了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義

了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.2.2

集成運算放大器的簡單介紹一集成運算放大器的特點集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成電路分類模擬集成電路數(shù)字集成電路集成運算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成A/DD/A等。在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容量大于200pF的電容也比較困難，因而放大器各級之間都采（1）級間采用直接耦合方式第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日一集成運算放大器的特點用直接耦合，必須使用電容的場合，也大多采用外接的方法。（2）電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有對稱性集成電路中的電阻是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值大約為100~30K，且阻值精度不高，因此常常用晶體管恒流源代替電阻（動態(tài)電阻）；必須使用直流高阻值的場合，也大多采用外接的方法。由于集成電路中的各個元件是通過同一工藝過程制作在同一硅片上，同一片內(nèi)的元件參數(shù)絕對值有同向的偏差，溫度均一性好（3）用有源器件代替無源器件第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日二電路的簡單說明中間級輸入級輸出級偏置電路一、電路的基本組成及作用輸入級：要求輸入電阻高，差模放大倍數(shù)高，抑制零點漂移和共模干擾信號的能力強。都采用差分放大電路。中間級：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。第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日偏置電路：為各級放大電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路構(gòu)成。+UCCRUBE1VT1VT2UBE2+-+-IC2IC2IREF2IBIB2IB1一、鏡像電流源由電路對稱當(dāng)滿足2時，IC2作為提供給某個放大器的偏置電流。第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日中間級：提供足夠的電壓放大倍數(shù)，本身還應(yīng)有高的輸入電阻，以減小對前級的影響。+UCCRVT1VT2IC2IREFuiu0+UCCVT2uiu0-UEE第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日輸出級：與負(fù)載相接，要求輸出電阻低，帶負(fù)載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。+UCC–UEEuou–u+輸入級中間級輸出級同相輸入端輸出端反相輸入端第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日二主要參數(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

運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。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。超出此值，運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IIB第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.3理想運算放大器及其分析依據(jù)1.理想運算放大器Auo

，rid，ro0，KCMR2.電壓傳輸特性uo=f(ui)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)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實際特性uo++u+u–+UCC–UEE–飽和區(qū)

OAuo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:幾十~幾百KCMR高:70dB~130dB第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日

集成運算放大器的等效電路模型（1）線性工作區(qū)Auou-u+uou-u+uoAuo(u+-u-)線性工作受控源,集成運算放大器的等效電路模型(2)飽和工作區(qū)（非線性）u-u+uoUOM正飽和u-u+uo-UOM負(fù)飽和飽和工作恒壓源第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.理想運放工作在線性區(qū)的特點因為uo

=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)

O第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日4.理想運放工作在飽和區(qū)的特點(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，uo=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O飽和區(qū)第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日1.線性應(yīng)用

電路結(jié)構(gòu)上存在從輸出端到反向輸入端的負(fù)反饋支路輸入信號幅度足夠小，以保證集成運算放大器的輸出處于最大輸出電壓的范圍內(nèi)。集成運算放大器的應(yīng)用2.非線性應(yīng)用

電路結(jié)構(gòu)上，集成運算放大器處于開環(huán)（無反饋）或存在從輸出端到同相輸入端的正反饋支路，輸出總是處于飽和狀態(tài)，即輸出在正、負(fù)最大值之間變化。集成運算放大器電路分析的方法首先判斷應(yīng)用類型，然后利用理想運算放大器的特征對電路進(jìn)行分析。第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2比例運算1.

反相比例運算（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–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求靜態(tài)時u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF動畫第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2比例運算1.

反相比例運算電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–輸入電阻低，共模電壓

0第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日2.同相比例運算輸入電阻高共模電壓=ui電壓放大倍數(shù)因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”uoRFuiR2R1++––++–動畫第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日例：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.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日2.同相比例運算因虛斷，所以u+=ui

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

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態(tài)時u+、u對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFu+u–第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)R1=且RF

=0時，uo=ui，

Auf=1，稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–由運放構(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，其兩端電壓uo不會隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V

7.5k例：第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3加法運算電路

1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以ii1+ii2=if

動畫第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日2.同相加法運算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨作用(ui2＝0)時，同理，ui2單獨作用時ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–動畫第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日方法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+–第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時，對其它路無影響；同相加法運算電路的特點：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時，對其它路有影響；反相加法運算電路的特點：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.3.4減法運算電路由虛斷可得：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輸出與兩個輸入信號的差值成正比。常用做測量放大電路動畫第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日分析方法2：利用疊加原理減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5積分運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，則有動畫第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日若輸入信號電壓為恒定直流量，即ui=Ui

時，則uitO積分飽和線性積分時間線性積分時間–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成運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是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。輸出電壓隨時間線性變化Ui–Ui第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日微分運算電路ifi1由虛短及虛斷性質(zhì)可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui動畫第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)1.基本電壓比較器閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––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。參考電壓動畫第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo輸入信號接在反相端輸入信號接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日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

–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日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第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日2.滯回比較器上門限電壓下門限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RF當(dāng)uo=+Uo(sat)，則當(dāng)uo

=–Uo(sat)，則門限電壓受輸出電壓的控制R2uoui++–R1+–+–－－第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日上門限電壓U'+

：ui逐漸增加時的門限電壓下門限電壓U"+：ui

逐漸減小時的門限電壓uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++–R1+–+–第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動?？梢姡簜鬏斕匦圆辉賹ΨQ于縱軸，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當(dāng)參考電壓UR不等于零時第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日定義：回差電壓與過零比較器相比具有以下優(yōu)點：1.改善了輸出波形在躍變時的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，U越大，抗干擾能力越強。結(jié)論：1.調(diào)節(jié)RF

或R2

可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門限電壓，但不影回差電壓U。電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測、自動控制、超限控制報警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用。第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日解：對圖（1）

上門限電壓

下門限電壓例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日解：對圖（2）

例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門限電壓。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226圖(1)的電壓傳輸特性圖(2)的電壓傳輸特性uouiO

-661.335.33第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日運放在波形產(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：不用外接輸入信號，即有輸出信號。第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.5.2矩形波發(fā)生器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，

uo

=+Uo(sat)

，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對電容C充電，uC

按指數(shù)規(guī)律增長。RFCuC+–R1R2uo++–+–充電UR+–第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日當(dāng)uo

=+Uo(sat)時，電容充電，uC上升，電容放電，

uC下降，當(dāng)uC=UR

時，uo

跳變成–Uo(sat)當(dāng)uC=–UR

時，uo

跳變成

+Uo(sat)

，電容又重新充電。放電2.工作原理RFCuC+–R1R2uo++–+–充電UR+–RFCuC+–R1R2uo++–+–UR+–動畫第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日3.工作波形充電放電uouCt1t3t2T=T1+T2電容充放電過程，uC的響應(yīng)規(guī)律為4.周期與頻率T1T2T–Uo(sat)+Uo(sat)第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期日互補對稱功率放大電路（補充知識）對功率放大電路的基本要求功率放大電路的作用：是放大電路的輸出級，去推動負(fù)載工作。例如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動機旋轉(zhuǎn)等。(1)在不失真的情況下能輸出盡可能大的功率。(2)