第14章集成運(yùn)算放大器優(yōu)秀課件

第14章集成運(yùn)算放大器第14章集成運(yùn)算放大器14.1集成運(yùn)算放大器概述14.2反饋的基本概念14.3負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善14.4理想運(yùn)算放大器14.5基本運(yùn)算電路14.6電壓比較器14.7RC正弦波振蕩電路Home14.1集成運(yùn)算放大器概述14.1.1集成運(yùn)算放大器的組成14.1.2電壓傳輸特性14.1.1集成運(yùn)算放大器的組成概念:是一種電壓放大倍數(shù)很高的直接耦合的多級(jí)放大電路組成:輸入級(jí),中間級(jí)和輸出級(jí)三個(gè)基本部分組成輸入級(jí):雙端輸入的差分放大電路中間級(jí):完成電壓放大,一般采用共射放大電路輸出級(jí):采用互補(bǔ)對(duì)稱放大電路或共集放大電路

1．集成運(yùn)算放大器概述

集成運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，一般由四部分組成。集成運(yùn)算放大器

輸入級(jí)一般是差動(dòng)放大器，利用其對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能，輸入級(jí)有反相輸入端、同相輸入端兩個(gè)輸入端；中間級(jí)的主要作用是提高電壓增益，一般由多級(jí)放大電路組成；輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為各級(jí)提供合適的工作電流。此外還有一些過(guò)載保護(hù)電路及高頻補(bǔ)償環(huán)節(jié)等輔助環(huán)節(jié)。集成電路的幾種外形左圖所示為μA741集成運(yùn)算放大器的芯片實(shí)物外形圖從實(shí)物外形圖上可看出，μA741集成運(yùn)放有8個(gè)管腳，管腳的排列圖、電路圖符號(hào)如下：1μA7412876543空腳正電源端輸出端調(diào)零端調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端集成運(yùn)放的電路圖符號(hào)∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+12V輸出6513724-12V調(diào)零電位器外部接線圖

2．集成運(yùn)算的主要技術(shù)指標(biāo)指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無(wú)負(fù)反饋情況下的直流差模電壓增益。集成運(yùn)放的Au0一般很高，約為104～107；集成運(yùn)放的差動(dòng)輸入電阻很高，可高達(dá)幾十千歐和幾十兆歐；由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間；（2）差模輸入電阻ri和輸出電阻r0（1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0指運(yùn)放兩個(gè)輸入端能承受的最大共模信號(hào)電壓。超出這個(gè)電壓時(shí)，運(yùn)放的輸入級(jí)將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。（3）最大共模輸入電壓Uicmax14.1.1集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)放的特點(diǎn)：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小零點(diǎn)漂移小抗干擾能力強(qiáng)可靠性高,體積小,耗電少14.1.2電壓傳輸特性集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系稱為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性u(píng)iuo+UOM-UOMAo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。uiuo_++Ao運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)例：若UOM=12V，Ao=106，則|ui|<12V時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。線性放大區(qū)14.2反饋的基本概念概念:將放大電路輸出回路的輸出信號(hào)(電壓或電流)通過(guò)某一電路或元件,部分或全部的送回輸入回路的措施稱為反饋.開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù):閉環(huán)電壓放大倍數(shù):反饋系數(shù):放大器輸出輸入取+加強(qiáng)輸入信號(hào)正反饋用于振蕩器取-削弱輸入信號(hào)負(fù)反饋用于放大器開(kāi)環(huán)閉環(huán)負(fù)反饋的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；穩(wěn)定放大倍數(shù)；提高輸入電阻；降低輸出電阻；擴(kuò)展通頻帶。反饋網(wǎng)絡(luò)±疊加反饋信號(hào)實(shí)際被放大信號(hào)反饋框圖：反饋電路的三個(gè)環(huán)節(jié)：放大：反饋：疊加：負(fù)反饋框圖：基本放大電路Ao反饋回路F+–輸出信號(hào)輸入信號(hào)反饋信號(hào)差值信號(hào)基本放大電路Ao反饋回路F+–——開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)——閉環(huán)放大倍數(shù)——反饋系數(shù)負(fù)反饋放大器的一般關(guān)系：基本放大電路Ao反饋回路F+–反饋深度定義：負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)Ao很大時(shí)，AoF>>1：結(jié)論：當(dāng)Ao很大時(shí)，負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)與晶體管無(wú)關(guān)，只與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。即負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大倍數(shù)。14.2.1反饋的分類1正反饋和負(fù)反饋2交流反饋和直流反饋3串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋4電流反饋和電壓反饋1正反饋和負(fù)反饋正反饋：輸入量不變時(shí)，引入反饋后輸出量變大了。負(fù)反饋：輸入量不變時(shí)，引入反饋后輸出量變小了。另一角度正反饋：引入反饋后，使凈輸入量變大了。負(fù)反饋：引入反饋后，使凈輸入量變小了。判別方法：瞬時(shí)極性法。即在電路中，從輸入端開(kāi)始，沿著信號(hào)流向，標(biāo)出某一時(shí)刻有關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓變化的斜率（正斜率或負(fù)斜率，用“+”、“-”號(hào)表示）。例(+)(+)(-)(-)(-)凈輸入量(+)(+)(-)(-)凈輸入量負(fù)反饋正反饋反饋通路反饋通路級(jí)間反饋通路(+)(+)(+)(+)(-)(-)凈輸入量級(jí)間負(fù)反饋反饋通路本級(jí)反饋通路2交流反饋和直流反饋根據(jù)反饋到輸入端的信號(hào)是交流，還是直流，或同時(shí)存在，來(lái)進(jìn)行判別。取決于反饋通路。例(+)(+)(+)(+)交、直流負(fù)反饋(+)交流正反饋3串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋:反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端并聯(lián)反饋:反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以并聯(lián)形式作用于凈輸入端4電流反饋和電壓反饋電壓反饋:如果反饋信號(hào)取自輸出電壓,與輸出電壓成比例電流反饋:如果反饋信號(hào)取自輸出電流,與輸出電流成比例5四種類型的反饋?zhàn)钁B(tài)1).類型由此可組成四種阻態(tài)：輸入端：反饋信號(hào)在輸入端的聯(lián)接分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。輸出端：反饋信號(hào)在輸出端分為取電壓和取電流兩種方式。電壓串聯(lián)電壓并聯(lián)電流串聯(lián)電流并聯(lián)2).四種阻態(tài)的判斷方法并聯(lián)：反饋量輸入量接于同一輸入端。接于不同的輸入端。串聯(lián)：反饋量輸入量電流：將反饋接到非輸出端。電壓：將反饋接到輸出端。14.3負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善

1提高增益的穩(wěn)定性

4減少非線性失真

2對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響

5為改善性能引入負(fù)反饋的一般原則

3展寬通頻帶五為改善性能引入負(fù)反饋的一般原則要穩(wěn)定直流量——引直流負(fù)反饋要穩(wěn)定交流量——引交流負(fù)反饋要穩(wěn)定輸出電壓——引電壓負(fù)反饋要穩(wěn)定輸出電流——引電流負(fù)反饋要增大輸入電阻——引串聯(lián)負(fù)反饋要減小輸入電阻——引并聯(lián)負(fù)反饋由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的條件虛短路放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。虛開(kāi)路運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)一、在分析信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)對(duì)運(yùn)放的處理二、分析運(yùn)放組成的線性電路的出發(fā)點(diǎn)虛短路虛開(kāi)路放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)，可以分開(kāi)分析。u+uo_++u–Ii信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路運(yùn)放線性應(yīng)用14.5基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路信號(hào)的運(yùn)算電路作用：將信號(hào)按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。i1=i2uo_++R2R1RPuii1i21.放大倍數(shù)虛短路虛開(kāi)路一、反相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。虛開(kāi)路平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2反相比例電路的特點(diǎn)：1.共模輸入電壓為0，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。3.由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小，因此對(duì)輸入電流有一定的要求。4.在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。二、同相比例運(yùn)算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電阻高。虛短路虛開(kāi)路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。虛開(kāi)路同相比例電路的特點(diǎn)：3.共模輸入電壓為ui，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。1.由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。2.由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。_++uiuo此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、電壓跟隨器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。加減運(yùn)算電路作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和或之差按比例放大。類型：同相求和和反相求和。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。一、反相求和運(yùn)算R12_++R2R11ui2uoRPui1實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。二、同相求和運(yùn)算實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2此電路如果以u(píng)+為輸入，則輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與

ui1

和ui2的關(guān)系如何？注意：同相求和電路的各輸入信號(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛開(kāi)路）3、減法運(yùn)算電路+-+ui1uoR2R1Rfu-u+R3ui2ui1單獨(dú)作用：uo1=(-Rf/R1)ui1ui2單獨(dú)作用：uo2=(1+Rf/R1)ui2R3R2+R3

uo=uo1+uo2=(1+Rf/R1)ui2-ui1R3R2+R3

RfR1ui1和ui2共同作用時(shí)：當(dāng)R2=R1

，Rf=R3

：uo=(Rf/R1)(ui2-ui1)當(dāng)R1=R2=R3=Rf

：uo=ui2-ui1

四、雙運(yùn)放的加減運(yùn)算電路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R6五、三運(yùn)放電路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開(kāi)路：三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。比例運(yùn)算電路與加減運(yùn)算電路小結(jié)

4．微分、積分運(yùn)算電路

（1）積分運(yùn)算電路ui為恒定電壓時(shí)積分電路uo的波形（2）微分運(yùn)算電路tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°運(yùn)算電路要求1.熟記各種單運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2.掌握以上基本運(yùn)算電路的級(jí)聯(lián)組合的計(jì)算。3.會(huì)用“虛開(kāi)路(ii=0)”和“虛短路(u+=u–)

”分析給定運(yùn)算電路的放大倍數(shù)。5．集成運(yùn)算放大電路的非線性應(yīng)用——電壓比較器運(yùn)算放大器處在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM。電路特點(diǎn)：1、在反相輸入端提供一個(gè)基值電壓；2、待比較信號(hào)由同相輸入端輸入；3、電路處于開(kāi)環(huán)工作方式，運(yùn)放工作在飽和區(qū)（非線性區(qū)）；4、輸出uo為二值信號(hào)；(uo=AU(ui-UR))+-+ui+-URuou-u+uiuoUR+Uom-Uom例：uiURuo-Uom+Uom基準(zhǔn)電壓UR=0時(shí)，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過(guò)零比較器。輸出端接穩(wěn)壓管限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷海瑒tui>UR時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ瑄o=0；ui<UR時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=UZ時(shí)。1、過(guò)零比較器（UR=0）+-+uiuou-u+uiuo+Uom-Uom傳輸特性例：將三角波變換為矩形波；uiURuo+Uom-Uom輸出端接雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行雙向限幅。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略正向?qū)妷?，則ui>UR時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo=－UZ；ui<UR時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿，uo=＋UZ時(shí)。電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測(cè)及波形變換等領(lǐng)域。右圖所示為用過(guò)零比較器把正弦波變換為矩形波的例子。例：已知ui波形，UZ=6V；畫出uo波形+-++-UR=2VUZuiuoRui+4v-4vuo分析：1、輸出電壓只能是

+6V或-6V；2、uo

為+6V，則運(yùn)放輸出端電壓為正，對(duì)應(yīng)輸入端應(yīng)滿足u-<u+

，即ui<2V；3、uo

為-6V，則運(yùn)放輸出端電壓為負(fù)，對(duì)應(yīng)輸入端應(yīng)滿足u->u+

，即ui>2V；u-u++2V-6V+6V14.4滯回比較器1.滯回比較器(下行)特點(diǎn):電路中使用正反饋,運(yùn)放處于非線性狀態(tài)1、因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?、當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=－++uoRR2R1uiU+－++uoRR2R1uiU+滯回比較器(下行)uoui0+Uom-UomU+HU+L設(shè)ui,當(dāng)ui=<U+L,

uo從-UOM+UOM這時(shí),uo=-UOM,U+=U+L設(shè)初始值:

uo=+UOM,U+=U+H設(shè)ui,當(dāng)ui=>U+H,

uo從+UOM-UOM傳輸特性u(píng)oui0+Uom-UomU+HU+LU+H上門限電壓U+L下門限電壓U+H-U+L稱為回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+tuiU+HU+LtuoUom-Uom例:設(shè)輸入為正弦波,畫出輸出的波形。－++uoRR2R1uiU+加上參考電壓后的滯回比較器(下行)：－++uoRR2R1uiUR上下限：uoui0U+HU+L傳輸特性+UOM-UOM例題：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。uoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiUR傳輸特性上下限：=10V=2V2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L傳輸特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L滯回比較器(下行)兩種電路傳輸特性的比較:1產(chǎn)生自激振蕩的原理改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩?；痉糯箅娐稟o反饋電路F+

–14.3正弦波振蕩電路如果：則去掉仍有信號(hào)輸出。基本放大電路Ao反饋電路F反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)?；痉糯箅娐稟o反饋電路F+

+自激振蕩條件的推導(dǎo)基本放大電路Ao反饋電路F+

–FAo=1自激振蕩的條件基本放大電路Ao反饋電路F自激振蕩的條件：因?yàn)椋核?，自激振蕩條件也可以寫成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。問(wèn)題1：如何啟振？Uo

是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。問(wèn)題2