第十章運算放大

1、 第第1010章章 集成運算放大器集成運算放大器第 10 章 集成運算放大器10.7 RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 集成集成: :它是用一定的生產工藝把它是用一定的生產工藝把晶體管、場效應管、晶體管、場效應管、二極管、電阻、電容二極管、電阻、電容、以及它們之間的以及它們之間的連線所組成的整個電路連線所組成的整個電路集成集成在一塊半導在一塊半導體基片上，封裝在一個管殼內，構成一體基片上，封裝在一個管殼內，構成一個完整的、具有一定功能的器件，也稱個完整的、具有一定功能的器件，也稱為為優(yōu)優(yōu) 點：點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕功耗小，實現(xiàn)了功耗小，實現(xiàn)了

2、元件、電路和系統(tǒng)元件、電路和系統(tǒng)的三的三結合結合電路電路集成電路的分類：集成電路的分類：模擬集成電路、數字集成電路；小、模擬集成電路、數字集成電路；小、 中、大、超大規(guī)模集成電路；中、大、超大規(guī)模集成電路；集成電路中元器件的特點集成電路中元器件的特點1. 1. 單個的精度不是很高單個的精度不是很高, ,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工藝生產出來的，上、用相同工藝生產出來的，性能比較一致性能比較一致 元器件相互離得很近元器件相互離得很近, ,溫度特性較一致溫度特性較一致3.3.電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低都不易制造都不易制造 4.4

3、.電感難于制造電感難于制造, ,電容一般不超過電容一般不超過200pF,200pF,大電容大電容不易制造不易制造 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級集成運算放大器是一種具有很高放大倍數的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模擬集成電路。模擬集成電路。集成電路分類集成電路分類模擬集成電路：模擬集成電路：數字集成電路數字集成電路:處理數字信號的電路。處理數字信號的電路。如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。如集成門電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等。 集成運算放大器、集成集成運算放大器、集成 功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集功率放大器、

4、集成穩(wěn)壓電源、集成成A/D、 D/A 等。等。在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容量大于量大于200pF的電容也比較困難，因而放大器各級之的電容也比較困難，因而放大器各級之間都采用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采間都采用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采用外接的方法。用外接的方法。（2）電路結構和參數具有對稱性）電路結構和參數具有對稱性 由于集成電路中的各個元件是通過同一工藝過程由于集成電路中的各個元件是通過同一工藝過程制作在同一硅片上，同一片內的元件參數絕對值有同制作在同一硅片上，同一片內的元件參數絕對值有同向的偏差，溫度均一性好。向的偏

5、差，溫度均一性好。（1）級間采用直接耦合方式）級間采用直接耦合方式 集成電路中的電阻是由硅半導體的體電阻構成，集成電路中的電阻是由硅半導體的體電阻構成，阻值大約為阻值大約為100 30K，且阻值精度不高，因此常常，且阻值精度不高，因此常常用晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；用晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；必須使用直必須使用直流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。（3）用有源器件代替無源器件）用有源器件代替無源器件（4）用晶體管代替二極管）用晶體管代替二極管 集成電路中的二極管都采用晶體管構成，把發(fā)集成電路中的二極管都采用晶體管構成，把發(fā)射極、基極、集電

6、極三者適當組配使用。射極、基極、集電極三者適當組配使用。中間級中間級輸入級輸入級輸出級輸出級偏置電路偏置電路輸入級：輸入級：要求輸入電阻高，差模放大倍數高，抑制要求輸入電阻高，差模放大倍數高，抑制零點漂移和共模干擾信號的能力強。采用差分放大零點漂移和共模干擾信號的能力強。采用差分放大電路。電路。中間級：中間級：要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的要求電壓放大倍數高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構成。本身還應有高的輸入電阻，共發(fā)射極放大電路構成。本身還應有高的輸入電阻，以減小對前級的影響。以減小對前級的影響。輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能與負載相接，要求輸出電阻低，帶負

7、載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。偏置電路：偏置電路：為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路構成。構成。+UCCUEEuu+輸入級輸入級中間級中間級 輸出級輸出級同相同相輸入端輸入端輸出端輸出端反相反相輸入端輸入端運算放大器內部結構運算放大器內部結構集成電路的封裝集成電路的封裝雙列直插式塑料封裝雙列直插式塑料封裝管腳數有管腳數有8 8、1010、1212、1414、1616等種類等種類金屬殼封裝金屬殼封裝管腳數有管腳數有8

8、8、1010、1212等種類等種類CF741 81723456集成運算放大器的圖形符號、引腳集成運算放大器的圖形符號、引腳凈輸入電壓凈輸入電壓 運算放大器的符號運算放大器的符號 uD uuuO Ao 同相輸入端同相輸入端 反相輸入端反相輸入端 輸出端輸出端 CF741 1 2 3 48 7 6 5運放舉例：CF74122反相輸入端反相輸入端66輸出端輸出端33同相輸入端同相輸入端44負電源端負電源端77正電源端正電源端88閑置端閑置端（NC）1 1、55接調零電位器接調零電位器+ UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO 外部接線圖外部接線圖二、二、電壓傳輸特性電壓傳輸特性

9、 uo= f (ui)運放輸入電壓和輸出電壓之間關系的特性曲線，運放輸入電壓和輸出電壓之間關系的特性曲線，稱為稱為傳輸特性傳輸特性。從圖中看到，實際運放的傳輸特。從圖中看到，實際運放的傳輸特性與理想運放比較接近。性與理想運放比較接近。線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， uo = +UOM u+ u 時，時， uo = UOM +UOM u+ u uoUOM線性區(qū)線性區(qū)實際特性實際特性 O飽和區(qū)飽和區(qū) 運放在不同區(qū)工作時的分析運放在不同區(qū)工作時的分析方法不同。方法不同。凈輸入凈輸入 信號信號xD D 輸出信號輸出信號 xO 輸入信號輸入信號 x

10、I放大電路放大電路 Ao 比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 開環(huán)放大倍數：開環(huán)放大倍數： Ao = xoxD 閉環(huán)放大倍數：閉環(huán)放大倍數： Af =xo xI 反饋系數：反饋系數： xFxo F =反饋信號反饋信號 xF 反饋電路反饋電路F反饋示意圖反饋示意圖 正反饋正反饋: xF 與與 xI 作用相同作用相同, 使使 xD 增加；增加； 負反饋負反饋: xF 與與 xI 作用相反作用相反, 使使 xD 減小。減小。 電流反饋：反饋信號取自輸出電流，電流反饋：反饋信號取自輸出電流，xF iO； 電壓反饋：反饋信號取自輸出電壓，電壓反饋：反饋信號取自輸出電壓，xF uO。 串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋: xF 與與 xI

11、以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端；以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端； 并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋: xF 與與 xI 以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。 判斷方法：瞬時極性法。判斷方法：瞬時極性法。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD uO RFiF R1R2uI iI iD RL正反饋正反饋負反饋負反饋uO RFiF R1R2uI iI iD RL輸出端短路法輸出端短路法: 令令RL= 0，此時此時 uO=0， 若若 xF = 0 則為電壓反饋，否則為電流反饋。則為電壓反饋，否則為電流反饋。輸出端開路法輸出端開路法: 令令RL=，此時，此時 iO=0， 若若 xF = 0

12、 則為電流反饋，否則為電壓反饋。則為電流反饋，否則為電壓反饋。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD 判斷方法判斷方法 電壓反饋電壓反饋電流反饋電流反饋uO RFiF R1R2uI iI iD RL Ao RF RL R R1R2 uO uI串聯(lián)反饋在輸入端是以電壓的形式出現(xiàn)的；串聯(lián)反饋在輸入端是以電壓的形式出現(xiàn)的； 并聯(lián)反饋在輸入端是以電流的形式出現(xiàn)的。并聯(lián)反饋在輸入端是以電流的形式出現(xiàn)的。 判斷方法判斷方法 并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋 uF uD 負負反反饋饋交流反饋交流反饋直流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流串

13、聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點穩(wěn)定靜態(tài)工作點RuRidoXXA ofXXF fidXXX iofXXAfXdXoXiX+ Xo/ XD1XF/ XD = xF AoFxI xD xO = Xo XDXF Xo XI | Af | = | Ao |1| F | Ao | | Af | = 1 | F | | Af | 當當|F |Ao |1，稱為深度負反稱為深度負反饋饋 | Af | 1，稱為，稱為深度負反饋深度負反饋，此時：，此時：FA1f 2f11ddAFAA2f1ddAFAAAAAFAAd11dff例例：|A|=300，|F|=0.01。7501. 030013001

14、f AFAA則則：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 則則：Auiufuduo大大略小略小略大略大略小略小略大略大 uoAF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波uiBWAFBW)1 (f無負反饋無負反饋f|Au|uiubeib+在同樣的在同樣的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。irFAr)(if 1biiiur 無負反饋時：無負反饋時：有負反饋時：有負反饋時：bfbebiifiuuiur uf+bbeiu FArri1fiifbbeiiur 無負反饋時：無負反饋時：有負反饋時：有負反饋時：fbbeiiui

15、ur ibeifiiibube+oof)1 (rAFrAFrr1oof 電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，電壓負反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。即有恒壓輸出特性，故輸出電阻降低。 電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，電流負反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。即有恒流輸出特性，故輸出電阻提高。 開環(huán)電壓放大倍數：開環(huán)電壓放大倍數：Ao 開環(huán)輸入電阻：開環(huán)輸入電阻：ri 開環(huán)輸出電阻：開環(huán)輸出電阻：ro0 共模抑制比：共模抑制比：KCMR u uuO uD 理想運放的符號理想運放的符號 uO = UOMUCC (2) 當當 uu時，時， 即即

16、uD 0 OuOuD+UOMUOM 不加反饋時，稍有不加反饋時，稍有 uD 即進入飽和區(qū)。即進入飽和區(qū)。理想運算放大器理想運算放大器的電壓傳輸特性的電壓傳輸特性iD 反饋電路反饋電路 u uuO (1) Ao uOAouD = 0 u = u (2) ri uD riiD = 0 (3) ro0 uOL= uOC 故稱為虛短路。故稱為虛短路。 故稱為虛開路。故稱為虛開路。 即輸出電壓不受負載的影響。即輸出電壓不受負載的影響。引入負反饋后的理想運放引入負反饋后的理想運放 u u+ uo F007F007運算放大器的運算放大器的正、負電源電壓為正、負電源電壓為15V15V，開環(huán)電壓放，開環(huán)電壓放大

17、倍數大倍數AU0=2 105, ,輸出最大電壓（即輸出最大電壓（即 Uo(sat)為為13V。mVtuuiwsin5Vu0ouVu(mV),tu0sin5wVUuVuuVUuVuusatoosatoo130130)()(時，時，mVtuuiwsin5Vu0ouVu(mV),tu0sin5wVUuVuuVUuVuusatoosatoo130130)()(時，時，tuituo+Uo(sat)Uo(sat) 集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進器件等構成閉環(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、

18、反行比例、加法、減法、微分、積分、對數、反對數、乘法和除法等運算。對數、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度負反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和關系基本決定于反饋電路和輸入電路的結構和參數，而與運算放大器本身的參數關系不大。參數，而與運算放大器本身的參數關系不大。改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以改變輸入電路和反饋電路的結構形式，就可以實現(xiàn)不同的運算。實現(xiàn)不同的運算。1i1RuuiFofRuui （1）電路組成）電路組成 以后如不加說明，輸入、以

19、后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地輸出的另一端均為地( )。（2）電壓放大倍數）電壓放大倍數因因虛短虛短, 所以所以u=u+= 0，稱反相輸入端稱反相輸入端“虛虛地地” 反相輸入的重要反相輸入的重要特點特點因因虛斷，虛斷，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u+、 u 對對地電阻相同，地電阻相同， 所以所以平衡電阻平衡電阻 R2 = R1 / RF1iofuuAu例：例：電路如下圖所示，已知電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求：求：1. Auf 、

20、R2 ； 2. 若若 R1不變，要求不變，要求Auf為為 10，則，則RF 、 R2 應為應為 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ uoRFuiR2R1+ ou(mV)6280sintuimVtRRuRRu6280sin1Fi1Fotuo-RF/R1RF / R1tui11o

21、F11uRRRu 因因虛斷，虛斷，所以所以u+ = ui i1Fo)1(uRRu （1）電路組成）電路組成（2）電壓放大倍數）電壓放大倍數1Fiof1RRuuAu uoRFuiR2R1+ 因因虛短，虛短，所以所以 u = ui ，反相輸入端不反相輸入端不“虛地虛地” 因要求靜態(tài)時因要求靜態(tài)時u+、u 對地對地電阻相同，電阻相同， 所以所以平衡電阻平衡電阻R2=R1/RFu+u 當當 R1= 且且 RF = 0 時，時，uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1+ 由運放構成的電壓跟由運放構成的電壓跟 隨器隨器輸入電阻高、輸出輸入電阻高、輸出 電阻低，

22、電阻低，其跟隨性能比其跟隨性能比 射極輸出器更好。射極輸出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例例1：11RuioiFuVuKRKRKRKR求1,18,2,10,2321FOFRuuiFOFRuuRuii11uRRRuFo11uuoiuuRRRu323iFuRRRRRR3231111Ruii)1 (,4314RRRRuuARRFioufF試證：uoRFuiR25R1+ R4R3FFRui4Fi4u+4444RRiRuiFF4i41RRRuFi3i14143RuRRRuiiiiFiF1314143)(RuRRRuRRRuuuuiFiFioiFFuRRRRRR) 1

23、(3431) 1(4314RRRRARRFufFiFouRRu11uoRFuiR2R1+ R/2R+ R電路第一級的輸出電路第一級的輸出uo1，第一級為反相比例電路，有：，第一級為反相比例電路，有：電路第二級也為反相比例電路電路第二級也為反相比例電路iFoouRRuRRu112iFoooouRRuuuu121222 例例 10.5.1 應用運放來測量電阻的原理電路如圖所示，應用運放來測量電阻的原理電路如圖所示， 其中其中 uI =U = 10V，輸出端接有滿量程為輸出端接有滿量程為 5V 的電壓表，被的電壓表，被測電阻為測電阻為Rx。(1) 試找出被測電阻的阻值試找出被測電阻的阻值Rx與電壓表

24、讀數之與電壓表讀數之間的關系；間的關系；(2)若使用的運放為若使用的運放為CF741型，為了擴大測量電阻型，為了擴大測量電阻的范圍，將電壓表量程選為的范圍，將電壓表量程選為 50V是否有意義？是否有意義？解解 (1) uO Rx R1uI U V 05V1M 10Vx 1uO = uI 1 uIx = uO 106 10 = uO =105 uO 電壓表讀數電壓表讀數 uO V 12345被測電阻值被測電阻值 Rx 1052105310541055105所以所以: (2) 查附錄可知，查附錄可知，CF741 型集成運放的最大輸出電壓為型集成運放的最大輸出電壓為 13 V，超出此值時輸入與輸出不

25、再有線性關系，超出此值時輸入與輸出不再有線性關系， 所以，選用所以，選用 50 V 量程的電壓表是沒有意義的。量程的電壓表是沒有意義的。 因因虛短虛短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故故得得 平衡電阻：平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虛斷虛斷，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if )(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2單獨作用時單獨作用時 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F

26、o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+：)(i21ouuui -3tui2 3tui1t-33ui2uoRFui1R12R11+ R2+：910uoui1+ + k1k10k10k5ui2k2ui3k10k1 . 111o110110iiuuu第一級為反相比例電路第一級

27、為反相比例電路第二級為反相加法電路第二級為反相加法電路321321o5210)2105101010(iiiiiouuuuuuu由虛斷可得：由虛斷可得：2i3 23uRRRu 由虛短可得：由虛短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 則：則： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 則則：R2 / R3 = R1 / RF輸出與兩個輸入信號的差值成正比。輸出與兩個輸入信號的差值成正比。1 i1F2i3231Fo)1 (uRRuRRRRRu1F1o1 i1 i RRRuuu1R1 i uu

28、u例例1 1：圖示是集成電路的串級應用，試求輸出電壓：圖示是集成電路的串級應用，試求輸出電壓ouR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui2i2u ui1i1R R2 2R R1 1R RF Fu uo oA A1 1A A2 2A1A1是電壓跟隨器，是電壓跟隨器，i1o1uuA2A2是減法運算電路，是減法運算電路，o11Fi21Fo1uRRuRRui11Fi21F1uRRuRR例題例題2. R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V， ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo_+ + R2R1R1R2ui1_+ + ui2_+ + R2R1RPuo=

29、 (uo2- uo1)=(20/10)3-(-1) =8VR2R1uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V：1111o1)11 ()1 (iiuKuRKRu第一級為同相比例電路第一級為同相比例電路uoui1+ + 1RKR /12Rui22KR第二級為減法電路第二級為減法電路21222122o)1 ()11 ()1 (iiiouKuKKuRKRuRKRu)(1 ()1 ()1 (1221iiiiuuKuKuKuoui1+ + 1RKR /12Rui22KRui2uoRFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui4ui2uo1RFui1R3R21+ R12R11R2

30、2ui3ui4ui2uo2RFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui41111iFouRRu2122iFouRRuui2uo4RFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui4ui2uo3RFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui431211322213223)/1 (/iFouRRRRRRRRu41211321223214)/1 (/iFouRRRRRRRRu4321ooooouuuuu 例例 10.5.2 如圖為兩級運放組成的電路，如圖為兩級運放組成的電路，已知已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求，求 uO。uI1uI2uI3

31、 + uO 30 k 30 k 30 k 10 k 10 k 10 k 10 k 10 k F1 12 F1 11uO1=( uI1 uI2 )第一級為加法運算電路：第一級為加法運算電路： 解解第二級為減法運算電路：第二級為減法運算電路： R5R4 + R5RF2R3 (1 ) uI3 F23 uO1 uO= = 0.3 V= 0.6 V 由虛短及虛斷性質可得由虛短及虛斷性質可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1otuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt cuuo tUCRud