第三章 集成運算放大器

本章要求一、了解集成運算放大器主要參數(shù)的意義二、掌握運算放大器的電壓傳輸特性，掌握理想運算放大器的基本分析方法三、掌握比例、加、減、微分和積分運算電路的原理了解有源濾波器的工作原理。四、掌握電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。第三章集成運算放大器第一節(jié)集成運算放大器簡介一、集成運算放大器電路的特點uP輸入級中間級輸出級偏置電路uNuO輸入級：采用差動放大電路，以提高輸入電阻，減小零點漂移和抑制干擾信號。u+輸入級中間級輸出級偏置電路u-uO中間級：主要進行電壓放大，一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出級：采用互補對稱功放電路或射極輸出器，以便輸出足夠大的電流和功率，

并降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路：一般是由恒流源電路組成，為電路提供穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點。集成運算放大器的特點高增益、高可靠性、低成本、小尺寸二、集成運算放大器的符號、引腳符號：Auo

高:80dB～140dB,即104～107rid

高:105～1011ro低:幾十～幾百KCMR高:70dB～130dB引腳三、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)差模電壓電壓放大倍數(shù)Auo

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，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。7.共模抑制比KCMR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IIB四、理想運算放大器及其分析依據(jù)1．理想運算放大器的慨念開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)無窮大Auo

，差模輸入電阻無窮大

rid，開環(huán)輸出電阻為零ro0，共模抑制比無窮大

KCMR2．運算放大器傳輸特性

+Uo(sat)–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)O

u+–u–

uo線性區(qū)：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

+Uo(sat)–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性飽和區(qū)O

u+–u–

uo理想運算放大器3.理想運放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)1)因Auo→∞，而輸出電壓uo是一個有限的數(shù)值++∞uou–u+i+i––uo

=

Auo(u+–

u–

)稱為“虛短”。2)rid→∞，且u+－u-≈0輸入電流近似為0，即i+=i–0，稱“虛斷”

Auo越大，線性范圍越小，

必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。4.理想運放工作在飽和區(qū)

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象當(dāng)u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

例3-1F741運算放大器的正、負電源電壓為±15V，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo=2×105，輸出飽和電壓±Uo(sat)=±13V。輸入電壓分別為：(1)u+=15μV,u-＝-10μV;(2)u+

＝-5μV,u-＝10μV；(3)u+

＝0V,u-

＝＋5V;(4)u+

＝5mv,u-＝0V，求輸出電壓及其極性。解：兩輸入端的電壓差超過65μV,輸出電壓就達到正或負的飽和值。(1)(2)(3)(4)uo

=

Auo(u+–

u–

)u+=15μV,u-＝-10μV;(2)u+

＝-5μV,u-＝10μV

(3)u+

＝0V,u-

＝＋5V;(4)u+

＝5mv,u-＝0V，第二節(jié)集成運算放大器在運算方面的應(yīng)用集成運算放大器引入適當(dāng)?shù)呢摲答?，可使輸出和輸入之間具有某種函數(shù)關(guān)系，如比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)與反對數(shù)、乘除等運算。一、比例運算1．反相輸入比例運算電路輸入、輸出另一端均為地,“、+、-”可略。uoRFuiR2R1++––++–R2=R1//RFifiii–i+uoRFuiR2R1++–反相比例運算

因u–=u+=0因i+=i–=0所以iiif

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)：反相比例運算uoRFuiR2R1++––++–－－反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋輸入信號和反饋信號加在同一輸入端—并聯(lián)反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋電壓并聯(lián)交直流負反饋反饋類型？例3-2電路如圖所示，試分別計算開關(guān)S斷開和閉合時的電壓放大倍數(shù)Auf。1.當(dāng)S斷開時：解：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2.當(dāng)S閉合時：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif2．同相輸入比例運算電路uoRFuiR2R1++–R2=R1//RFifi1閉環(huán)電壓放大倍數(shù):因i+=i–=0i+=i–=0同相比例運算電壓串聯(lián)交直流負反饋輸入信號和反饋信號分別加兩個輸入端—串聯(lián)反饋反饋電路直接從輸出端引出—電壓反饋反饋信號使凈輸入信號減小—負反饋uoRFuiR2R1++––++–反饋類型？uiuoRFR3R2++–R1同相比例運算即R1=，RF

=0，Auf=1

，

uo=ui

，

稱電壓跟隨器。uoui++–uo++–15k15k+15V

7.5k例3-3試計算圖示電路中uo的大小。解：由于

uo只與電源電壓和分壓電阻有關(guān)，而與負載電阻大小和運放的參數(shù)無關(guān)。

同相比例運算的特例例3-4如圖所示電路，已知RF＝100kΩ，

R1＝50kΩ，輸入電壓ui＝3sinωtV，求電壓放大倍數(shù)和輸出電壓uo。uoRFuiR2R1++–解：電壓放大倍數(shù)二、加法運算

1.反相加法運算電路R2=Ri1

//Ri2

//Ri3//RFii3ii1if因u–=u+=0因虛斷，i–=i+=0

當(dāng)Ri1=Ri2=Ri3=RF時，uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2ii2例3-5一個測量系統(tǒng)的輸出電壓和某些輸入信號的數(shù)值關(guān)系為uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，試選擇圖示電路中各輸入電路的電阻和平衡電阻。設(shè)RF=100kΩ。uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2解：三、減法運算ui2uoRFui1R3R2++–R1R2//R3

=R1

//RF利用疊加原理:

ui1單獨作用時反相輸入比例運算：

ui2單獨作用時，為同相輸入比例運算：u+ui2uoRFui1R3R2++–R1u+如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

輸出電壓等于兩個電壓之差。例3-6在圖示電路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求輸出電壓uo。uo1ui1++–+–uoui2RRRA1A2+RRR解：四、積分運算uoCFuiR2R1++–ifi1uC+–則i1=if

設(shè)電容CF的初始電壓為uC(t0)時，則有i+=i–=0當(dāng)ui為階躍電壓時uitOUi積分飽和線性積分時間uotO+Uo(sat)–Uo(sat)輸出電壓隨時間線性變化

將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運算電路。uoCFuiR2R1++–RFifi1上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分五、微分運算uoC1uiR2RF++–由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ififi1uitOUi當(dāng)ui為階躍電壓時

uotO第三節(jié)集成運算放大器在測量技術(shù)中的應(yīng)用一、電壓源、電流源I1IFRFUOUZR2++–R1RVS＋－+US由虛短及虛斷性質(zhì)可得輸出電壓可以認為是恒壓源。改變反饋電阻RF的大小，可以改變輸出電壓UO的大小。電流源ILRFUZR2++–R1RLVS＋－+USF由虛短及虛斷性質(zhì)可得

IL的大小與負載RL無關(guān)，所以該電路構(gòu)成電流源電路，改變RF的大小可以改變電流源的電流值。二、電壓、電流的測量IPRF++–UXRP這種毫伏表能測量1mV左右電壓，具有高靈敏度，高輸入電阻、高穩(wěn)定性能等優(yōu)點。例如：表頭是一塊100μA的直流微安表，RF取10Ω，則可測量的滿偏電壓UX=IPRF=1mV。以直流毫伏表為基礎(chǔ)，加上分壓器或分流器就可以構(gòu)成多量程的直流電壓表或電流表。如果將表頭改接到一個橋式整流電路中，就可以測量交流電壓和交流電流。第四節(jié)集成運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用一、有源濾波器濾波器就是一種選頻電路。它讓一定頻段的信號通過，而抑制其余頻段的信號。常用的濾波器：低通、高通等。無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。一、有源濾波器1.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–uiuoRFuCCR++–R1+–以頻率為變量，為通頻帶放大倍數(shù)幅頻函數(shù)：相頻函數(shù):幅頻特性0|Auf0||Auf(j)|O幅頻函數(shù)：uoRFCR++–R1uiRC二階有源低通濾波器為使

>

0時信號衰減得更快，將兩節(jié)RC濾波串接，組成二階有源低通濾波器。二階一階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1以頻率為變量，uiuoRFCR++–R1為通頻帶放大倍數(shù)幅頻函數(shù)：相頻函數(shù):幅頻特性0|Auf0||Auf(j)|O控制信號二、采樣保持電路

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。模擬開關(guān)模擬輸入信號采樣存儲電容電壓跟隨器SuC+–ui+–uo+–++–uG采樣階段：

uG為高電平，S閉合，ui對存儲電容C充電，

uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開，輸出保持該階段開始瞬間的值不變?？刂菩盘杣itouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–uG運放的作用？三、電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。判斷輸入信號的大小和極性。

運放工作在開環(huán)狀態(tài)（或正反饋）

運算放大器工作在飽和區(qū)。1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

當(dāng)u+>u－

時，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象URuouiR2++–R1參考電壓電壓傳輸特性:

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR當(dāng)u+>u–

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo

=–

Uo

(sat)可見，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。ui與uo的關(guān)系

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)URuouiR2++–R1當(dāng)UR=0時，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器。電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0uouiR2++–R1tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╱i

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)uiuoURR2++–R1

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在同相端Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uouitOURt1t2電壓傳輸特性輸出帶限幅的電壓比較器uo'RVSuouiR2++–R1設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫tui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

+UZ

–UZ電壓傳輸特性uiuoO例3-7電路如圖所示，輸入電壓ui是一正弦電壓，其周期為T，輸出端外接RC電路的時間常數(shù)RC<<，試畫出uo、uA、uL的波形。uoRVDuLuiRL++–+–CAui>0

時，uo

=+Uo

(sat)

ui

<0

時，uo

=–

Uo

(sat)

tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuoRVDuLuiRL++–+–CAtuiOtuo+Uo(sat)–U