電子技術(shù)16章集成運(yùn)算放大器

第16章集成運(yùn)算放大器16.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.4

運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用16.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用11.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)算電路的工作原理；4.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。本章要求第16章集成運(yùn)算放大器2§16.1集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在一個(gè)半導(dǎo)體基片上。集成電路:優(yōu)點(diǎn):工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。分類:模擬集成電路、數(shù)字集成電路小、中、大、超大規(guī)模集成電路

INTEGRATEDCIRCUITS3集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。2、電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件代替或外接。3、幾十PF以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。4、二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。IC4各類型號(hào)集成芯片5

集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框圖6盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高KCMRR,

輸入阻抗ri盡可能大。-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：輸入級(jí)7足夠大的電壓放大倍數(shù)-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)中間級(jí)8主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io

，輸出阻抗ro小。-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)9

ri

高:幾十k

M

運(yùn)放的特點(diǎn)：KCMRR很大

ro

?。簬资?/p>

~幾百

Ao很大:104以上~107理想運(yùn)放：

ri

KCMRR

ro

0Ao

運(yùn)放符號(hào)：＋－u－u+uo運(yùn)放的特點(diǎn)和符號(hào)－＋＋

u－

u+

uo

10運(yùn)算放大器的傳輸特性u(píng)iuo+UOM-UOM

ui_+

+A0uoAo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)。11集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳

765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出12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(kāi)環(huán)差模電壓增益Auo

運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。

6.共模輸入電壓范圍UICM

運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)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IIB1316.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用集成運(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(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)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(shí)，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。14運(yùn)放線性運(yùn)用信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路_+

+A0放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)，可以分開(kāi)分析。虛短路虛斷路1516.2.1比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算(1)電路組成

以后如不加說(shuō)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(píng)–=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+所以i1

if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

16

(5)電壓并聯(lián)負(fù)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(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i

加在反相輸入端。

(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)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”。17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

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)

10=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uORFuiR2R1++––++

–

182.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u(píng)+=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(shí)u+、u

對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

u+u–19

(5)電壓串聯(lián)負(fù)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?yàn)閡i

加在同相輸入端。

(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)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。20當(dāng)R1=

且RF

=0時(shí)，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(gè)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(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

例：21負(fù)載電流的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。例2:負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路(1)能測(cè)量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小。流過(guò)電流表的電流IGUxR2R1+–++

–

iLi1RLuiR2R1+–++

–

2216.2.2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

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

232.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(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–24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+–2516.2.3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(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。常用做測(cè)量放大電路26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+–++––2716.2.4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(shí)，則有28若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)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(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–Ui29

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。uoCFuiR2R1++––++

–

RF3016.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++

–

31uoC1uiR2RF++––++

–

R1比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。—PD調(diào)節(jié)器ifiRiC3216.3.3

電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)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(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。16.3運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用33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+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，uo

=–Uo

(sat)

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u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)34電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)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(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo

=–

Uo

(sat)可見(jiàn)，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。參考電壓35uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，uo

只變化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR36ui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR37URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t238輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ

–UZ電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––39過(guò)零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O402.滯回比較器上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當(dāng)uo=+Uo(sat)，則當(dāng)uo

=–Uo(sat)，則門限電壓受輸出電壓的控制R2－

－uoui++

–

R1+–+–41上門限電壓U'+

：ui

逐漸增加時(shí)的門限電壓下門限電壓U"+：ui

逐漸減小時(shí)的門限電壓uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性u(píng)itOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFuoui++

–

R1+–+–42根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動(dòng)。可見(jiàn)：傳輸特性不再對(duì)稱于縱軸，+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當(dāng)參考電壓UR不等于零時(shí)43定義：回差電壓與過(guò)零比較器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.改善了輸出波形在躍變時(shí)的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，

U越大，抗干擾能力越強(qiáng)。結(jié)論：1.調(diào)節(jié)RF

或R2

可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門限電壓，但不影響回差電壓

U。電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測(cè)、自動(dòng)控制、超限控制報(bào)警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用。44解：對(duì)圖（1）

上門限電壓

下門限電壓例：電路如圖所示，

Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k

，R2=10k

，求上、下門限電壓。（1）R