電工學(xué)少學(xué)時唐介第10章集成運(yùn)算放大器課件

第10章集成運(yùn)算放大器10.1

集成運(yùn)算放大器概述10.2

反饋的基本概念10.4

基本運(yùn)算電路10.5

電壓比較器10.3

理想運(yùn)算放大器1.了解集成運(yùn)算放大器的基本組成及特點(diǎn)，理解集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，了解其主要參數(shù)的意義。2.理解反饋的概念，了解反饋的判斷方法及對放大電路性能的影響。3.理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法，掌握集成運(yùn)算放大器的反相輸入、同相輸入和差動輸入三種輸入方式。理解用集成運(yùn)算放大器組成的比例、加減、積分、微分運(yùn)算電路的工作原理。掌握分析電路的基本方法。4.了解電壓比較器的外特性。了解電壓比較器的工作原理和有關(guān)結(jié)論。本章要求集成電路：是利用氧化、光刻、擴(kuò)散、外延等集成工藝，將整個電路的各個元件及導(dǎo)線集中制做在一小塊半導(dǎo)體芯片上，成為不可分割的整體。實(shí)現(xiàn)了材料，元件和電路的統(tǒng)一。與分立電路比較體積更小、重量更輕、功耗更低、工作更可靠。分立電路：是由各種單個元件聯(lián)接起來的電子電路。10.1集成運(yùn)算放大器概述

集成電路誕生于20世紀(jì)60年代，集成電路的問世，是電子技術(shù)的一個新的飛躍，到80年代已經(jīng)進(jìn)入了超大規(guī)模集成電路時代，進(jìn)入了微電子學(xué)時代，從而促進(jìn)了各個科學(xué)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

高速運(yùn)算放大器雙列直插式圓殼式集成電路成品外形集成運(yùn)算放大器是一個高增益的直接耦合放大電路。偏置電路uo輸入極中間極輸出極ui一、集成運(yùn)算放大器的組成采用差分放大電路，抑制零點(diǎn)漂移,ri很大采用多極共射放大電路，獲得較大的A0采用共集放大電路，r0小，提高帶載能力。特點(diǎn)：①ri很大幾十K幾M③

A0很大萬幾百萬倍

④

r0很小幾十幾百②

KCMRR

很高uduouduoAo越大，線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。_++A0二、電壓傳輸特性因此，引入深度負(fù)反饋是集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)線性應(yīng)用的必要條件。1、線性區(qū):線性區(qū)2、飽和區(qū)：飽和區(qū)+UOM-UOM10.2反饋的基本概念一、反饋的概念反饋回路F基本放大電路Ao輸出信號輸入信號反饋信號凈值信號——開環(huán)放大倍數(shù)——閉環(huán)放大倍數(shù)——反饋系數(shù)凡是將放大電路輸出端的信號（電壓或電流）的一部分或全部通過一定的電路條件（反饋回路）以一定的方式（并聯(lián)或串聯(lián)）引回到輸入端，與輸入信號疊加，就稱為反饋。放大器輸出輸入取+加強(qiáng)凈輸入信號正反饋用于振蕩器取-削弱凈輸入信號負(fù)反饋用于放大器閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)±疊加反饋信號實(shí)際被放大信號二、反饋的類型1、從反饋的極性分4、交流反饋與直流反饋交流反饋：反饋只對交流信號起作用。直流反饋：反饋只對直流起作用。若在反饋網(wǎng)絡(luò)中串接隔直電容，則可以隔斷直流，此時反饋只對交流起作用。在起反饋?zhàn)饔玫碾娮鑳啥瞬⒙?lián)旁路電容，可以使其只對直流起作用。負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋的分類小結(jié)uo_++A0RfR1R2uii1ifidRL電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋uo_++A0RfR1R2uiud-uf++-+–uf+–uduoRFuiR2R1+–++Ao–+–RL設(shè)輸入電壓ui為正，差值電壓ud=ui–

uf各電壓的實(shí)際方向如圖uf削弱了凈輸入電壓(差值電壓)

——負(fù)反饋反饋電壓取自輸出電壓——電壓反饋反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較

——串聯(lián)反饋

特點(diǎn)：輸入電阻高、輸出電阻低1.串聯(lián)電壓負(fù)反饋2.并聯(lián)電壓負(fù)反饋i1if

iduoRFuiR2R1++––++Ao–RL－設(shè)輸入電壓ui

為正，差值電流id=i1–

if各電流的實(shí)際方向如圖if削弱了凈輸入電流(差值電流)

——負(fù)反饋反饋電流取自輸出電壓——電壓反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較——并聯(lián)反饋

特點(diǎn)：輸入電阻低、輸出電阻低3.串聯(lián)電流負(fù)反饋+–uf–+ud設(shè)輸入電壓ui

為正，差值電壓ud=ui–

uf各電壓的實(shí)際方向如圖uf削弱了凈輸入電壓(差值電壓)

——負(fù)反饋反饋電壓取自輸出電流——電流反饋

反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較

——串聯(lián)反饋uf=RiouiR2RL+–++Ao–ioRuo+–三、運(yùn)算放大器電路反饋類型的判別方法：1.判斷串、并聯(lián)反饋方法：輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端（同相和反相）上的，是串聯(lián)反饋；加在同一個輸入端（同相或反相）上的，是并聯(lián)反饋。2.利用瞬時極性法判斷正、負(fù)反饋方法：對串聯(lián)反饋，輸入信號和反饋信號的極性相同時，是負(fù)反饋；極性相反時，是正反饋；對并聯(lián)反饋，輸入信號和反饋信號的極性相同時，是正反饋；極性相反時，是負(fù)反饋。3.判斷電壓、電流反饋方法：令輸出電壓uo=0，若反饋信號也等于零的是電壓反饋；若反饋信號不等于零的是電流反饋。另：簡便判斷方法：反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負(fù)載電阻RL的靠近“地”端引出的，是電流反饋。例1：試判別下圖放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。uf+–uo1uiR+–++–uo++–RLA1A2解：令輸出電壓uo=0，則反饋信號uf=0，所以是電壓反饋。因輸入信號和反饋信號分別加在反相輸入端和同相輸入端上，所以是串聯(lián)反饋；

－－串聯(lián)電壓負(fù)反饋在圖中標(biāo)出各點(diǎn)的瞬時極性及反饋信號；可見：輸入信號和反饋信號的極性相同，所以是負(fù)反饋；例2：試判別下圖放大電路中從運(yùn)算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。解：令輸出電壓uo=0，而反饋信號if不等于零，所以是電流反饋。因輸入信號和反饋信號均加在同相輸入端上，所以是并聯(lián)反饋;在圖中標(biāo)出輸入、輸出和反饋信號的瞬時極性并聯(lián)電流負(fù)反饋uo1uiR++–uo++–RLA1A2i1ifid+-－－因輸入信號和反饋信號的極性相反，所以是負(fù)反饋；四、負(fù)反饋對放大電路性能的改善基本放大電路Ao反饋電路F+–基本放大電路Ao反饋回路F+–反饋深度

稱則有：負(fù)反饋使放大倍數(shù)下降。若稱為深度負(fù)反饋，此時(3)改善了非線性失真：AouiuoudAoFuiufuouo(a)無負(fù)反饋時(b)有負(fù)反饋時（4）穩(wěn)定了輸出電壓或輸出電流例如:射極輸出器理解：電壓負(fù)反饋目的是阻止uo的變化，穩(wěn)定輸出電壓。（5）改變了輸入電阻和輸出電阻

串聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻增加并聯(lián)負(fù)反饋使電路的輸入電阻減小理解：串聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中串聯(lián)了一個電阻，故輸入電阻增加。理解：并聯(lián)負(fù)反饋相當(dāng)于在輸入回路中并聯(lián)了一條支路，故輸入電阻減小。理解：電流負(fù)反饋目的是阻止io的變化，穩(wěn)定輸出電流。由于實(shí)際運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻極高，輸出電阻極低。故在分析時常采用將其近似理想化。一、理想運(yùn)放的條件10.3理想運(yùn)算放大器1、2、3、uo－＋＋∞u－u+ud反饋電路rori4、二、電壓傳輸特性

uo=f(ui)線性區(qū)：uo

=Ao(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo=+UOM

u+<u–

時，uo=–UOM

+UOM

u+–u–

uo–UOM線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O1.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)樗?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++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–UOM+UOMOAo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)。因?yàn)閞i→∞，電壓傳輸特性

u+–u–

uo–UOM+UOMO飽和區(qū)2.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,+UOM或–UOM(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象當(dāng)u+>u–

時，uo=+UOM

u+<u–

時，uo=–UOM

不存在“虛短”現(xiàn)象

三、重要結(jié)論---分析運(yùn)算電路線性應(yīng)用的依據(jù)“虛短路”2、由于有：“虛斷路”3、由于有：1、由于有：10.4

基本運(yùn)算電路

集成運(yùn)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(jìn)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(yùn)算。

運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負(fù)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(yùn)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(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。一、比例運(yùn)算電路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)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(diǎn)因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以

i1if

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻

R2=R1//RFU+U-虛地點(diǎn)1.

反相比例運(yùn)算電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸入電阻低當(dāng)R1=RF時，u0=-ui，該電路稱為反相器。⑤電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入、輸出電阻低。結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即

uo與

ui

極性相反。因?yàn)?/p>

ui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

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(yùn)算因虛斷，所以u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–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//RFu+u–2.同相比例運(yùn)算輸入電阻高電壓放大倍數(shù)電壓串聯(lián)負(fù)反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋因虛短，所以

u–=ui，反相輸入端不“虛地”

反饋信號使凈輸入信號減小—負(fù)反饋uoRFuiR2R1++––++–⑤電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高、輸出電阻低。

結(jié)論：①Auf為正值，即uo與ui

極性相同。因?yàn)?/p>

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=且RF

=0時，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，其兩端電壓

uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：二、加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

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

所以

ii1+ii2=if

若Ri1=Ri2=RF,

另一方法：利用疊加原理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，同理，ui2單獨(dú)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(dá)式，利用

u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–三、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輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測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+–++––減法運(yùn)算實(shí)際是差分電路++A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+例：測量放大器(儀用放大器)對共模信號：uO1=uO2則uO=0++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+例：id1id2id=0u-=u+,R、RW、R三個電阻可視為串聯(lián)uoR1R1-+A3R2R2uo1uo2++A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+uo=+例.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V例.uo_++30k60k20k20k_++2v_++60k30k20kuo1uo230k30k60k-4v2v例10.4.2課堂練習(xí)四、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，則有平衡電阻:R2=R1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(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是時間

t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui五、微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui微分時間常數(shù)平衡電阻:

R2=Rf10.5電壓比較器電壓比較器的功能：

電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(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的大小和極性。用途：

數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。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+UOM或–UOM

當(dāng)u+>u－

時，uo=+UOM

u+<u－

時，uo=–

UOM

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uo

u+–u–

–UOM+UOM飽和區(qū)O電壓傳輸特性–UOM+UOM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)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時，uo=+UOM

u+<u–

時，uo=–UOM即ui<UR時，uo=+UOM

ui

>UR

時，uo=–

UOM可見，在

ui=UR處輸出電壓

uo發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot+UOM–UOMt1t2單限電壓比較器：

當(dāng)

ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–UOM+UOMuiuoOURui>U