電子技術(shù)基礎(chǔ)劉繼承第2章課件

第2章集成運(yùn)算放大電路第1節(jié)集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和理想運(yùn)算放大器第2節(jié)集成運(yùn)算放大器的三種輸入組態(tài)第3節(jié)運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用

第4節(jié)集成運(yùn)算放大器在算術(shù)運(yùn)算電路應(yīng)用中需注意的問題

主菜單回退前進(jìn)最后返回退出

第2章集成運(yùn)算放大器開始作？業(yè)

本章主要介紹集成運(yùn)算放大器的構(gòu)成特點(diǎn)、伏安特性和主要參數(shù)，分析基本運(yùn)算電路的工作原理、分析方法和性能指標(biāo)以及集成運(yùn)算放大器的一些典型的線性應(yīng)用。

集成電路是20世紀(jì)60年代初期發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體器件。常見的集成電路的外形有：雙列直插式、圓殼式河扁平式，如圖：主菜單回退前進(jìn)最后返回作？業(yè)退出開始

第2章集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器中的單元電路包括輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分構(gòu)成。2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?輸入級(jí)：差分放大器；?中間級(jí)：電壓放大器；?輸出級(jí)：功率放大器；?偏置電路：采用恒流源電路。退出作？業(yè)主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

電路結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.1.1（a）；作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器電路符號(hào)如圖2.1.1(b)。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)③受集成電路體積的限制，電容和電感難于被集成，因此內(nèi)部采用直接耦合。電容和電感必須用時(shí)大都采用外接的辦法。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)④由于集成運(yùn)放具有很高的開環(huán)放大倍數(shù)，線性應(yīng)用時(shí)需要加入深度負(fù)反饋，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)放大電路。圖2.1.2（a）為集成運(yùn)算放大器的基本電路，+U和-U為直流電源，u1和u2是輸入信號(hào)，uO是輸出信號(hào)。由于通常只關(guān)心電路的功能，所以直流電源通常并不畫出如圖（b）所示。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖2.1.3集成運(yùn)算放大器小信號(hào)模型上圖中，ui=u1-u2稱為差模輸入，uO與（u1-u2)的比值稱為差模放大倍數(shù)，記作：Aud。即：信號(hào)：u1=u2稱為共模信號(hào)；u1=-u2稱為差模信號(hào)。一般情況，任意兩個(gè)信號(hào)u1和u2可以寫成共模分量uiC和差模分量uid的疊加。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Aud=uo______u1-u2共模分量uiC=差模分量uid=作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.1集成運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)______u1+u22u1-u22______即：u1=uiC+uid;u2=uiC–uid表2.1.1集成運(yùn)算放大器指標(biāo)分類作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)指標(biāo)分類指標(biāo)名稱直流指標(biāo)輸入失調(diào)電壓UIO、輸入失調(diào)電流IIO、輸入偏置電流II輸入失調(diào)電壓溫漂△UIO/△T、輸入失調(diào)電流溫漂△IIO/△T小信號(hào)指標(biāo)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo、差模輸入電阻rid、輸出電阻ro共模抑制比KCMR-3dB帶寬fH、單位增益帶寬fC大信號(hào)指標(biāo)最大輸出電壓Uopp、最大輸出電流Iomax最大差模輸入電壓Uid(max)、最大共模輸入電壓UiC(max)轉(zhuǎn)換速率SR作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回主要性能指標(biāo)的圖示IBN+IBPIIB=______22.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回主要性能指標(biāo)的圖示2.1.2集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.3理想運(yùn)算放大器由此可得理想運(yùn)放等效模型，如圖2.1.8作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.3理想運(yùn)算放大器由理想運(yùn)放的理想?yún)?shù)，可得理想運(yùn)放的兩個(gè)理想化條件：因?yàn)椋篈uo=∞，所以：U+=U－，稱為“虛短”；因?yàn)椋簉id=∞，所以：i+=i－，稱為“虛斷”。以上兩個(gè)理想化條件，又稱作“強(qiáng)制零輸入”，是分析運(yùn)算放大器線性應(yīng)用的理論依據(jù)。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回2.1.3理想運(yùn)算放大器我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下理想運(yùn)算放大器的工作特性。理想運(yùn)算放大器的工作特性作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下反相比例電路。反相比例電路

2.2.1反相輸入組態(tài)

2.2.1反相輸入組態(tài)圖2.2.1反相輸入比例運(yùn)算電路作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回反饋電阻平衡電阻輸入回路電阻RP=R1//RF作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.1反相輸入組態(tài)根據(jù)“虛短”和“虛斷”兩個(gè)理想化條件,由圖2.2.1可得：式中：-RF／R1為比例系數(shù);或稱電壓放大倍數(shù)Auf。圖2.2.2為電壓傳輸特性。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.1反相輸入組態(tài)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下同相比例電路。同相比例電路

2.2.2同相輸入組態(tài)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.2同相輸入組態(tài)圖2.2.4同相輸入比例運(yùn)算電路作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.2同相輸入組態(tài)根據(jù)“虛短”和“虛斷”兩個(gè)理想化條件,由圖2.2.4可得：式中：(1+RF／R1)為比例系數(shù);或稱電壓放大倍數(shù)Auf。圖2.2.7為電壓傳輸特性。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.2同相輸入組態(tài)當(dāng)比例系數(shù)（1+RF／R1）中，RF=0或R1=∞時(shí)，即RF／R1=0時(shí),uo=ui；電路稱為電壓跟隨器。如圖2.2.5所示。同相輸入與反相輸入組態(tài)相比較電路特點(diǎn)有：①同相輸入比反相輸入組態(tài)輸入電阻大；對(duì)放大有利。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.2同相輸入組態(tài)②同相輸入比反相輸入組態(tài)共模分量也大；對(duì)放大不利。

③同相輸入組態(tài)，輸出與輸入信號(hào)符號(hào)相同；反相輸入組態(tài)，輸出與輸入信號(hào)符號(hào)相反。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.2同相輸入組態(tài)例2.2.2理想集成運(yùn)算放大器構(gòu)成圖2.2.8所示電路，若R1=R2=100kΩ，R3=50kΩ,R4=200kΩ。(1)寫出uo與ui的表達(dá)式；(2)求出平衡電阻Rp1和Rp2的值。例2.2.3同相輸入比例放大器如下圖，已知R1=R3=10kΩ，R2=R4=100kΩ;試求:輸出電壓uo=?作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.2同相輸入組態(tài)解：作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下差分比例電路。差分比例電路

2.2.3差分輸入組態(tài)作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.3差分輸入組態(tài)當(dāng)兩個(gè)信號(hào)分別從兩個(gè)輸入端輸入時(shí)，構(gòu)成差分輸入組態(tài)，如圖2.2.9所示。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.3差分輸入組態(tài)分析差分輸入電路時(shí)，可利用線性電路疊加原理，分別求出反相輸入和同相輸入時(shí)輸出電壓，然后進(jìn)行疊加即可求出結(jié)果。在圖2.2.9電路中ui1作用時(shí)(ui2=0):ui2作用時(shí)(ui1=0):ui1與ui2共同作用：作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.3差分輸入組態(tài)為了保證集成運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端對(duì)地的電阻平衡，同時(shí)為了避免降低共模抑制比，在圖2.2.9電路中通常要求：代入上式得：作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.2.3差分輸入組態(tài)圖2.2.10是一個(gè)性能比較優(yōu)越的差分放大電路，常用于儀表放大器。

2.3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用舉例集成運(yùn)算放大器應(yīng)用十分廣泛，可分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩類。本節(jié)主要介紹運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用，屬于線性應(yīng)用的范疇。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回在此再次強(qiáng)調(diào)，線性應(yīng)用的分析特點(diǎn)：“虛短”和“虛斷”，是分析信號(hào)運(yùn)算電路的理論依據(jù)。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路1.反相求和電路我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下反相求和電路。反相求和電路作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路圖2.3.1所示電路為反相求和電路。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路

當(dāng)R1=R2=R3=RF時(shí)：平衡電阻：在上式中作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路2.同相求和電路我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下同相求和電路。同相求和電路作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路圖2.3.2所示電路為反相求和電路。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路在上式中RP=R1//R2//R3//R4為同相輸入端對(duì)地總電阻。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路且：考慮到直流電阻平衡條件：RP=RN且將反相電阻RN=R0//RF，代入上式:作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路當(dāng)R1=R2=R3=RF時(shí)，有注意：上式成立必須滿足RN=RP。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路3.加、減混合運(yùn)算電路圖2.3.3所示電路為加、減混合電路?？紤]到運(yùn)放共模抑制比的要求，電路應(yīng)滿足平衡條件RP=RN，即：作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路依據(jù)線性電路疊加原理，考慮到同相輸入和反相輸入公式，可得作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路例2.3.1試用一只集成運(yùn)算放大器和若干電阻設(shè)計(jì)一個(gè)電路能進(jìn)行如下運(yùn)算：限定所用最大電阻的阻值為120kΩ。解：該算式是加減混合運(yùn)算，uI1和uI3為正向求和，可采用同相輸入；uI2和uI4為反向求和，可采用反相輸入。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路若各電阻編號(hào)與輸入電壓編號(hào)相同，則可畫出設(shè)計(jì)電路，如圖2.3.4。根據(jù)式（2.3.5）有：作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.1加法和減法運(yùn)算電路根據(jù)題意有：其中RF的阻值最大，即由電阻平衡公式可得：作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.2積分電路和微分電路我們可以通過動(dòng)畫演示理解一下反相積分微分電路。反相積分微分電路作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.2積分電路和微分電路

1.積分電路把反相輸入方式電路中的反饋電阻改用電容C取代，即可構(gòu)成基本積分電路，如圖2.3.8(a)所示。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.2積分電路和微分電路當(dāng)運(yùn)放工作于線性放大狀態(tài)時(shí)，電路滿足：U+=U-，I+=I-=0的條件，所以

設(shè)初始條件為uO(0)=0,于是運(yùn)放的輸出電壓uO將與輸入電壓ui成積分關(guān)系。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.2積分電路和微分電路圖2.3.10為反相積分電路的階躍響應(yīng)。

RC>>tp意味著充放電時(shí)間很慢，電容充電未結(jié)束，輸入便翻轉(zhuǎn)，運(yùn)放始終工作在線性區(qū)。積分電路可以很方便地將矩形波轉(zhuǎn)換為三角波。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.2積分電路和微分電路

2.微分電路如果將圖2.3.8(a)所示的基本積分運(yùn)算電路中元件R和C的位置互易，使可構(gòu)成基本微分運(yùn)算電路，如圖2.3.12所示。作？業(yè)退出主菜單開始回退前進(jìn)最后返回

2.3.2積分電路和微分電路

2.微分電路作？業(yè)退出主菜單開始回退前