第十二章_運(yùn)算放大器

1、下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁授課教師：王曉宇授課教師：王曉宇爐峪口煤礦機(jī)電部爐峪口煤礦機(jī)電部下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁第二節(jié)第二節(jié) 理想集成運(yùn)算放大器的分析方法理想集成運(yùn)算放大器的分析方法第三節(jié)第三節(jié) 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路12.3.1 12.3.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路12.3.2 12.3.2 求和運(yùn)算電路求和運(yùn)算電路12.3.3 12.3.3 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路12.3.4 12.3.4 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介第十二章第十二章 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器第一節(jié)第一節(jié) 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器第五節(jié)第

2、五節(jié) 運(yùn)算放大器在其他方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在其他方面的應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 集成運(yùn)算放大器使用中應(yīng)注意的問題集成運(yùn)算放大器使用中應(yīng)注意的問題下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁本章要求本章要求1. 1. 了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義。2. 2. 理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，和理想理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，和理想 運(yùn)算放大器的分析方法。運(yùn)算放大器的分析方法。3. 3. 掌握用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和掌握用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和 積分運(yùn)算電路的工作原理。積分運(yùn)算電路的工作原理。4. 4. 了解運(yùn)放在線性和非

3、線性方面的其它應(yīng)用。了解運(yùn)放在線性和非線性方面的其它應(yīng)用。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 集成電路是應(yīng)用半導(dǎo)體的制造工藝，把整個(gè)電集成電路是應(yīng)用半導(dǎo)體的制造工藝，把整個(gè)電路，包括晶體管、電阻等元件及聯(lián)線都制造在一塊路，包括晶體管、電阻等元件及聯(lián)線都制造在一塊半導(dǎo)體基片上，形成的不可分割的固體快。它從根半導(dǎo)體基片上，形成的不可分割的固體快。它從根本上動搖了原來電子電路的概念，實(shí)現(xiàn)了元件、電本上動搖了原來電子電路的概念，實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的結(jié)合。集成電路顯示出許多分立件電路路和系統(tǒng)的結(jié)合。集成電路顯示出許多分立件電路無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它體積小、重量輕、功耗小、性無法比

4、擬的優(yōu)點(diǎn)，它體積小、重量輕、功耗小、性能好，由于外部引線大為減少，減少了故障，提高能好，由于外部引線大為減少，減少了故障，提高了可靠性。了可靠性。 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器集成電路的概述：集成電路的概述：下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁集成電路的分類：集成電路的分類： 按功能集成電路可分為數(shù)字集成電路和模擬集成按功能集成電路可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類，本章所講集成運(yùn)算放大器是模擬集成電電路兩大類，本章所講集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路的一種。在第路的一種。在第5 5章數(shù)字電路中，將介紹幾種數(shù)字集章數(shù)字電路中，將介紹幾種數(shù)字集成電路。成電路。集成運(yùn)算放大器

5、特點(diǎn)：集成運(yùn)算放大器特點(diǎn)： 集成運(yùn)算放大器是一種采用多級直接耦合的高放集成運(yùn)算放大器是一種采用多級直接耦合的高放大倍數(shù)的放大電路，它既能放大緩慢變化的直流信號，大倍數(shù)的放大電路，它既能放大緩慢變化的直流信號，又能放大交流信號。用運(yùn)算放大器及其反饋網(wǎng)絡(luò)，可又能放大交流信號。用運(yùn)算放大器及其反饋網(wǎng)絡(luò)，可以組成多種運(yùn)算電路，模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算，還廣泛用于信以組成多種運(yùn)算電路，模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算，還廣泛用于信號處理、波形發(fā)生等電路中。號處理、波形發(fā)生等電路中。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁集成電路的學(xué)習(xí)方法集成電路的學(xué)習(xí)方法: : 集成電路是一種元器件，對使用者來說集成電路是一種元器件

6、，對使用者來說主要的不是像分立件電路那樣去了解內(nèi)部電主要的不是像分立件電路那樣去了解內(nèi)部電路細(xì)節(jié)，而是了解各種型號的功能、外部引路細(xì)節(jié)，而是了解各種型號的功能、外部引線、及主要技術(shù)指標(biāo)和如何使用。線、及主要技術(shù)指標(biāo)和如何使用。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁輸入級輸入級T1T8中間級中間級T13T16T17輸出級輸出級T14T15T18T19偏置電路偏置電路T9T12典型集成運(yùn)算放大器典型集成運(yùn)算放大器A741分析分析A741是屬于第二代集成電路中有代表性的產(chǎn)品它內(nèi)部有是屬于第二代集成電路中有代表性的產(chǎn)品它內(nèi)部有19個(gè)晶體管，個(gè)晶體管，2個(gè)二極管，個(gè)二極管，9個(gè)電阻，

7、電路由四部分組成：個(gè)電阻，電路由四部分組成：輸入級、偏置電路、中間放大級、輸出級。輸入級、偏置電路、中間放大級、輸出級。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 輸入級采用帶恒流源的差動放大電路，輸入電阻輸入級采用帶恒流源的差動放大電路，輸入電阻高；輸出級采用互補(bǔ)對稱電路，輸出電阻低，帶負(fù)載高；輸出級采用互補(bǔ)對稱電路，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)。整個(gè)電路差模電壓增益高，共模抑制比高。能力強(qiáng)。整個(gè)電路差模電壓增益高，共模抑制比高。A741A741的外部接線圖及管腳圖：的外部接線圖及管腳圖：調(diào)零電位計(jì)調(diào)零電位計(jì)A741A7411 2 3 41 2 3 4 8 7 6 58 7 6

8、5A741A741為為8 8腳雙腳雙列直插式芯片，列直插式芯片，腳為空腳。腳為空腳。反相輸入端反相輸入端（）（）（）同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端15V15V15V15V3 31 15 54 46 67 72 2A741A741下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 1. 1. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Aod 指無反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。指無反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。 Aod=|Uo / (U+-U-)| ，Aod 愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高，一般穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高，一般Aod很大約為

9、很大約為 104106 , 也用也用 Aod=20lg| UO / (U + -U-)| 表示，約為表示，約為80120db。 2. 差模輸入電阻差模輸入電阻rid rid 一般非常大，在兆歐級一般非常大，在兆歐級 。3. 輸出電阻輸出電阻ro ro一般很小，為幾十一般很小，為幾十幾百歐姆。幾百歐姆。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁4.共模抑制比共模抑制比KCMRR KCMRR=|Aod / Aoc| ，式中，式中Aoc為共模放大倍數(shù)。為共模放大倍數(shù)。KCMRR越大，識別差模信號的能力越強(qiáng)，抑制共模信號的能越大，識別差模信號的能力越強(qiáng)，抑制共模信號的能力越大。也表為力

10、越大。也表為 KCMRR(db)=20lg|Aod /Aoc| 。 5.最大輸出電壓最大輸出電壓Uopp 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓，又稱為飽和電壓。又稱為飽和電壓。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 在一般分析計(jì)算中，都將集成運(yùn)算放大器看成理在一般分析計(jì)算中，都將集成運(yùn)算放大器看成理想運(yùn)算放大器，即將集成運(yùn)算放大器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)想運(yùn)算放大器，即將集成運(yùn)算放大器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化。即認(rèn)為：理想化。即認(rèn)為： 1 1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)）開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod ； 2）差模輸入電阻）差模輸入電阻 rid ； 3）

11、輸出電阻）輸出電阻 ro 0 ； 4）共模抑制比）共模抑制比 KCMRR 第二節(jié)第二節(jié) 理想集成運(yùn)算放大器的分析方法理想集成運(yùn)算放大器的分析方法一、理想集成運(yùn)算放大器一、理想集成運(yùn)算放大器下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁理想運(yùn)算放大器的圖形符號理想運(yùn)算放大器的圖形符號“- ”為反相輸入端；為反相輸入端；“+”為同相輸入端；為同相輸入端；“”表示開環(huán)電壓放大倍數(shù)滿足理想化條件；表示開環(huán)電壓放大倍數(shù)滿足理想化條件； 這里省略了其這里省略了其它引線，而只畫它引線，而只畫出了兩個(gè)輸入端出了兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，和一個(gè)輸出端，其中：其中：“ ”表示運(yùn)放輸入。表示運(yùn)放輸入。+u

12、ouu+i+i 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁運(yùn)放的三種工作方式運(yùn)放的三種工作方式 1 1）當(dāng)信號從同相輸入端對公共地端輸入時(shí)，輸出）當(dāng)信號從同相輸入端對公共地端輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同相，電壓與輸入電壓同相，同相輸入方式；同相輸入方式； 2）當(dāng)信號從反相輸入端對公共地端輸入時(shí)，輸出）當(dāng)信號從反相輸入端對公共地端輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓反相，電壓與輸入電壓反相，反相輸入方式；反相輸入方式； 3）當(dāng)信號同時(shí)從同相輸入端和反相輸入端對公共）當(dāng)信號同時(shí)從同相輸入端和反相輸入端對公共地端輸入時(shí)，輸出電壓相位由兩個(gè)輸入電壓綜合決定，地端輸入時(shí)，輸出電壓相位由兩個(gè)輸入電壓

13、綜合決定，差動輸入方式。差動輸入方式。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 輸出電壓輸出電壓u uo o與輸入電壓與輸入電壓( (u u+ +- -u u- -) ) 之間關(guān)系的特性曲線之間關(guān)系的特性曲線 u uo o= =f f( (u u+ +- -u u- -) ) ， 稱為電壓傳輸特性。稱為電壓傳輸特性。 u+ u uo +UoppUopp O線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)二、運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性和兩個(gè)工作區(qū)域二、運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性和兩個(gè)工作區(qū)域下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁1. 運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)當(dāng)當(dāng) |

14、uo |Uopp時(shí)，輸入電壓和輸時(shí)，輸入電壓和輸出電壓有線性關(guān)系：出電壓有線性關(guān)系： (1）由于開環(huán)差模增益）由于開環(huán)差模增益 Aod ，而輸出電壓，而輸出電壓uo為為有限值，有有限值，有u+-u-0 ， (2) 由于差模輸入電阻由于差模輸入電阻 rid ,輸入電流約等于輸入電流約等于 0 +uouu+i+i u+ u uoUopp O線性區(qū)線性區(qū)uo = Aod（u+ u) +Uopp理想運(yùn)放工作在線性區(qū)有兩個(gè)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)有兩個(gè)重要特點(diǎn)：重要特點(diǎn)：即即 u+=u- ，即即 i+=i-0，下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件是必須引入負(fù)反饋：

15、運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件是必須引入負(fù)反饋： 這是由于，當(dāng)這是由于，當(dāng) |uo |Uopp時(shí)，運(yùn)放工作在線性區(qū)，輸時(shí)，運(yùn)放工作在線性區(qū)，輸入電壓和輸出電壓有線性關(guān)系：入電壓和輸出電壓有線性關(guān)系：uo = Aod（u+ u) 由于由于Aod，在無負(fù)反饋（開環(huán)）情況下，只要，在無負(fù)反饋（開環(huán)）情況下，只要 u+-u- 有一點(diǎn)點(diǎn)輸入，有一點(diǎn)點(diǎn)輸入，uo就會達(dá)到正飽和就會達(dá)到正飽和+UOPP 或負(fù)飽或負(fù)飽和和-UOPP 。由于干擾的影響，很難使運(yùn)放在開環(huán)時(shí)工作。由于干擾的影響，很難使運(yùn)放在開環(huán)時(shí)工作在線性區(qū)。引入負(fù)反饋，可減少凈輸入電壓在線性區(qū)。引入負(fù)反饋，可減少凈輸入電壓 u+-u- , 使使uo u

16、時(shí)，時(shí)， uo = + Uopp u+t1時(shí)，時(shí)，uo= -UOPP= -10V。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁12.3.4 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路dtduCt dudCiicc11 t dudCRiRuFFi1Fo 因因u-=0, ic = if ,uoificC1uiR2RF+ uitOuotO動畫動畫1. ui=+Uit=0時(shí)時(shí)很大很大dtduiuo產(chǎn)生較大躍變產(chǎn)生較大躍變隨著電容隨著電容C的充電的充電uo 衰減為衰減為0下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路tuCRuddi1Fo ifi1uoC1uiR2RF+

17、 uitOuotO動畫動畫2. ui= -UI下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁比例比例-微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分微分 控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+ R1ifiRiC下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁i3i1ii+uoR3

18、uiR2R1+ R4CiCi4另一種比例微分電路另一種比例微分電路33113,RiuRuiici dtduCiiiicc 334dtdiCRi333 dtduCRRRuii131 4433RiRiuo dtduCRRRuRRuRRiii1431413 dtduCRRRuRRRii143143 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁uitOuotO比例微分電路階躍輸入時(shí)的波形比例微分電路階躍輸入時(shí)的波形iuRRR143 下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁第四節(jié) 集成運(yùn)放使用中可能出現(xiàn)的問題 1. 調(diào)零調(diào)零電位器故障；調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊

19、；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開環(huán)；反饋極性接錯(cuò)或負(fù)反饋開環(huán)；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；集成運(yùn)放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成造成“堵塞堵塞”現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因2）不能調(diào)零1）調(diào)零電路下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁2. 消除自激振蕩消振消振措施措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯(cuò)防止反饋極性接錯(cuò)避免負(fù)反饋過強(qiáng)避免負(fù)反饋過強(qiáng)3） 漂移嚴(yán)重存在虛焊點(diǎn)存在虛焊點(diǎn)運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場干擾運(yùn)放產(chǎn)生自激振蕩或受強(qiáng)電磁場干擾集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件集成運(yùn)放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光

20、照射輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動端接觸不良調(diào)零電位器滑動端接觸不良集成運(yùn)放本身損壞或質(zhì)量不合格集成運(yùn)放本身損壞或質(zhì)量不合格原因原因合理安排接線，防止雜散電容過大合理安排接線，防止雜散電容過大下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁3 集成運(yùn)放的保護(hù) 1. 輸入保護(hù)( (a) ) 反相輸入保護(hù)反相輸入保護(hù)( (b) ) 同相輸入保護(hù)同相輸入保護(hù)+odA+VR1VD1VD2RFR VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件保護(hù)元件保護(hù)元件uORFR1VD1VD2uI保護(hù)元件保護(hù)元件+odA+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁3. 電源極性錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：保護(hù)元件

21、：VD1 、VD22. 輸出端錯(cuò)接保護(hù)保護(hù)元件：保護(hù)元件：VDZ1、VDZ2R1VDZ1VDZ2RFuOuIR +odA+VD1VD2+odA+下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁4. 輸出限流保護(hù)+AVT1VT2UEER2R3R4R1VT4R5VT3+UCCC1C1C2保護(hù)元件：保護(hù)元件： VT1 、VT2( (b) )保護(hù)管工作特性保護(hù)管工作特性正常工作時(shí)工作點(diǎn)在正常工作時(shí)工作點(diǎn)在 A；工作電流過大，工作點(diǎn)經(jīng)工作電流過大，工作點(diǎn)經(jīng)B 移到移到 C 或或 D 點(diǎn)。點(diǎn)。( (a) )電電 路路 圖圖BCDA下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁第五節(jié)第

22、五節(jié) 運(yùn)算放大器在其他方面的應(yīng)用運(yùn)算放大器在其他方面的應(yīng)用 運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算電路工作在線性區(qū)，以完成運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算電路工作在線性區(qū)，以完成摸擬信號的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在電子技術(shù)及工業(yè)控制中，還有摸擬信號的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在電子技術(shù)及工業(yè)控制中，還有許多其他應(yīng)用。這里例舉一些信號處理、波形發(fā)生等應(yīng)許多其他應(yīng)用。這里例舉一些信號處理、波形發(fā)生等應(yīng)用電路，在這些電路中，運(yùn)放有的工作在線性區(qū)，有的用電路，在這些電路中，運(yùn)放有的工作在線性區(qū)，有的工作在飽和區(qū)。工作在飽和區(qū)。12.5.1 電壓比較器電壓比較器電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。由此來判斷輸入

23、信號的由此來判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁電壓比較器的電壓傳輸特性電壓比較器的電壓傳輸特性UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+ 圖中圖中UR為比較電壓，由于運(yùn)為比較電壓，由于運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)放工作在開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)ui略大略大于于UR時(shí)，時(shí)，uo立即變?yōu)樨?fù)飽和值立即變?yōu)樨?fù)飽和值-UOPP，當(dāng)，當(dāng)ui略小于略小于UR時(shí)，時(shí)，uo立即變?yōu)檎柡椭盗⒓醋優(yōu)檎柡椭?UOPP。uiUR時(shí)，時(shí)，uo=UOPP電壓傳輸特性電壓傳輸特性uiuoO +UOPP UOPPUR(uo)下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一

24、頁上一頁2vuitOOuot 6v 6vt1t2例：設(shè)例：設(shè)ui為峰值為為峰值為4V，周，周期為期為T=80ms的三角波，的三角波，比較電壓比較電壓UR=2V，穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓的穩(wěn)定電壓UZ=6V，試，試畫出輸出電壓波形。畫出輸出電壓波形。8040(ms）4v解：解：ui2V時(shí)時(shí), uo=UZ=6V， ui+UT , uo= -UZ ,u+= -UT, 電容開始反向充電，電容開始反向充電，uouc00tt-UT+UT+UZ-UZt1t2t3T輸出方波的周期為輸出方波的周期為:)1ln(221RRCRTF 當(dāng)當(dāng) uc=u- -UT ,uo=+UZ 電路產(chǎn)生自激振蕩，輸出方波。電路產(chǎn)生自激振蕩，輸出方波。動畫動畫下一頁下一頁總目錄總目錄 章目錄章目錄返回返回上一頁上一頁12.5.4 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器R3