第2章集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)

1、第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)12.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、模型和電壓傳輸特性集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、模型和電壓傳輸特性集成運(yùn)算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。集成運(yùn)算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。同相輸入端：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；同相輸入端：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；反相輸入端：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。反相輸入端：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。2.1.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)集成運(yùn)算放大器的符號(hào)第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)22.1.2集成運(yùn)算放大器的模型集成運(yùn)算放大器的模

2、型uid = = ui+ + - - ui- -：差模輸入電壓；：差模輸入電壓；Auo：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)；：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)；Ri：輸入電阻；：輸入電阻；Ro：輸出電阻。：輸出電阻。Ri Ro0Auo Ii+= = Ii- -0理想化條件理想化條件虛斷路虛斷路Ui+ Ui- -0虛短路虛短路第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)32.1.3集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性線性放大區(qū)：線性放大區(qū)：uo = = Auo(ui+ + - - ui- -) = Auouid“虛短路虛短路”：Auo uid 0限幅區(qū)：限幅區(qū)：uo = = UCC

3、 或或 UEE，uid 可以較大，不再可以較大，不再“虛短路虛短路”。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)4+-=iiiduuu反相電壓傳輸特性反相電壓傳輸特性差模電壓定義反相差模電壓定義反相第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)52.2擴(kuò)展線性放大范圍擴(kuò)展線性放大范圍引入深度負(fù)反饋引入深度負(fù)反饋反相輸入組態(tài)反相輸入組態(tài)負(fù)反饋：將反饋信號(hào)引向反相輸入端，使反饋信號(hào)抵消部分輸入信號(hào)，保負(fù)反饋：將反饋信號(hào)引向反相輸入端，使反饋信號(hào)抵消部分輸入信號(hào)，保證在輸入信號(hào)較大時(shí)，證在輸入信號(hào)較大時(shí)，uid仍然很小，在仍然很小，在“虛短路虛

4、短路”范圍內(nèi)，從而使集成運(yùn)范圍內(nèi)，從而使集成運(yùn)算放大器工作在線性放大區(qū)。算放大器工作在線性放大區(qū)。0211212211212+ +- -+ += =+ + + += =|u|RRRuRRRuRRRuRRRuoioiid第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)6同相輸入組態(tài)同相輸入組態(tài)0211+ +- -= =OiiduRRRuu可以保證運(yùn)放工作在線性區(qū)可以保證運(yùn)放工作在線性區(qū)結(jié)論：結(jié)論：反饋引向同相輸入端為正反饋，反饋引向反相輸入端為負(fù)反饋反饋引向同相輸入端為正反饋，反饋引向反相輸入端為負(fù)反饋若將反饋引向同相輸入端，產(chǎn)生正反饋。（若將反饋引向同相輸入端，產(chǎn)生正反

5、饋。（22頁(yè)思考題）頁(yè)思考題）第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)72.3由集成運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路由集成運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路2.3.1比例運(yùn)算放大器比例運(yùn)算放大器121RRuuAiouf+ += = =1.同相比例運(yùn)算放大器同相比例運(yùn)算放大器0211+ +- -= =OiiduRRRuu串聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)8121RRuuAiouf+ += = =同相比例放大器的特點(diǎn)：同相比例放大器的特點(diǎn)：(1) 信號(hào)從同相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；信號(hào)從同相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信

6、號(hào)同相；(2) U+ = U- 0，反相端和同相端電壓相等，即，反相端和同相端電壓相等，即“虛短路虛短路”；(3) 閉環(huán)放大倍數(shù)大于等于閉環(huán)放大倍數(shù)大于等于1，可以設(shè)計(jì)成電壓跟隨器。，可以設(shè)計(jì)成電壓跟隨器。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)9(4) 閉環(huán)輸入阻抗進(jìn)一步增大，趨向于理想條件，即閉環(huán)輸入阻抗進(jìn)一步增大，趨向于理想條件，即Rif ；(5) 閉環(huán)輸出阻抗進(jìn)一步減小，也趨向于理想條件，即閉環(huán)輸出阻抗進(jìn)一步減小，也趨向于理想條件，即Rof 0。因?yàn)橐M(jìn)電壓負(fù)反饋，輸出電壓因?yàn)橐M(jìn)電壓負(fù)反饋，輸出電壓uo更加穩(wěn)定，受負(fù)載變化的影響更加穩(wěn)定，受負(fù)載變化的影

7、響更小，說(shuō)明更小，說(shuō)明Rof進(jìn)一步減小，更加趨向于理想化條件。進(jìn)一步減小，更加趨向于理想化條件。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)10【例【例 2.3.1】電壓跟隨器的隔離】電壓跟隨器的隔離 ( (緩沖緩沖) ) 作用。作用。有一內(nèi)阻有一內(nèi)阻 Rs = = 100 k 的信號(hào)源，為一負(fù)載（的信號(hào)源，為一負(fù)載（RL = = 1 k ）提供電流）提供電流和電壓。一種方案是將它們直接和電壓。一種方案是將它們直接相連，如相連，如(a) 所示所示 ；另一種方案是在；另一種方案是在信號(hào)源與負(fù)載之間插入一級(jí)電壓跟隨器信號(hào)源與負(fù)載之間插入一級(jí)電壓跟隨器 ( 如如(b) 所

8、示所示) 。試分。試分析兩種析兩種方案負(fù)載方案負(fù)載 RL 所得到所得到的電壓的電壓 uL 和電流和電流 iL 。直接連接：信號(hào)衰減很多；直接連接：信號(hào)衰減很多；加電壓跟隨器：信號(hào)能不衰減地傳輸?shù)截?fù)載。加電壓跟隨器：信號(hào)能不衰減地傳輸?shù)截?fù)載。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)111)閉環(huán)增益與電壓傳輸特性閉環(huán)增益與電壓傳輸特性2.反相比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算放大器0-=fiiIIIfiII = =0= = =+ +- -UU11RURUUIiii - -= =- -22RURUUIOOf- - - -= =- -21RURUIIOifi- -= = = =

9、12RRUUAiOuf- -= = =并聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)122)閉環(huán)輸入電阻閉環(huán)輸入電阻(1) 信號(hào)從反相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；信號(hào)從反相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；反相比例放大器的特點(diǎn)：反相比例放大器的特點(diǎn)：(2) U-=U+= 0，因?yàn)橥喽穗妷簽榱?，因?yàn)橥喽穗妷簽榱? 接地接地) ，所以反相端呈現(xiàn)，所以反相端呈現(xiàn)“虛地虛地”特性；特性；(3) 閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù) Auf = - R2 / R1；(4) 閉環(huán)輸入電阻較小，閉環(huán)輸入電阻較小，Rif R1，閉環(huán)輸出電阻，閉環(huán)輸出電阻Rof

10、0。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)13【例例 2.3.3】電路如圖所示，試問(wèn)電路如圖所示，試問(wèn)(1) 運(yùn)放運(yùn)放 A1、A2 的功能各是什么？的功能各是什么？(2) 求輸出電壓求輸出電壓Uo與輸入電壓與輸入電壓Ui的關(guān)系式，即總增益表達(dá)式。的關(guān)系式，即總增益表達(dá)式。+-=6571321/1RRRRRAAUUAufufiouf并聯(lián)電壓負(fù)反饋并聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋串聯(lián)電壓負(fù)反饋第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)14【例【例 2.3.4】有一運(yùn)放組成的反相比例放大器，電源電壓有一運(yùn)放組成的反相比例放大器，電源電壓UC

11、C = |= | UEE | = | = 12 V，求輸入信號(hào)分別為，求輸入信號(hào)分別為ui1 = = 1sin t (V) 和和 ui2 = = 2sin t (V) 時(shí)的輸出波形圖。時(shí)的輸出波形圖。輸出波形如輸出波形如28頁(yè)圖頁(yè)圖2.3.10所示所示第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)152.3.2相加器（加法器）相加器（加法器）1.反相相加器反相相加器實(shí)際電路中，為了消除輸入偏流產(chǎn)生的誤差，在同相輸入端和地之間實(shí)際電路中，為了消除輸入偏流產(chǎn)生的誤差，在同相輸入端和地之間接入一個(gè)直流平衡電阻接入一個(gè)直流平衡電阻=Rf/R1/R2/R3。)(i3i2i1fi

12、33fi22fi11fo321uuuRRuRRuRRuRRuRRRR+-=-=優(yōu)點(diǎn)：利用集成運(yùn)放的優(yōu)點(diǎn)：利用集成運(yùn)放的“虛地虛地”特性，可使各信號(hào)源之間互不影響。特性，可使各信號(hào)源之間互不影響。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)16)(|1|1i2i131131fi231231i132132fo21uuRRRRRRRuRRRRRuRRRRRRRuRR+=+=2.同相相加器同相相加器特點(diǎn)：特點(diǎn)：U+端的疊加值與各信號(hào)源的串聯(lián)內(nèi)阻（可視作信號(hào)源內(nèi)阻）有端的疊加值與各信號(hào)源的串聯(lián)內(nèi)阻（可視作信號(hào)源內(nèi)阻）有關(guān)，各信號(hào)源互不獨(dú)立（缺點(diǎn)，應(yīng)避免）。關(guān)，各信號(hào)源互不獨(dú)立

13、（缺點(diǎn)，應(yīng)避免）。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)172.3.3相減器（減法器）相減器（減法器）)(1i2i113,i213i142413o4321uuRRuRRuRRRRRuRRRR-=-+=同相比例運(yùn)算放大器同相比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算放大器第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)18【例【例 2.3.6】利用相減器電路可以構(gòu)成】利用相減器電路可以構(gòu)成“稱重放大器稱重放大器” 。試問(wèn)，輸出。試問(wèn)，輸出電壓電壓 uo 與重量與重量 ( 體現(xiàn)在體現(xiàn)在 Rx 變化上變化上) 有何關(guān)系。（略）有何關(guān)系。（略

14、）第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)192.3.4積分器積分器-=ttuRCtud)(1)(io差動(dòng)積分器差動(dòng)積分器-=tuuRCtud)(1)(i2i1o理想積分器的頻率響應(yīng)理想積分器的頻率響應(yīng)第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)20【例【例 2.3.7】如下圖所示電路，當(dāng)如下圖所示電路，當(dāng)t = = t1 (1s) 時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān) S 接接 a 點(diǎn)；點(diǎn)； 當(dāng)當(dāng)t = = t1 (1s) t2 (3s) 時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān) S 接接 b 點(diǎn)；而當(dāng)點(diǎn)；而當(dāng) t t2 (3s) 時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān) S 接接 c 點(diǎn)。已知運(yùn)算

15、放大器電源電壓點(diǎn)。已知運(yùn)算放大器電源電壓 15 V，初始，初始電壓電壓 uC(0) = = 0，試畫出輸出電壓，試畫出輸出電壓 uo(t) 的波形圖。的波形圖。第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)21第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)222.3.5微分器微分器ttuRCtud)(d)(io-=利用積分器和相加器求解微分方程利用積分器和相加器求解微分方程)()(2d)(d10d)(dioo2o2tututtuttu=+-=ttuttututtud)(2d)(d10)(d)(dooio-=ttuttuttutud)(10d)

16、(2d)()(ooio理想微分器的頻率響應(yīng)理想微分器的頻率響應(yīng)第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)232.3.6 電壓一電流變換電壓一電流變換(V/I)和電流一電壓變換和電流一電壓變換(I/V)1. 電壓一電流變換電壓一電流變換(V/I)2RuIiL- -= =負(fù)載電流負(fù)載電流IL與負(fù)載與負(fù)載ZL無(wú)關(guān)，而與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，而與輸入信號(hào)ui成正比成正比第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)24二，電流一電壓變換二，電流一電壓變換I/V第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)25【例【例 2.3.8

17、 】精密直流電壓測(cè)量電路精密直流電壓測(cè)量電路MIIRU = =1第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)26【例【例 2.3.9】)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)27增益可調(diào)電路增益可調(diào)電路)RR(RRuuuAGiiuf12321021+ += =- -= =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)28【例【例 2.3.10】1432320R)R/RR(RRuuAiuf+ + +- -= = =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大

18、器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)29【例【例 2.3.11】11221211Cj/RCjRZZ)j(u)j(u)j(Aiouf + +- -= =- -= = =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)30【例【例 2.3.12】第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)31【例【例 2.3.13】第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)322.4 有源有源RC濾波器濾波器2.4.1 理想濾波器特性及其理想濾波器特性及其“逼近逼近”帶通帶通高通高通低通低通帶阻帶阻全通全通第第2 2章章 集

19、成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)33勃特沃斯濾波器勃特沃斯濾波器切比雪夫?yàn)V波器切比雪夫?yàn)V波器貝塞爾濾波器貝塞爾濾波器橢園濾波器橢園濾波器第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)342002200 + + += =sQs)(A)s(A20022 + + + = =sQss )(A)s(A200200 + + += =sQssQ)(A)s(A2002202 + + + += =sQs)s(A)s(A20022002 + + + +- -= =sQs)sQs(A)s(A第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)352

20、.4.2 常用的一階、二階有源濾波器常用的一階、二階有源濾波器一階有源一階有源RC濾波器濾波器第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)362. 運(yùn)放作為有限增益放大器的二階有源濾波器運(yùn)放作為有限增益放大器的二階有源濾波器121121fffffRRRRRK+ += =+ += =32132143110Y)K(YY)YYY(YYKYA)s(U)s(Uufi- -+ + + + += = =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)37二階低通濾波器二階低通濾波器200220222220131 + + += =+ +- -+ += =sQ

21、s)(ACRsRCKsCRKA)s(ufKQ,RRK)(A,RCff- -= =+ += = = =31101120 第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)383，運(yùn)放作為無(wú)限增益放大器的多重反饋有源濾波器，運(yùn)放作為無(wú)限增益放大器的多重反饋有源濾波器4343215310YY)YYYY(YYY)S(U)S(UAiuf+ + + + +- -= = =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)39二階帶通濾波器二階帶通濾波器20020052122152121 + + += =+ + + +- -= =SQSSQ)(ARRRCRRSCR

22、SSCR)S(Auf252150111111RRC)RR(RC + += = 15510221RR)CR/()CR/()(A- -= =- -= = CRQBW502= = = 第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)40雙雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)41用帶通和相加器構(gòu)成的陷波器用帶通和相加器構(gòu)成的陷波器2002202200201 + + + += =+ + +- -= =SQSSSQSSQAuf第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)425. 全通濾波器一一移相器全通濾波器一一移相器CRjCRjUUAiuf11011 - - -= = =1= =)j(Auf CRarctan)j(12 - -= =第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)436. 狀態(tài)變量濾波器一一多功能濾波器狀態(tài)變量濾波器一一多功能濾波器高通高通帶通帶通低通低通狀態(tài)變量濾波器由積分器與相加器狀態(tài)變量濾波器由積分器與相加器(相減器相減器)組成組成第第2 2章章 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用基礎(chǔ)44