入電阻高（約幾百KΩ）；輸出電阻低（約幾百Ω）；漂移小、可靠性高、體積小、重量輕、價(jià)格低。3）開(kāi)環(huán)輸出電阻ro→02）差模輸入電阻rid→∞

4）共模抑制比KCMRR→∞

㈡理想運(yùn)放及其分析依據(jù)

理想化條件：1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞∞

++-u-u+uo理想運(yùn)放電路模型

實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)指標(biāo)很接近理想化條件，故用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放所引起的誤差并不嚴(yán)重，在工程上是允許的。

右圖所示為運(yùn)放輸入和輸出電壓的關(guān)系曲線，稱(chēng)為傳輸特性。從圖中看到，實(shí)際運(yùn)放的傳輸特性與理想運(yùn)放比較接近。o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性理想特性u(píng)+-u-運(yùn)算放大器的傳輸特性虛斷虛短線性區(qū)：

uo=Auo(u+-u-)rid→∞，故兩輸入端的輸入電流為零。Auo→∞，uo為有限值，故u+-u-=uo/Auo≈0即u+≈

u-分析依據(jù)當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，如同相端接地，即u+=0則u-≈

0飽和區(qū)：

uo≠Auo(u+-u-)當(dāng)u+>u-

時(shí),uo=+uo(sat)

當(dāng)u+<u-

時(shí),uo=-uo(sat)

但兩輸入端的輸入電流仍為零。o+Uo(sat)-Uo(sat)實(shí)際特性u(píng)+-u-線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)

運(yùn)放能完成信號(hào)的代數(shù)運(yùn)算有：比例、加減、積分與微分等簡(jiǎn)單運(yùn)算，還能完成對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)以及乘除等復(fù)雜運(yùn)算。它們都是線性范圍內(nèi)的運(yùn)算，都適用疊加原理。16.2運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用

在討論運(yùn)放的運(yùn)算功能之前，要弄清幾個(gè)問(wèn)題：如何保證運(yùn)放工作在線性區(qū)?

我們還知道：負(fù)反饋能減小放大倍數(shù)，且反饋愈深作用愈明顯；加上負(fù)反饋還可在其它方面改善放大電路的性能，所以——解決之道是：在電路中引入深度負(fù)反饋。uou-u+∞

++-

下面的問(wèn)題是從輸出端將反饋引到同相端還是反相端？答案是：引回到反相端Z一、比例運(yùn)算

1、反相輸入比例運(yùn)算Rf—反饋電阻；R2—平衡電阻，用于消除靜態(tài)基極電流對(duì)輸出電壓的影響。R2=R1∥Rf

由KCL、KVL和運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析依據(jù)：

i1uiuo∞

++-ifR1R2Rf及由此得：說(shuō)明：1、式中的負(fù)號(hào)表示輸出與輸入反相，因此又把反相輸入的比例運(yùn)算電路稱(chēng)為反相器；2、如R1和RF的阻值足夠精確，而運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很高，就可以認(rèn)為輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系只取決于兩電阻的比值，而與運(yùn)放本身的參數(shù)無(wú)關(guān)。因此，保證了比例運(yùn)算的精度和穩(wěn)定性（深度負(fù)反饋）。

反饋類(lèi)型：深度并聯(lián)電壓負(fù)反饋

電路阻抗特征：輸入電阻不高，輸出電阻很低。i1uiuo∞

++-ifR1R2Rf2、同相輸入比例運(yùn)算及有反饋類(lèi)型：深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋

得二、加法運(yùn)算

i13ui3uo∞

++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法電路

在反相端輸入若干路信號(hào)，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路

由此得當(dāng)時(shí)，再若，則ui1uo∞

++-R3R2RFi1R1減法電路ifui2三、減法運(yùn)算

當(dāng)兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入時(shí)，即為差動(dòng)輸入，可進(jìn)行減法運(yùn)算

由于電路存在共模電壓，為了保證運(yùn)算精度，應(yīng)當(dāng)選用共模抑制比較高的運(yùn)算放大器。

四、積分運(yùn)算

ui1uo∞

++-R2CFi1R1積分電路ifuc當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，uiU-UotUo(sat)-Uo(sat)ot

右圖是在控制和測(cè)量系統(tǒng)中常用的比例-積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）：ui1uo∞

++-R2CFi1R1PI調(diào)節(jié)器ifucRF

可視為反相比例運(yùn)算和積分運(yùn)算的疊加。與以前學(xué)過(guò)的RC積分電路相比，運(yùn)放所構(gòu)成的有源積分電路其積分曲線的線性度較好。這是因?yàn)槌潆婋娏骰竞愣āＮ?、微分運(yùn)算

ui1uo∞

++-R2C1i1微分電路ifucRF微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算，

當(dāng)輸入信號(hào)為階躍電壓時(shí)，輸出為尖脈沖電壓。微分電路穩(wěn)定性不高，用得較少。(波形如右圖)uiUuooottui1uo∞

++-R2C1icPD調(diào)節(jié)器iRRF

右圖是在控制系統(tǒng)中使調(diào)節(jié)過(guò)程加速的比例—微分調(diào)節(jié)器（PD調(diào)節(jié)器）。

運(yùn)放除了能完成信號(hào)的運(yùn)算，還能完成信號(hào)濾波、采樣保持及比較等處理工作。16.3運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用一、有源濾波器

濾波器是一種選頻電路——選出有用信號(hào)，而抑制無(wú)用信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過(guò)，衰減??；而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過(guò)，衰減大。按選擇頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。將由RC組成的無(wú)源濾波器再接到運(yùn)算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運(yùn)放是有源器件），性能會(huì)得到較大的改善：體積小、效率高、頻率特性好等。uiuo∞

++-RC有源低通濾波器ucRFR1如圖為有源低通濾波器。o幅頻特性o幅頻特性當(dāng)當(dāng)稱(chēng)為剪切頻率二、采樣保持電路

當(dāng)輸入信號(hào)變化較快時(shí)要求輸出信號(hào)能快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號(hào)的變化進(jìn)行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。采樣保持技術(shù)常用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)和程序控制等裝置中。uiuo∞

++-RC采樣保持電路ucR1S控制信號(hào)ououi采樣保持t輸入輸出波形三、電壓比較器uRuo∞

++-R2電壓比較器R1ui

運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，uR是參考電壓，當(dāng)輸入與參考電壓有微小差值時(shí)，輸出信號(hào)便會(huì)達(dá)到飽和，即運(yùn)放工作于非線性—飽和區(qū)。參考電壓等于零時(shí)，稱(chēng)為過(guò)零比較器。Uo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuRUo(sat)-Uo(sat)o傳輸特性u(píng)ouiuRouotuRUo(sat)-Uo(sa