清華大學(xué)知名教授電工與電子技術(shù)課件集成運(yùn)算放大器

第11章運(yùn)算放大器（下篇）電工技術(shù)與電子技術(shù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院返回第11章運(yùn)算放大器11.1

運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹11.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用11.5

運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的運(yùn)用11.7

使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題11.6

集成功率放大器11.4

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的運(yùn)用11.2

放大電路中的負(fù)反饋1.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：11.1

運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹

運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸集成運(yùn)放的符號(hào)：A

uo

高:10K～10M倍rid高:105~1011ro

低:幾十

~幾百KCMRR高:70dB~130dBuo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–11.1.1運(yùn)算放大器的組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端+UCC–UEEuou–u+

輸入級(jí)：輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制干擾信號(hào)，都采用帶恒流源的差放

。中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級(jí)：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，一般由互補(bǔ)對(duì)稱電路或射極輸出器構(gòu)成。11.1.2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IIB11.1.3理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo

=

Auo（u+–u–）非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo

=–Uo(sat)

飽和區(qū)+Uo(sat)

u+–u–

uo-Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性u(píng)o++u+u–+UCC–UEE–3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)uo

=

Auo（u+–

u–

）①差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

稱“虛短”②輸入電流約等于0

即i+=i–0稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo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)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)-Uo(sat)+Uo(sat)即4.理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)①輸出只有兩種可能+Uo(sat)或–Uo(sat)②i+=i–0

，仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

11.3

運(yùn)算放大器

在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用11.3.1比例運(yùn)算11.3.2加法運(yùn)算11.3.3減法運(yùn)算11.3.4積分運(yùn)算11.3.5微分運(yùn)算11.3.1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()。ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–（2）電壓放大倍數(shù)∵虛短

∴

u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)∵虛斷，i+=i–=0

，

∴i1=if

∵要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對(duì)地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RF

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反?！遳i

加在反相輸入端。②Auf

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∵

u-=u+=0，∴反相輸入端“虛地”。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

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(

10+50)=8.3k2.∵

Auf

=–RF

，R1

=–RF

10=–

10

∴RF=Auf

R1=1010=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算∵虛斷，∴

u+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–∵虛短，∴

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

∵要求靜態(tài)時(shí)u+、u-對(duì)地電阻相同，∴平衡電阻R2=R1//RFu+u–

結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同?！遳i

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④u-=u+

≠0，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。

當(dāng)R1=或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+–++–15kRL15k+15V7.5k例：11.3.2加法運(yùn)算∵虛短u-=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii1ii2ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–∵虛斷，i–=0

∴

ii1+ii2=if

)(22F11FiiiiouRRuRRu+-=11.3.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：常用做測(cè)量放大電路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。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+–++––11.3.4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)，則有若輸入信號(hào)電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時(shí)，則uit0積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間輸出電壓隨時(shí)間線性變化-UOMuot0+UOMui=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u0是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。tCRUiF1-=11.3.5微分運(yùn)算電路uot0t0uiifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–11.4.2

電壓比較器功能：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)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。11.4運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用理想運(yùn)放工作在非線性區(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

②i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性

u+–u–

uo-Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器

可見(jiàn)，在ui

=UR

處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。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)uit00uot+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)uiuooURURui

>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(sa