第十章集成運算放大器

第10章集成運算放大器成都大學工業(yè)制造學院10.1集成運算放大器概述10.2

反饋的基本概念10.3

基本運算電路10.4

運算放大器在信號處理方面的應用10.5

使用運算放大器應注意的幾個問題目錄返回集成電路：分立電路：——各種單個元件連接起來的電子電路?！怯靡欢ǖ纳a工藝把晶體管、場效應管、二極管、電阻、電容等電子元器件，以及它們之間的連線所組成的整個電路集成在一塊半導體芯片上，封裝在一個管殼內，構成一個完整的、具有一定功能的器件，也稱為固體器件。集成電路相比于分立電路的優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小，實現了元件、電路和系統(tǒng)的三結合。集成電路中元器件的特點(1)單個的精度不是很高,但由于是在同一硅片上、用相同工藝生產出來的，性能比較一致；(2)元器件相互離得很近,溫度特性較一致；(3)電阻一般在幾十歐至幾十千歐、太高或太低都不易制造；(4)電感難于制造,電容一般不超過200pF,大電容不易制造。返回10.1集成運算放大器概述集成運算放大器電路方框圖中間級輸入級輸出級偏置電路返回——是一種高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路。各部分作用

輸入級是提高運算放大器質量的關鍵部分，要求其輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號。一般采用差分放大電路，有同相和反相兩個輸入端。

中間級主要進行電壓放大，要求其電壓放大倍數高，一般由共發(fā)射極放大電路構成。

輸出級與負載相連，要求其輸出電阻低，帶負載能力強，能輸出足夠大的電壓和電流，一般由互補對稱電路或射極輸出器構成。

偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定和核實的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由各種恒流源電路構成。返回1、集成運放的內部基本結構-UEE+UCCuo

u＋

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS輸入級輸出級中間級返回2、集成電路的封裝雙列直插式塑料封裝管腳數有8、10、12、14、16等種類金屬殼封裝管腳數有8、10、12等種類返回3、F007（5G24）外引線圖反相輸入端同相輸入端輸出端接線圖頂視圖(圓殼式)返回正電源端負電源端外接調零電位器端

ri高:幾十k

幾百k運放的特點：理想運放：

ri

KCMRR很大KCMRR

ro?。簬资畘幾百

ro

0

Ao很大:104以上~107Ao

4、運放的特點和符號運放符號：－＋＋

u－

u+

uoA0－＋＋

u－

u+

uoA0－＋＋

u－

u+

uo返回理想運放符號：5、運算放大器的主要參數(1)最大輸出電壓UOPP能夠使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關系的最大輸出電壓。(2)開環(huán)電壓放大倍數Auo在運算放大器的輸出端與輸入端之間沒有外接電路時所測出的差模電壓放大倍數。Auo越高，所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。(3)輸入失調電壓UIO理想的運算放大器，當輸入電壓uI1=uI2=0(即兩個輸入端同時接地)時，輸出電壓uo=0，但在實際運放中，由于制造中元件參數的不對稱性等原因，輸入電壓為零時，輸出電壓不為零，所以，要使輸出電壓為零，必須在輸入端加一個很小的補償電壓，這就是輸入失調電壓，UIO越小越好。返回(4)輸入失調電流IIO(5)輸入偏置電流IIB(6)共模輸入電壓范圍UICM輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流之差。即IIO=|IB1-IB2|。IIO值越小越好。輸入信號為零時，兩個輸入端靜態(tài)基極電流的平均值。即IIB=(IB1+IB2)/2。IIB值越小越好。運算放大器對共模信號具有抑制的性能，但這個性能是在規(guī)定的共模電壓范圍內才具備，若超出這個電壓范圍，其運放的抑制性能就會大大降低。返回6、運算放大器的傳輸特性+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)很窄,所以運放在線性區(qū)工作,通常引入深度電壓負反饋。返回(1)工作在線性區(qū)：實際特性理想特性運算放大器線性應用時的分析依據稱為“虛短”3、如果信號從反向端輸入，同相端接地，則反相端近于“地”電位。返回1、輸入電阻ri趨于∞，則可認為兩個輸入端的輸入電流為零。即：稱為“虛斷”2、開環(huán)電壓放大倍數Auo趨于∞，而輸出電壓是一個有限值，則由：得：即：即：稱為“虛地”當時，注意：此時輸入端的輸入電流也等于零返回(2)工作在飽和區(qū)：當時，工作于正飽和區(qū)工作于負飽和區(qū)即：即：例1：F007運算放大器的正、負電源電壓為±15V，開環(huán)電壓放大倍數AU0=2105,輸出最大電壓（即Uo(sat))為±13V。在下圖電路中分別加如下電壓，求輸出電壓及其極性：－＋＋

u－

u+

uo返回解：只要兩個輸入端之間的電壓絕對值超過65μV，輸出電壓就達到正或負的飽和值。輸出電壓：輸出電壓：輸出電壓：輸出電壓：返回放大電路Ao反饋電路F輸入信號xi凈輸入信號xd輸出信號xo

xf反饋信號比較環(huán)節(jié)反饋示意圖開環(huán)放大倍數：Ao=xoxd閉環(huán)放大倍數：Af=xoxi反饋系數：F

=xfxo10.2反饋的基本概念返回將放大電路輸出端的信號的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端，就稱為反饋。一、反饋的分類(1)正反饋和負反饋

①正反饋：xf與xi作用相同，使xd增加②負反饋：xf與xi作用相反，使xd減小(2)電壓反饋和電流反饋

①電壓反饋：xf∝uo(xo)，即反饋信號取自輸出電壓②電流反饋：xf∝io(xo)，即反饋信號取自輸出電流(3)串聯反饋和并聯反饋①串聯反饋：xf與xi以串聯的形式作用于凈輸入端②并聯反饋：xf與xi以并聯的形式作用于凈輸入端AoFxi

xd

xf

xo返回(4)直流反饋和交流反饋返回①直流反饋：xf

是靜態(tài)直流分量；②交流反饋：xf

是動態(tài)交流分量。二、反饋的判斷(1)判斷是否存在反饋？哪些是反饋元件？①無反饋：放大電路輸出端信號沒有引回到輸入端②有反饋：放大電路輸出端信號部分或全部通過某種電路引回到輸入端(2)判斷是電壓反饋還是電流反饋？①電壓反饋：反饋電路直接從輸出端引出；②電流反饋：反饋電路從輸出端的負載靠“地”端引出。(3)判斷是串聯反饋還是并聯反饋？①串聯反饋：xf與xi分別接在兩個輸入端上；②并聯反饋：xf與xi都接在同一個輸入端上。(4)判斷是正反饋還是負反饋？①對串聯反饋：

xf與xi極性相同——負反饋；

xf與xi

極性不同——正反饋。②對并聯反饋：

xf與xi

極性相同——正反饋；

xf

與xi極性不同——負反饋。返回例2：判斷圖示電路的反饋類型。解：Ao++－uiuoR2－

ud+R1RF－

uf+結論：電路為電壓串聯負反饋。返回(1)存在反饋，RF為反饋電阻；(2)反饋電路是直接從輸出端引出，電壓反饋；(3)xf與xi分別接在兩個輸入端上，串聯反饋；(4)對串聯反饋,xf與xi極性相同，負反饋。例3：判斷圖示電路的反饋類型。AO++－uiR2R1RLRuo+－RF結論：電路為電流并聯負反饋。解：(1)存在反饋，RF為反饋電阻(2)反饋電路從輸出端的負載靠地端引出，電流反饋；(3)xf與xi接在同一個輸入端上，并聯反饋；(4)對并聯反饋,xf與xi極性不同，負反饋。返回例4：試判斷圖示電路RF所形成的反饋類型。uo1∞－++△R11Rf1R12ui∞－++△R21Rf2R22uoRf解：結論：RF形成電路的電壓串聯正反饋。返回(1)存在反饋，RF為反饋電阻；(2)反饋電路直接從輸出端引出，電壓反饋；(3)xf與xi分別接在兩個輸入端上，串聯反饋；(4)對串聯反饋,xf與xi極性不同，正反饋。三、負反饋對放大電路性能的改善AoFxi

xd

xf

xo因為開環(huán)放大倍數很大，線性區(qū)很窄，為了使輸出信號都保持在運放的線性區(qū)(即運放工作在線性區(qū)),所以,通常引入深度電壓負反饋。開環(huán)放大倍數：閉環(huán)放大倍數：凈輸入信號：返回反饋深度即：如果：

|F|

|Ao|＞＞1

——深度負反饋。AoFxi

xd

xf

xo返回則：——閉環(huán)放大倍數只與反饋電阻值有關，與開環(huán)放大倍數無關。(1)提高了放大電路的穩(wěn)定性負反饋對放大電路性能的改善返回(2)加寬了通頻帶0|A|f0.707

|Ao||Ao|B0|Af|0.707|Af|

Bf(3)改善了非線性失真AouiuoudAoFuiufuouo返回——利用失真了的波形來改善波形的失真，因此只能減小失真，不能完全消除失真。(4)穩(wěn)定了輸出電壓或電流電壓負反饋：穩(wěn)定uo電流負反饋：穩(wěn)定io(5)改變了輸入電阻或輸出電阻串聯反饋：ri↑并聯反饋：ri↓電壓負反饋：ro↓電流負反饋：ro↑返回思考題1見書p281：(2)返回uo∞－++△10.3基本運算電路(一)比例運算電路(1)反相比例運算電路R1uiRfR2u－u+虛地i1if閉環(huán)電壓放大倍數Auf虛斷返回——輸入信號從反相輸入端引入虛短平衡電阻當Rf=R1時：

uo=－ui反相器平衡電阻:R2=R1//Rfuo∞－++△R1uiRfR2u－u+i1if返回——只取決于相關電阻阻值，而與運算放大器本身參數無關。閉環(huán)電壓放大倍數：虛短虛斷(2)同相比例運算電路——輸入信號從同相輸入端引入uo∞－++△R1R2uiRfu－u+i1if所以：閉環(huán)電壓放大倍數：返回只取決于相關電阻阻值，而與運算放大器本身參數無關。uo∞－++△R1R2uiRfu－u+i1if平衡電阻:R2=R1//Rfuo=ui——條件

？uo∞－++△ui電壓跟隨器當R1=∞(斷開)或Rf=0時返回uo=ui例5：測量電阻的電路如圖所示。已知：ui=U

=10V，輸出端接有滿量程為5V的電壓表，被測電阻為Rx

。(1)試找出Rx與電壓表讀數的關系；(2)若所用運放為F007型，為了擴大測量電阻的范圍，將電壓表的量程選為50V是否有意義？uo∞－++△R11MΩuiRx

+U

－V－

+0~5V解：圖為一反相比例運算電路uo=－ＲxＲ1uiＲx=－Ｒ1uiuo=－105uo

uo/VＲx/Ω－1－2－3－4－51052×1053×1054×1055×105返回(1)因為F007型的最大輸出電壓為±13V，所以，選用超過13V量程為50V的電壓表無意義。(2)若所用運放為F007型返回例6：圖中同相比例運算電路，求：返回解：由反相輸入端由同相輸入端得：得：所以：(二)加法運算電路(1)反相加法運算電路——在反相輸入端增加若干輸入電路u－=u+=0虛地虛斷i－=i+=0虛短所以：if返回if當R11=R12=R13=R1時：當R1=RF時：平衡電阻返回加法運算電路與運算放大器本身的參數無關,只要電阻阻值足夠精確,就可保證加法運算的精度和穩(wěn)定性.(2)同相加法運算電路——在同相輸入端增加若干輸入電路ii1ii2返回反相端：得：同相端：得：所以：(三)減法運算電路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2+①②R3uo’∞－++△R1RfR2ui1R3uo’’∞－++△R1RfR2ui2u－u+——兩個輸入端都有信號輸入，也叫做差分輸入。返回R3uo’∞－++△R1RfR2ui1R3uo’’∞－++△R1RfR2ui2▲當ui2單獨作用時:▲當ui1單獨作用時:u+=R3R2+R3ui2返回R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2則：▲平衡電阻:返回當R1=Rf時：當R1=R2和RF=R3時：例7：圖示是集成電路的串級應用，試求輸出電壓uo返回A1是電壓跟隨器，則A2是減法運算電路，則解：uo1u+u-所以：例8：兩級運算電路如圖所示。(1)試推導uo與ui1、ui2、ui3的運算關系；(2)若:R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=

R6=Rf2=10kΩui1=0.1V，ui2=0.2V，ui3=0.3V，求uo的值。uo’∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3

+uo

－解：(1)第一級運算為加法運算電路返回∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3

+uo

－uo’返回第二級運算為減法運算電路由：由：和所以：(四)積分運算電路uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－積分時間常數▲平衡電阻:R2=R1——與反相比例運算電路比較，用電容CF代替RF作為反饋元件，就稱為積分運算電路。虛地虛斷虛短由：和得：返回微分時間常數(五)微分運算電路uo∞－++△CuiRfu－u+R2i1if+uC－——微分運算是積分運算的逆運算，只需將反相輸入端的電阻和反饋電容調換位置，就成為微分運算電路。虛地虛斷虛短由：和得：▲平衡電阻:R2=Rf返回思考題2見書p289:(1)、(2)10.4運算放大器在信號處理方面的應用一、濾波器濾波器就是一種選頻電路,它能選出有用的信號,而抑制無用的信號,使一定頻率范圍內的信號能順利通過,衰減很小,而在此頻率范圍以外的信號不易通過,衰減很大。返回按濾波器所含元器件的不同，可分為：無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器——有源濾波器——由無源元件R、C和L組成；由無源元件R、C組成的無源濾波器加上有源元件集成運算放大器組成。按濾波電路的功能分低通濾波器LPF帶阻濾波器BEF高通濾波器HPF帶通濾波器BPF返回傳遞函數：幅頻特性相頻特性濾波器返回(1)有源低通濾波器設輸入為正弦波，可以用相量表示為截止頻率返回其中：則：若頻率ω為變量，則該電路的傳遞函數：幅角：返回模：當ω=0時：當ω=ω0時：當ω=∞時：返回幅頻特性結論：低通濾波器具有使低頻信號較易通過而抑制較高頻率信號的作用。要想使濾波效果更好