電工電子學集成運算放大器的課件

1、第9章 集成運算放大器9.1 集成運算放大器概述9.2 放大電路中的負反饋9.4 運算放大器在信號處理方面的應用9.5 運算放大器在信號產生方面的應用9.3 運算放大器在信號運算方面的應用11. 了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2. 理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想 運算放大器并掌握其基本分析方法；3. 理解用集成運放組成的比例、加減、微分和 積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器 的工作原理；4. 理解電壓比較器的工作原理和應用。本章要求第9章 集成運算放大器29.1 集成運算放大器概述 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應用最廣泛的一種模

2、擬集成電路。 集成電路 是把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導體芯片上, 組成一個不可分的整體。 集成電路特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低。集成電路分類按集成度按導電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬3各類型號集成芯片9.1.1 集成運放的組成 1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感 和變壓器均需外接； 4. 二極管多用三極管的發(fā)射結代替。4輸入級 中間級 輸出級偏置電路運算放大器方框圖 輸入級：輸入電阻高，能減

3、小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器 。 中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構成。 偏置電路: 由鏡像恒流源等電路組成 輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。59. 1. 2 差動放大電路+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+RE的作用：穩(wěn)定靜態(tài)工作點，限制每個管子的漂移。EE：用于補償RE上的壓降，以獲得合適的工作點。電位器 RP : 起調零作用。1、電路組成62. 信號輸入 兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。(1) 共模信號 ui1 =

4、 ui2 = uic 大小相等、極性相同 差動電路抑制共模信號能力的大小，反映了它對零點漂移的抑制水平。共模信號 需要抑制+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+72. 信號輸入兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，(2) 差模信號 ui1 = ui2 大小相等、極性相反 uid = ui1 ui2uo= (VC1VC1 )(VC2 + VC ) =2 VC1 即對差模信號有放大能力。差模信號 是有用信號+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+8(3) 比較輸入 ui1 、ui2 大小和極性是任意的。例1: ui1 = 10 mV, ui2 =

5、 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV 放大器只 放大兩個 輸入信號 的差值信 號差動 放大電路。 這種輸入常作為比較放大來應用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。 93. 零點漂移的抑制uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0靜態(tài)時，ui1 = ui2 = 0當溫度升高時ICVC （兩管變化量相等） 對稱差分放大電路對兩管所產生的同向漂移都有抑制作用。+U

6、CCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+104. 輸入和輸出方式+UCCuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+T2EE+雙端輸入雙端輸出雙端輸入單端輸出單端輸入雙端輸出單端輸入單端輸出11(Common Mode Rejection Ratio) 全面衡量差動放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力。差模放大倍數(shù)共模放大倍數(shù) KCMR越大，說明差放分辨差模信號的能力越強，而抑制共模信號的能力越強。5. 共模抑制比共模抑制比12 若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù) Ac = 0 輸出電壓 uo = Ad （ui1 ui2 ） = Ad uid 若電路不完全對稱，則

7、 Ac 0，實際輸出電壓 uo = Ac uic + Ad uid 即共模信號對輸出有影響 。13輸入級中間級輸出級9.1.3 集成運放的工作原理反相輸入端同相輸入端輸出端+UCC ui-UEEuoT3T4T5T1T2IS123+14集成運算放大器的管腳和符號反相輸入端同相輸入端+UCCUEEuo+uu +Auo信號傳輸方向輸出端實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a) 符號; (b)引腳 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC輸出151. 主要參數(shù) 1. 最大輸出電壓 UOM 能使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。 2. 開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋

8、電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。 6. 共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好 3. 輸入失調電壓 UIO 4. 輸入失調電流 IIO 5. 輸入偏置電流 IIB9.1.3 集成運放的特性16線性區(qū)：uo = Auo(u+ u)非線性區(qū)：u+ u 時， uo = Uo+ u+ u 時， uo = +Uo(sat) u+ u 時， uo = + Uo(sat) u+ u 時， uo = Uo(sat) 不存在 “虛短”現(xiàn)象 u+ u uoUo(sat)+Uo(sat

9、) O飽和區(qū)21RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+9.2.1 反饋的基本概念反饋：將放大電路輸出端的信號(電壓或電流)的 一部分或全部通過某種電路引回到輸入端。9.2 放大電路中的負反饋esRB+UCCC1C2RERLui+uo+RS通過RE將輸出電流反饋到輸入通過RE將輸出電壓反饋到輸入22(b) 帶反饋(a)不帶反饋A1. 反饋的定義+A 凈輸入信號 反饋信號 輸出信號凈輸入信號：F反饋電路比較環(huán)節(jié) 輸入信號基本放大電路 若三者同相，則Xd = Xi - Xf , 即Xd Xi ，即反饋信號起了增強凈輸入信號的作用則為正反饋。23負反饋：反饋信號削弱凈輸入信號， 使放大倍數(shù)

10、降低。在振蕩器中引入正反饋，用以產生波形。 在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器產生自激振蕩，使放大器不能正常工作。 正反饋：反饋信號增強凈輸入信號， 使放大倍數(shù)提高。2. 反饋的分類返回后一頁前一頁（1） 正反饋與負反饋24（2）交流反饋與直流反饋 在反饋網絡中串接隔直電容，可以隔斷直流，此時反饋只對交流起作用。 在起反饋作用的電阻兩端并聯(lián)旁路電容，可以使其只對直流起作用。 反饋只對交流信號起作用，稱為交流反饋。反饋只對直流起作用，稱為直流反饋。有的反饋對交直流均起作用。返回后一頁前一頁引入交流負反饋的目的：改善放大電路的性能引入直流負反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點。25RE直流反饋RE交直流反饋

11、+UCCRE+UCCRE+返回后一頁前一頁26 (3)根據反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。 (4)根據反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。 反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電壓形式作比較，稱為串聯(lián)反饋。 反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電流形式作比較，稱為并聯(lián)反饋。273. 負反饋放大電路的一般表達式反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)+AF28 負反饋使放大倍數(shù)下降。則有：同相，所以 AF 是正實數(shù)負反饋時，

12、| 1+AF| 稱為反饋深度，其值愈大，負反饋作用愈強，Af也就愈小。 射極輸出器、不帶旁路電容的共射放大電路的電壓放大倍數(shù)較低就是因為電路中引入了負反饋。若|AF| 1，稱為深度負反饋，此時： 在深度負反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關。29負反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋放大電路中不同類型的負反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點30（1） 反饋極性的判別利用瞬時極性法判別負反饋與正反饋的步驟： 2. 若電路中某點的瞬時電位高于參考點(對交流為電壓的正半周)，則該點電位的瞬時極性為正(用表示)；反之為負(用 表示)。 4. 若反饋信號與輸入信號加在同

13、一輸入端(或同一電極)上， 兩者極性相反時，凈輸入電壓減小, 為負反饋；反之，極性相同為正反饋。 3. 若反饋信號與輸入信號加在不同輸入端(或兩個電極)上， 兩者極性相同時，凈輸入電壓減小, 為負反饋；反之，極性相反為正反饋。 1.設接“地”參考點的電位為零。9.2.2 負反饋放大電路的分析31（2）反饋方式的判別 (1)根據反饋所采樣的信號不同，可以分為電壓反饋和電流反饋。如果反饋信號取自輸出電壓，叫電壓反饋。如果反饋信號取自輸出電流，叫電流反饋。 (2)根據反饋信號在輸入端與輸入信號比較形式的不同，可以分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。 反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電壓形式作比較，

14、稱為串聯(lián)反饋。 反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋信號與輸入信號以電流形式作比較，稱為并聯(lián)反饋。32iiifibib= ii - if輸入信號反饋信號凈輸入信號并聯(lián)反饋跳轉1ube= ui - uf輸入信號凈輸入信號串聯(lián)反饋ufuiube+反饋信號反饋信號與輸入信號并聯(lián)，即反饋電流信號與輸入信號電流比較,稱為并聯(lián)反饋。反饋信號與輸入信號串聯(lián)，即反饋電壓信號與輸入信號電壓比較的，稱為串聯(lián)反饋。返回后一頁前一頁33+uf+ud設輸入電壓 ui 為正，差值電壓 ud =ui uf各電壓的實際方向如圖uf 減小了凈輸入電壓(差值電壓) 負反饋uoRFuiR2R1+例1：uoRFuiR2R1+例2：設輸入電

15、壓 ui 為正，差值電壓 ud =ui + uf各電壓的實際方向如圖uf 增大了凈輸入電壓 正反饋+uf+ud在振蕩器中引入正反饋，用以產生波形。 在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器產生自激振蕩，使放大器不能正常工作。34例3：RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+設輸入電壓 ui 為正，差值電壓 ube =ui uf各電壓的實際方向如圖uf 減小了凈輸入電壓 負反饋RBRERLuiuo+交流通路+uf+ubeie交、直流分量的信號均可通過 RE，所以RE引入的是交、直流反饋。如果有發(fā)射極旁路電容， RE中僅有直流分量的信號通過 ，這時RE引入的則是直流反饋。引入交流負反饋的目的：

16、改善放大電路的性能引入直流 負反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點35分析步驟：3) 是負反饋，判斷負反饋的類型;1) 找出反饋網絡（一般是電阻、電容）；2) 判別反饋極性；4) 分析計算。返回后一頁前一頁361.串聯(lián)電壓負反饋+uf+ud 設輸入電壓 ui 為正，差值電壓 ud =ui ufuf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負反饋反饋電壓取自輸出電壓電壓反饋 反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋AF+ufuduiuO(b)方框圖(a)電路uoRFuiR2R1+RL各電壓的實際方向如圖371.串聯(lián)電壓負反饋+uf+ud差值電壓 ud =ui uf(a)電路uoRFuiR2R1+RL反饋

17、電壓反饋系數(shù)382.串聯(lián)電流負反饋+uf+ud設輸入電壓 ui 為正，差值電壓 ud =ui uf各電壓的實際方向如圖uf 削弱了凈輸入電壓(差值電壓) 負反饋反饋電壓取自輸出電流 電流反饋 反饋信號與輸入信號在輸入端以電壓的形式比較 串聯(lián)反饋uf =Rio 特點: 輸出電流 io與負載電阻RL無關 同相輸入恒流源電路或電壓電流變換電路。uouiR2RL+ioR+(a)電路AF+ufuduiiO(b)方框圖392.串聯(lián)電流負反饋+uf+ud反饋系數(shù)F=RuouiR2RL+ioR+(a)電路反饋電壓uf =Rio 403.并聯(lián)電壓負反饋設輸入電壓 ui 為正，差值電流 id = i1 if各電流

18、的實際方向如圖if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負反饋反饋電流取自輸出電壓電壓反饋 反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較 并聯(lián)反饋uoRFuiR2R1+RLi1if idAF+ifidiiuO(b)方框圖(a)電路413.并聯(lián)電壓負反饋反饋電流uoRFuiR2R1+RLi1if id(a)電路反饋系數(shù)424.并聯(lián)電流負反饋設輸入電壓 ui 為正，差值電流 id = i1 if各電流的實際方向如圖if 削弱了凈輸入電流(差值電流) 負反饋反饋電流取自輸出電流電流反饋 反饋信號與輸入信號在輸入端以電流的形式比較 并聯(lián)反饋(a)電路AF+ifidiiiO(b)方框圖RFR1uiR2RL+io

19、RuRi1ifid434.并聯(lián)電流負反饋反饋電流(a)電路RFR1uiR2RL+ioRuRi1ifid反饋系數(shù)444.并聯(lián)電流負反饋(a)電路RFR1uiR2RL+ioRuRi1ifid特點：輸出電流 io 與負載電阻RL無關 反相輸入恒流源電路反饋電流45反饋類型的判別方法： 1. 反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負載電阻RL的靠近“地”端引出的，是電流反饋； 2. 輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端(同相和反相)上的，是串聯(lián)反饋；加在同一個輸入端(同相或反相)上的，是并聯(lián)反饋； 3. 對串聯(lián)反饋，輸入信號和反饋信號的極性相同時，是負反饋；極性相反時，是正反饋； 4. 對并聯(lián)反饋

20、，凈輸入電流等于輸入電流和反饋電流之差時，是負反饋；否則是正反饋。46例1：試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。uf+解： 因反饋電路直接從運算放大器A2的輸出端引出，所以是電壓反饋； 因輸入信號和反饋信號分別加在反相輸入端和同相輸入端上，所以是串聯(lián)反饋； 因輸入信號和反饋信號的極性相同,所以是負反饋。串聯(lián)電壓負反饋 先在圖中標出各點的瞬時極性及反饋信號；uo1uiR+uo+RLA1A247例2：試判別下圖放大電路中從運算放大器A2輸出端引至A1輸入端的是何種類型的反饋電路。解： 因反饋電路是從運算放大器A2的負載電阻RL的靠近“地”端引出的，所以是

21、電流反饋； 因輸入信號和反饋信號均加在同相輸入端上，所以是并聯(lián)反饋; 因凈輸入電流 id 等于輸入電流和反饋電流之差，所以是負反饋。并聯(lián)電流負反饋i1ifiduo1uiR+uo+RLA1A2489.2.3 負反饋對放大電路性能的影響反饋放大電路的基本方程反饋系數(shù)凈輸入信號開環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)+AF491. 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性引入負反饋使放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高。放大倍數(shù)下降至1/(1+|AF|)倍, 其穩(wěn)定性提高1+|AF|倍。若|AF| 1，稱為深度負反饋，此時： 在深度負反饋的情況下，閉環(huán)放大倍數(shù)僅與反饋電路的參數(shù)有關。50例：|A|=300，|F|=0.01。512. 擴展通頻帶引入負

22、反饋使電路的通頻帶寬度增加無負反饋有負反饋f|AO|0.707|Auo|Of2| Afo |f2|Af|, |Af |0.707|Afo|BWBWf負反饋展寬通頻帶523. 減小非線性失真 負反饋是利用失真的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，而不能完全消除失真。加入負反饋無負反饋FufAuiuo大小略小略大接近正弦波uouiA+uid略大略小uf53uiubeib+4. 對輸入電阻和輸出電阻的影響在同樣的 ib下，ui= ube + uf ube，所以 rif 提高。(1) 串聯(lián)負反饋無負反饋時：有負反饋時：uf+使電路的輸入電阻提高54if無負反饋時：有負反饋時：在同樣的ube下，ii

23、 = ib + if ib，所以 rif 降低。(2) 并聯(lián)負反饋使電路的輸入電阻降低iiibube+55 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。 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。(3) 電壓負反饋使電路的輸出電阻降低(4) 電流負反饋使電路的輸出電阻提高56四種負反饋對 ri 和 ro 的影響串聯(lián)電壓串聯(lián)電流并聯(lián)電壓并聯(lián)電流思考題：為了分別實現(xiàn)： (1) 穩(wěn)定輸出電壓； (2) 穩(wěn)定輸出電流； (3) 提高輸入電阻； (4) 降低輸出電阻。應引入哪種類型的負反饋？riro減低增高增高增高增高減低減低減低579.3 運算放大器在

24、信號運算方面的運用 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行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、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參數(shù)，而與運算放大器本身的參數(shù)關系不大。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。589.3.1 比例運算1.反相比例運算(1) 電路組成 以后如不加說明，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=u+= 0，稱反相輸入端“虛地” 反相輸入的重要特點因虛斷，i+= i = 0

25、， ifi1ii+所以 i1 if 因要求靜態(tài)時u+、 u 對地電阻相同， 所以平衡電阻 R2 = R1 / RFuoRFuiR2R1+59 (5) 電壓并聯(lián)負反饋，輸入、輸出電阻低， ri = R1。共模輸入電壓低。 結論： (1) Auf為負值，即 uo與 ui 極性相反。因為 ui 加在反相輸入端。 (2) Auf 只與外部電阻 R1、RF 有關，與運放本身參數(shù)無關。 (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”。60例: 電路如下圖所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求: 1. Auf 、R2

26、 ； 2. 若 R1不變, 要求Auf為 10, 則RF 、 R2 應為多少？解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k2. 因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 kuORFuiR2R1+612. 同相比例運算因虛斷，所以u+ = 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u+、u對地電阻相同， 所以平衡電阻R2

27、=R1/RFuoRFuiR2R1+u+u62 (5) 電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻高、輸出電阻低，共模輸入電壓可能較高。 結論： (1) Auf 為正值，即 uo與 ui 極性相同。因為 ui 加在同相輸入端。 (2) Auf只與外部電阻 R1、RF 有關，與運放本身參數(shù)無關。 (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。63 當 R1= 且 RF = 0 時，uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1+ 由運放構成的電壓跟 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

28、，電源經兩個電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當負載RL變化時，其兩端電壓 uo不會隨之變化。uo+15kRL15k+15V 7.5k例：64恒壓源 由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路和運算放大器可組成恒壓源。UORFR2R1+RL+UZRDZ+UUORFR2R1+RLRDZ+UZ+U反相輸入恒壓源同相輸入恒壓源改變 RF 即可調節(jié)恒壓源的輸出電壓。65負載電流的大小與負載無關。 例2: 負載浮地的電壓-電流的轉換電路(1) 能測量較小的電壓；(2) 輸入電阻高，對被 測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+iLi1RLuiR2R1+669.3.2 加法運算電路 1. 反相加法運算電路因虛短, u= u+= 0 平衡電阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1+R2+因虛