電工與電子技術(shù)第三章-集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

第三章集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

第一節(jié)

直接耦合放大器

第二節(jié)差動(dòng)放大電路

第三節(jié)集成放大器簡(jiǎn)介

第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電路中的應(yīng)用

第五節(jié)放大電路中的負(fù)反饋

第六節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用作業(yè)返回第一節(jié)直接耦合放大器級(jí)與級(jí)之間不經(jīng)電抗元件而直接連接的方式，稱(chēng)為直接耦合。UCC

零點(diǎn)漂移---當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端電壓偏離原來(lái)的起始電壓緩慢地?zé)o規(guī)則的上下漂動(dòng)，這種現(xiàn)象叫零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因---溫度變化、電源電壓的波動(dòng)、電路元件參數(shù)的變化等等。第一級(jí)產(chǎn)生的零漂對(duì)放大電路影響最大。各級(jí)工作點(diǎn)相互影響適于放大直流或變化緩慢的信號(hào)電壓放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)之積零點(diǎn)漂移第二節(jié)差動(dòng)放大電路

基本差動(dòng)放大電路

典型差動(dòng)放大電路

具有恒流源的差動(dòng)放大電路

差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式一、基本差動(dòng)放大電路電路由兩個(gè)特性完全相同的基本放大電路組成。1.抑制零點(diǎn)漂移的原理靜態(tài)時(shí)，Ui1=Ui2=0，由于電路對(duì)稱(chēng)RCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2ui＋UCCuoV1V2溫度上升，引起兩邊電流變化由于電路對(duì)稱(chēng)，零漂被抑制。2.動(dòng)態(tài)工作原理差模信號(hào)－－極性相反，幅值相同的信號(hào)。

u

i1=－u

i2

共模信號(hào)－－極性相同，幅值相同的信號(hào)。

ui1=ui2差模輸入（信號(hào)）共模輸入（干擾信號(hào)）差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)有放大作用，對(duì)共模信號(hào)有抑制作用。共模、差模同時(shí)輸入若電路完全對(duì)稱(chēng)，AC＝0，只有差模信號(hào)輸出，若電路不完全對(duì)稱(chēng)，AC≠0，既有差模信號(hào)又有共模信號(hào)輸出。二、典型差動(dòng)放大電路加入射極公共電阻RE（共模反饋電阻）可以克服電路不完全對(duì)稱(chēng)引起的零漂。負(fù)電源EE的作用是補(bǔ)償RE上的電壓降，從而保證兩管有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。RCRCRB1RB1RPREEE－＋＋UCCui1ui2uiuoV1V2To↑IC1↑IC2↑IE↑UE↑UBE1↓UBE2↓IB1↓IB2↓IC1↓IC2↓

RE能夠抑制零漂、共模信號(hào)，對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響。且RE越大，抑制作用越強(qiáng)。但EE也需增大。

RP為調(diào)零電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)平衡。一般取值不大。KCMR是衡量放大信號(hào)的能力的技術(shù)指標(biāo)。

Ad:差模放大倍數(shù)；AC:共模放大倍數(shù)KCMR越大，抑制共模信號(hào)越強(qiáng)。共模抑制比（KCMR）RL′=RC//(RL/2)接入負(fù)載電阻RL電路分析靜態(tài)時(shí)流過(guò)RE電流=IE1+IE2=2IE動(dòng)態(tài)時(shí)由于RE對(duì)差模信號(hào)無(wú)影響。忽略RP的影響KCMR是衡量放大信號(hào)的能力的技術(shù)指標(biāo)。

Ad:差模放大倍數(shù)；AC:共模放大倍數(shù)KCMR越大，抑制共模信號(hào)越強(qiáng)。共模抑制比（KCMR）差模輸入電阻rid≈2(RB1+rbe)忽略RP輸出電阻rO＝2RC三、具有恒流源的差動(dòng)放大電路RCRCRB1RB1RP＋UCCuoV1V2－UEERRR1R2RE3V3ui

R1、R2提供穩(wěn)定的iB

，晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，iC近似恒定。rCE≈∞。ui1ui2V3、RE3、R1、R2組成具有恒流源特性的電路。電路采用恒流源代替RE，其等效電阻大，抑制共模信號(hào)、零漂能力強(qiáng)，又不需要過(guò)大的負(fù)電源UEE?！穑璘EEui○○uO四、差動(dòng)放大電路的輸入輸出方式雙端輸入、雙端輸出的差動(dòng)電路單端輸入、雙端輸出的差動(dòng)電路輸入差模信號(hào)近似均勻的分布在兩個(gè)管子上主要技術(shù)指標(biāo)與雙入雙出一致。RB1單端輸出只取自一個(gè)管子的集電極變量。依對(duì)稱(chēng)性：rO＝RC○uO單端輸入、單端輸出的差動(dòng)電路RB1＋UCC○RCRC雙端輸入、單端輸出的差動(dòng)電路第三節(jié)集成放大器簡(jiǎn)介

集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹

集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

集成運(yùn)算放大器的理想化模型

集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點(diǎn)一、集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成電路：將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成完整的能完成特定功能的電子電路。運(yùn)算放大器：具有高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大器。二、集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹1.集成運(yùn)放的組成差動(dòng)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸入輸出抑制零漂，共模抑制比高低輸出電阻，多采用射隨器放大作用的主要單元提供各級(jí)靜態(tài)電流2.集成運(yùn)放的管腳圖及符號(hào)F007管腳圖

F741（F007）12348765符號(hào)A---反相輸入端B---同相輸入端F---輸出端

AV－＋u+u－uoABF＋信號(hào)從反相輸入端輸入時(shí)，輸出與輸入相位相反。信號(hào)從同相輸入端輸入時(shí)，輸出與輸入相位相同。三、集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1.輸入失調(diào)電壓UiO

當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，為使輸出的電壓值為零，在輸入端加入的補(bǔ)償電壓。其值越小越好（0.5～5mV）2.輸入失調(diào)電流IiO

輸入電壓為零時(shí)，流入放大器兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差。

IiO＝IB1－IB2

其值越小越好（1nA~10nA）3.開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)Auo

運(yùn)放在開(kāi)環(huán)時(shí)的差模放大倍數(shù)其值越高越好（104～107）5.最大輸出電壓Uopp

輸出不失真的最大輸出電壓值6.共模抑制比KCMR

F741通用型集成運(yùn)放

F324通用型單電源四運(yùn)放

AD547低溫漂精密運(yùn)放

OP07低輸入失調(diào)電壓精密運(yùn)放AD744高速運(yùn)放常用集成運(yùn)放芯片四、集成運(yùn)算放大器的理想化模型實(shí)際運(yùn)放

u+u－uoriroAOUiuiAO很高，>104ri很高，幾十~幾百KΩrO很低，幾十~幾百ΩKCMR很高理想運(yùn)放

u+u－uoAOUiuiAO＝∞r(nóng)i=∞ rO=0KCMR＝∞五、集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性及其分析特點(diǎn)運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性集成運(yùn)放的輸出電壓uO與輸入電壓ui

(u+－u－)之間的關(guān)系uO＝f(ui)稱(chēng)為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性。uOui+UOM－UOMuO＝AO

ui

=AO(u+－u－)

ui

<|UiM|

，

運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)線(xiàn)性區(qū)非線(xiàn)性區(qū)ui

>|UiM|

，運(yùn)放飽和，工作在非線(xiàn)性區(qū)線(xiàn)性區(qū)引入深度負(fù)反饋，可以使運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。

∞－＋uo＋ud反饋電路開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：不加反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電路系統(tǒng)，此時(shí)的放大倍數(shù)叫開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。uOui+UOM－UOM理想運(yùn)放的電壓傳輸特性u(píng)i≠0，|uO|＝±UOM即u+≠

u－時(shí)，運(yùn)放處于非線(xiàn)性區(qū)。閉環(huán)系統(tǒng)：加上反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電路系統(tǒng)，此時(shí)的放大倍數(shù)叫閉環(huán)放大倍數(shù)。運(yùn)算放大器的分析特點(diǎn)1.線(xiàn)性區(qū)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓通常非常接近于零，但不是短路，故簡(jiǎn)稱(chēng)為“虛短”。虛短

uO＝AO（u＋－u－）

AO≈∞u＋－u－≈uo／AO≈0u＋≈u－當(dāng)u＋＝0（接地）u

－≈

u

＋≈0

稱(chēng)此時(shí)的反相輸入端為“虛地點(diǎn)”。反之，也成立。

u+u－uoAOUiui虛斷流入集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流通常為零，但又不是斷路故簡(jiǎn)稱(chēng)為“虛斷”?！遰i≈∞ I－≈I+≈02.非線(xiàn)性區(qū)在非線(xiàn)性區(qū)，虛短概念不成立，但虛斷概念成立。

u+I－uoAOUiu－I+例：利用理想運(yùn)放組成的二極管檢測(cè)電路，求出流過(guò)D的電流iD

及D兩端的電壓uD。

∞－＋uo＋ui15V1.5KΩ－0.67VDiDiRi＋i

－解：虛地點(diǎn)第四節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算電路中的應(yīng)用

分析線(xiàn)性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念

基本運(yùn)算電路一、分析線(xiàn)性區(qū)理想運(yùn)放的兩個(gè)概念虛短u＋≈u－I－≈I+≈0虛斷

u+I－uoAOUiu－I+二、基本運(yùn)算電路比例電路

∞－＋uo＋uiifi1R1R2Rf1.反相比例電路

∵i+≈0（虛斷）∴u

+＝0

u

+≈u

－≈0（虛地點(diǎn)）

i1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f即ui/R1=－uo/

Rf

uo、ui

符合比例關(guān)系，負(fù)號(hào)表示輸出輸入電壓變化方向相反。電路中引入深度負(fù)反饋，閉環(huán)放大倍數(shù)Auf與運(yùn)放的Au無(wú)關(guān)，僅與R1、Rf

有關(guān)。

R2－－平衡電阻同相端與地的等效電阻。其作用是保持輸入級(jí)電路的對(duì)稱(chēng)性，以保持電路的靜態(tài)平衡。

R2＝R1//Rf當(dāng)R1＝Rf

時(shí)，uo＝－ui

，該電路稱(chēng)為反相器。2.同相比例電路

∞－＋uo＋ifi1uiR2R1Rf

∵i+≈0（虛斷）∴u

+＝ui

u

+≈u

－≈ui

（虛短）

i1=（0－ui）／R1if=(u－－uo

)／Rf

=(ui－uo)／Rf

∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i

f當(dāng)Rf＝有限值時(shí)，R1＝∞

∞－+uo＋ui

R2－－平衡電阻

R2＝R1//RfAuf=1→電路成為電壓跟隨器。

uo＝ui此電路輸入電阻大，輸出電阻小。例：應(yīng)用運(yùn)放來(lái)測(cè)量電阻的電路如圖，U＝10V，R1=1MΩ，輸出端接電壓表，被測(cè)電阻為Rx，試找出Rx與電壓表讀數(shù)uo之間的關(guān)系。Rx

∞－＋＋R1－＋U－＋V解:此電路為反相比例電路例：理想化運(yùn)放組成的電路如圖，試推算輸出電壓uo的表達(dá)式。

∞－＋uo＋uiR1R3R2R4u+解:此電路為同相比例電路判斷這個(gè)等式、×√啊，見(jiàn)鬼了!哈，verygood!例：圖示電路為T(mén)型反饋網(wǎng)絡(luò)的反相比例電路，試推算輸出輸入之間的關(guān)系。

∞－＋uo＋uii2i1R1RR2R3R4i4i3Mu

+≈u

－≈0（虛地點(diǎn)）∵i

－≈i

+＝0∴i

1＝i2=ui／R1解:此電路只在要求放大倍數(shù)較大、輸入電阻較高和避免阻值過(guò)高時(shí)才采用。加法運(yùn)算電路uo

∞－＋＋ui2ifi2R2RPRfui3i3R3ui1i1R1在調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻的阻值時(shí)，不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。求和電路也可從同相端輸入，但同相求和電路的共模輸入電壓較高，且不如反相求和電路調(diào)節(jié)方便。減法運(yùn)算電路（差動(dòng)運(yùn)算電路）

∞－＋uo＋ui2ifi1R1R2Rfui1R3利用疊加原理同相端輸入ui1反相端輸入當(dāng)R1=R2=R3=Rf

=R時(shí)，uo=ui2－ui1(減法器）R2//R3=

R1//

Rf

例：用運(yùn)放組成的直流毫伏表電路如圖所示，設(shè)表的內(nèi)阻可忽略，試求IO與VS的關(guān)系。

∞－＋VO＋VSI2I1R1R1mAI0I解:電路實(shí)為反相比例電路RVO=－VSI1=I2(虛斷）IO=I－I2=VO/R－VS/R1I=VO/RI1=I2=VS/R1=－VS(1/R+1/R1)例：已知RF＝4R1，求u0與ui1、ui2的關(guān)系式。

A1－+＋ui1

A2－＋uo＋ui2R1R2RFuo′解:A1為跟隨器；A2為差放。uo′=ui1uo＝5ui2－4ui1例：如圖，求uo

與ui1、ui2的關(guān)系式。

A1－+＋ui1

A2－＋uo＋ui210KΩuo′10KΩ30KΩ10KΩ6KΩ解:A1為反向加法器；A2為反相比例電路。例：如圖，求uo

。

A1－

+＋

A3－＋uo＋100Kuo150K80K20K

A2－

+＋12K50K100K12K11K30K60Kuo2－0.3V0.4V

A1：反相比例

A2：同相比例

A3：差動(dòng)輸入解：積分電路

∞－＋uo＋uiiCi1RRPCuituOt－UOMuo正比于ui的積分延遲積分電路的應(yīng)用uitUuOtT－U信號(hào)延遲時(shí)間T后，電壓值達(dá)到U方波轉(zhuǎn)化為三角波uituOt微分電路iR

∞－＋＋uiRRPCiCuouo正比于ui的微分uituOt例：電路如圖，已知運(yùn)放±UOMAX=±10V，輸入信號(hào)波形如圖，R＝1MΩ，C＝0.05μF，求輸出波形。（電容初始能量為零）

∞－＋＋uiRRPCuoui

/vt/s1－1RC=1×106×0.05×10－6=0.05Su0=

UOMAX＝－10=－20tt=0.5SuO/vt/s－100.5解:例：電路如圖所示，已知R1=R2=10KΩ,C=0.1μF,集成運(yùn)放±UOmax=±18V,求：

試導(dǎo)出uo與u1、u2關(guān)系式；

已知u1、u2波形，試畫(huà)出uo波形。

∞－＋＋u1R1RCuou2R2t=10ms=－15Vt=20msu0=－10Vu1/vt/ms1－0.50.5t/ms10102020u2/vu0/vt/ms－1510

20－10－12例:已知運(yùn)放±UOMAX=±15V試求圖中uo1、uo2、uo3及開(kāi)關(guān)S閉合0.2s后uo的值。

A1－+＋－2Vuo1

A2－＋uo2＋0.5VR10KΩ10KΩ10KΩ20KΩ

A3－＋＋uo3R20KΩ

∞－＋＋Ruo1μF10KΩS解:輸出電壓超出UOMAX，∴uo=－15V第五節(jié)放大電路中的負(fù)反饋

反饋的基本概念

負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響一、反饋的基本概念正反饋：輸入量不變，輸出量由于加反饋而變大。負(fù)反饋：輸入量不變，輸出量由于加反饋而變小。反饋：指將輸出量的一部分或全部按一定方式送回到輸入回路來(lái)影響輸入量的一種連接方式。放大電路反饋電路輸出信號(hào)反饋信號(hào)輸入信號(hào)比較環(huán)節(jié)凈輸入信號(hào)負(fù)反饋的分類(lèi)電壓負(fù)反饋--反饋信號(hào)取自輸出電壓,反饋信號(hào)與輸出電壓成比例;電流負(fù)反饋--反饋信號(hào)取自輸出電流,反饋信號(hào)與輸出電流成比例;串聯(lián)負(fù)反饋--反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以串聯(lián)的形式作用與輸入端；并聯(lián)負(fù)反饋--反饋信號(hào)與輸入信號(hào)以并聯(lián)的形式作用與輸入端。串聯(lián)電流負(fù)反饋電壓并聯(lián)二、負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響電壓放大倍數(shù)被降低電路加入負(fù)反饋，使凈輸入信號(hào)減小，等于削弱了輸入信號(hào)，使得放大倍數(shù)減小。

增加放大倍數(shù)的穩(wěn)定性電路加入負(fù)反饋，放大倍數(shù)被降低的同時(shí)，也使由于溫度、負(fù)載、元器件等條件變化而引起的放大倍數(shù)的變化大大減小，放大倍數(shù)的穩(wěn)定性得到提高。

擴(kuò)展通頻帶|A|fBOBF電路加入負(fù)反饋，通頻帶由BO加寬到BF。

減小非線(xiàn)性失真電路加入負(fù)反饋，使凈輸入信號(hào)減小，iC減小，改善了非線(xiàn)性失真。

串聯(lián)負(fù)反饋增加輸入電阻，并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻。電壓反饋能穩(wěn)定輸出電壓，減小輸出電阻；電流反饋能穩(wěn)定輸出電流，增加輸出電阻。

抑制干擾和噪聲放大電路反饋電路加入負(fù)反饋的電路，以降低放大倍數(shù)為代價(jià)，換來(lái)了放大器諸多方面性能的改善。第六節(jié)集成運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用電壓比較器運(yùn)放的非線(xiàn)性應(yīng)用非線(xiàn)性應(yīng)用電路具有兩種類(lèi)型，一類(lèi)是運(yùn)放本身工作在非線(xiàn)性狀態(tài)，如開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)。另一類(lèi)是運(yùn)放本身工作在線(xiàn)性狀態(tài)，由外部電路中引入了非線(xiàn)性元件，使輸出與輸入不再是線(xiàn)性關(guān)系。一、電壓比較器過(guò)零比較器比較器是一種用來(lái)比較輸入信號(hào)Ui和參考電壓UR的電路。

∞－＋＋uiRRPuouOui+UOM－UOMu+≠

u－時(shí)，即ui≠0，uO＝±UOMui

<0正飽和uO＝+UOM

ui

>0負(fù)飽和uO＝－UOM

uOui+UOM－UOM若ui為正弦波uituOt－UOM+UOMu0為方波關(guān)于UOM—飽和電壓

UOM→UCC

任意電平比較器限幅措施

∞－＋＋uiRRPuoUZui

<0正飽和uO＝+(UZ+UD)ui

>0負(fù)飽和uO＝－(UZ+UD)uOui+UZ－UZui

<UR

正飽和uO＝+UZui

>UR

負(fù)飽和uO＝－UZ

uOui+UZ－UZUR

∞－＋＋uiR1R2uoUZUR常用集成比較器LM311電壓比較器12348765+－+V+GNDV－比較器的特點(diǎn)及分析方法比較器中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)，輸入與輸出之間成非線(xiàn)性關(guān)系，因此虛短等深度負(fù)反饋概念不再適用，僅在判斷臨界狀態(tài)時(shí)才適用。uT=UR—臨界電壓，可稱(chēng)為門(mén)檻電平

ui=UT時(shí)，u+=u－，uo=0在ui>UT和