第16章 集成運(yùn)算放大器

第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹16.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用16.4運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用16.5使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題16.3運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用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。本章要求第16章集成運(yùn)算放大器16.1集成運(yùn)算放大器的簡單介紹集成運(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。

集成電路

是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的聯(lián)接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上,組成一個(gè)不可分的整體。特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。分類按集成度按導(dǎo)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)字和模擬各類型號(hào)集成芯片16.1.1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)1.元器件參數(shù)的一致性和對(duì)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(jié)代替。16.1.2電路的簡單說明輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路運(yùn)算放大器方框圖輸入級(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分放大器

。中間級(jí)：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(gòu)成。

偏置電路:由鏡像恒流源等電路組成輸出級(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。－15V①②③④⑤⑥I3430PfR8⑦＋15VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IRR5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的內(nèi)部電路圖3.5.4、典型集成運(yùn)放電路通用型集成運(yùn)放F007集成運(yùn)算放大器的管腳和符號(hào)反相輸入端同相輸入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信號(hào)傳輸方向輸出端實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a)符號(hào);(b)引腳

765F0071234U-U+-UCC+UCC輸出集成運(yùn)放741的電路原理圖同相輸入輸入級(jí)偏置電路中間級(jí)輸出級(jí)+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C反相輸入輸出16.1.3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IIB1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2.開環(huán)輸入電阻3.開環(huán)輸出電阻4.共模抑制比實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，為此,后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都按理想化條件進(jìn)行的。16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：16.1.4理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)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)

uo++u+u––2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O理想運(yùn)算放大器圖形符號(hào)3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o

=Auo(u+–

u–

)所以(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)O4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)16.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。16.2.1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(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0，

ifi1i–i+所以i1if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–

結(jié)論：(1)Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。(2)Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。(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”。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=

R1RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u(píng)+=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(shí)u+、u對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–結(jié)論：(1)Auf為正值，即uo與ui

極性相同。(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。(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。當(dāng)R1=且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：負(fù)載電流的大小與負(fù)載無關(guān)。例2:負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路(1)能測量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對(duì)被測電路影響小。流過電流表的電流IGUxR2R1+–++–iLi1RLuiR2R1+–++–16.2.2加法運(yùn)算電路1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可寫出u–和u+的表達(dá)式，利用u–=u+的性質(zhì)求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–16.2.3減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：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。常用做測量放大電路分析方法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+–++––16.2.4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uitO積分飽和線性積分時(shí)間線性積分時(shí)間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=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uo是時(shí)間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時(shí)間線性變化Ui–Ui

將比例運(yùn)算和積分運(yùn)算結(jié)合在一起，就組成比例-積分運(yùn)算電路。ifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-積分

這種運(yùn)算器又稱PI調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。uoCFuiR2R1++––++–RF16.2.5微分運(yùn)算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++–uoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)輸入電壓的比例-微分控制系統(tǒng)中，PD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?！狿D調(diào)節(jié)器ifiRiC16.3.3電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。由此來判斷輸入信號(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)檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合。

運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。16.3運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用理想運(yùn)放工作在飽和區(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

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O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)可見，在ui=UR處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot+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)uiuoOURui>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(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2輸出帶限幅的電壓比較器設(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

=–UZUZ–UZ電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR時(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O例1：圖中所示為運(yùn)放組成的過溫保護(hù)電路，R是熱敏電阻，溫度升高阻值變小。KA是繼電器，溫度升高，超過規(guī)定值，KA動(dòng)作，自動(dòng)切斷電源。分析其工作原理。溫度超過規(guī)定值，ui

>UR，uo=+UOM，T導(dǎo)通。KA動(dòng)作，切斷電源。溫度未超過規(guī)定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不動(dòng)作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo電壓傳輸特性u(píng)oOUO(sat)–UO(sat)例2:電路如圖所示,ui是一正弦電壓,畫出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:運(yùn)放為同相輸入過零電壓比較器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各電壓波形如右圖所示。R1R2uiuo+–+CDRLR16.4運(yùn)放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用：產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點(diǎn)：不用外接輸入信號(hào)，即有輸出信號(hào)。16.4.1矩形波發(fā)生器矩形波產(chǎn)生電路

uc+–UR+–1.電路結(jié)構(gòu)

由滯回比較器、RC充放電電路組成。電容電壓uc

即是比較器的輸入電壓，2.工作原理設(shè)電源接通時(shí)，uo

=+UZ，uc(0)=0。電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。uo

通過RF對(duì)電容C充電，uc按指數(shù)規(guī)律增長。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1動(dòng)畫當(dāng)uo

=+UZ時(shí)，電容充電，uc上升，電容放電，

uc下降，當(dāng)uc=UR

時(shí)，uo跳變成–UZ當(dāng)uc=–UR

時(shí)，uo跳變成+UZ，電容又重新充電。2.工作原理放電uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充電3.工作波形T2T=T1+T2電容充放電過程，uc的響應(yīng)規(guī)律為4.周期與頻率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的頻率充放電時(shí)間常數(shù)相同：=RC

矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號(hào)源在充電過程中在放電過程中

A1：滯回比較器

因u–=0，所以當(dāng)u+=0時(shí)，A1狀態(tài)改變16.4.3三角波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu)A2：反相積分電路Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R12.工作原理A1：滯回比較器因u-=0，所以當(dāng)u+=0時(shí)，A1狀態(tài)改變輸出uo1

改變(+UZ

躍變到–UZ

或–UZ

躍變到+UZ)，當(dāng)同時(shí)積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。動(dòng)畫Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1TT1T23.工作波形4.周期與頻率T=T1+T2

=2T1=2T2uo1UZ

–UZtOuo(1)改變比較器的輸出uo1、電阻R1、R2即可改變?nèi)遣ǖ姆怠?2)改變積分常數(shù)RC即可改變?nèi)遣ǖ念l率。動(dòng)畫16.4.3鋸齒波發(fā)生器1.電路三角波發(fā)生器在三角波發(fā)生器的電路中，使積分電路的正、反向積分的時(shí)間常數(shù)不同，即可使其輸出鋸齒波。CR3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1uo1R4'DCuoR3DZR2++–R6R5R4+–++–A2A1R1uo12.波形16.4.3鋸齒波發(fā)生器1.電