多學時集成運算放大器

1.了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器的工作原理；4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第3章集成運算放大器3.1集成運算放大器概述集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。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

是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個不可分的整體。集成電路特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。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)字和模擬各類型號集成芯片集成運算放大器的特點1.元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；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。3.1.1電路的組成輸入級中間級輸出級偏置電路運算放大器方框圖輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器

。中間級：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：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。－15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的內(nèi)部電路圖集成運算放大器的管腳和符號反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號傳輸方向輸出端實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號;(b)引腳

765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出集成運放741的電路原理圖同相輸入輸入級偏置電路中間級輸出級+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C反相輸入輸出3.1.2集成運放的電壓傳輸特性3.1.3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運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6.共模輸入電壓范圍UICM運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運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.共模抑制比由于實際運算放大器的技術(shù)指標接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。3.1.4理想運算放大器在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的運算放大器。理想化的主要條件：線性區(qū)：uo

=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––電壓傳輸特性uo=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)O理想運算放大器圖形符號理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=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，運放的線性范圍越小，必須加負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理想運放工作在飽和區(qū)的特點(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u+>u–

時，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)3.2

運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用集成運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，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。運算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負反饋。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，就可以實現(xiàn)不同的運算。3.2.1比例運算1.反相比例運算(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短,

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

ifi1i–i+所以i1if

uoRFuiR2R1++––++–(5)電壓并聯(lián)負反饋，輸入、輸出電阻低，

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

極性相反。因為ui加在反相輸入端。(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運放本身參數(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.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

(1)電路組成(2)電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–(5)電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。結(jié)論：(1)Auf為正值，即uo與ui

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

≠0,反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。當R1=且RF

=0時，uo=ui，Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運放構(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)兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：負載電流的大小與負載無關(guān)。例2:負載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路(1)能測量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–3.2.2加法運算電路1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

2.同相加法運算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響；同相加法運算電路的特點：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響；反相加法運算電路的特點：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–3.2.3減法運算電路由虛斷可得：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輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路儀表放大器分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––3.2.4積分運算電路由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

當電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

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

ui=–Ui<0

采用集成運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u