簡(jiǎn)明電工學(xué)課件：集成運(yùn)算放大電路

集成運(yùn)算放大電路11.1集成運(yùn)算放大器概述11.2反饋的基本概念11.3電壓比較器11.4基本運(yùn)算電路

集成電路是使用特定的半導(dǎo)體制造工藝,將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅片上,封裝后引出多條引線,形成具有特定功能的電路塊。集成電路的特點(diǎn):體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。

集成電路按集成度分為小、中、大、超大、特大和巨大規(guī)模集成電路。

按照處理的信號(hào)不同,集成電路可以分為模擬集成電路(集成功率放大器、集成運(yùn)算放大器等)及數(shù)字集成電路(集成門(mén)電路、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器等)。

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,簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放(運(yùn)放),是一種發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的模擬集成電路。集成運(yùn)放在各種電子電路中被廣泛應(yīng)用,特別是各種專(zhuān)用、高性能電路。

能力要素

(1)能夠?qū)﹄妷罕容^器相關(guān)電路進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

(2)能夠分析由運(yùn)放組成的比例、加法、減法、積分、微分等運(yùn)算電路。

(3)能夠利用運(yùn)放設(shè)計(jì)電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的比例、加法、減法、積分、微分等運(yùn)算。

知識(shí)結(jié)構(gòu)

11.1集成運(yùn)算放大器概述

11.1.1集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)放種類(lèi)繁多,性能各異,但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同,通常由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成。輸入級(jí)采用差分放大電路,具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力;中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大,具有高電壓放大倍數(shù),一般由共射極放大電路構(gòu)成;輸出級(jí)與負(fù)載相連,具有輸出電阻低、帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn),一般由射極輸出器等電路構(gòu)成。

對(duì)于集成運(yùn)放的使用者來(lái)說(shuō),只要能做到合理選擇、正確使用就可以。因而要對(duì)運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)做到正確理解,并會(huì)選擇外圍電路元件,重點(diǎn)放在與各“引腳”相連的有關(guān)電路上。

集成運(yùn)放有圓殼式、扁平式和雙列直插式封裝等,常見(jiàn)的集成運(yùn)放如圖11.1.1所示。圖11.1.1常見(jiàn)的集成運(yùn)放

例如F007,它的外形、管腳和外部接線如圖11.1.2所示,有雙列直插式和圓殼式兩種封裝。圖11.1.2F007集成運(yùn)放的外形、管腳和外部接線圖

F007有八個(gè)引腳,各引腳功能如下:

2———反向輸入端。由此端接輸入信號(hào),則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是反相的(或者兩者極性相反)。

3———同相輸入端。由此端接輸入信號(hào),則輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是同相的(或者兩者極性相同)。

4———負(fù)電源端。接-15V穩(wěn)壓電源。

7———正電源端。接+15V穩(wěn)壓電源。

6———輸出端。

1和5———外接調(diào)零電位器的兩個(gè)端子。

8———空腳。

忽略掉電源和其他用途的接線端,集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)如圖11.1.3所示。它有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。反相輸入端標(biāo)“-”號(hào),同相輸入端和輸出端標(biāo)“+”號(hào)。它們對(duì)“地”的電壓(即各端的電位)分別用u-、u+、uo表示。“Auo”表示開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)。圖11.1.3運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)

11.1.2電壓傳輸特性

通常用運(yùn)放的電壓傳輸特性表示運(yùn)放輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之間的關(guān)系。F007的電壓傳輸特性如圖11.1.4所示,輸入電壓uD=u+-u-。由圖可以看出,運(yùn)放的傳輸特性分為線性區(qū)與非線性區(qū)(飽和區(qū))。

在線性區(qū),輸入與輸出之間呈線性關(guān)系,即圖11.1.4F007電壓傳輸特征

由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo很高,即使輸入毫伏級(jí)以下的信號(hào),也足以使輸出電壓飽和,其飽和值為+Uo(sat)或-Uo(sat),接近正電源或負(fù)電源的電壓值。

F007電源電壓為±15V時(shí)的最大輸出電壓±13V。按Auo=105計(jì)算,輸出為±13V時(shí),輸入電壓uD為±0.13mV。當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)±0.13mV時(shí),輸出電壓恒為±13V,不再隨uD變化,此時(shí)運(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū)。

由此可以看出,運(yùn)放工作在線性區(qū)的輸入電壓范圍很小。為了能夠利用集成運(yùn)放對(duì)實(shí)際輸入信號(hào)(它比運(yùn)放的線性范圍大很多)進(jìn)行線性放大,必須外加負(fù)反饋,這是集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路的共同特點(diǎn)。

【例11.1.1】某一集成運(yùn)放的正、負(fù)電源電壓為±15V,開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo=2×105,最大輸出電壓(即±Uo(sat))為±13V。當(dāng)輸入電壓為如下幾種情況時(shí),分別求對(duì)應(yīng)的輸出電壓。

(1)u+=+15μV,u-=-10μV;

(2)u+=-5μV,u-=+10μV;

(3)u+=0μV,u-=+5mV;

(4)u+=5mV,u-=0V。

11.1.3理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)

由于實(shí)際運(yùn)放與理想運(yùn)放性能比較接近,因此在分析、計(jì)算、應(yīng)用電路時(shí),用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放所帶來(lái)的誤差并不嚴(yán)重,在一般工程計(jì)算中是允許的。本模塊中,凡未特別說(shuō)明的,均將運(yùn)放視為理想運(yùn)放來(lái)考慮。所謂理想運(yùn)放,就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化,主要包括:

①開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞。

②開(kāi)環(huán)輸入電阻ri→∞。

③開(kāi)環(huán)輸出電阻ro→0。

④共模抑制比KCMRR→∞。

理想運(yùn)放的圖形符號(hào)如圖11.1.5所示,其中“∞”表示開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的理想化條件。圖11.1.5理想運(yùn)放的圖形符號(hào)

理想運(yùn)放的電壓傳輸特性如圖11.1.6所示。圖11.1.6理想運(yùn)放電壓傳輸特性

1.工作在線性區(qū)

理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),分析依據(jù)有兩條:

(1)由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞,而輸出電壓是一個(gè)有限數(shù)值,故從式(11.1.1)可知,

運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間呈現(xiàn)“虛短路”特性,簡(jiǎn)稱(chēng)“虛短”。“虛短路”與“短路”截然不同?！疤摱搪贰钡膬牲c(diǎn)之間仍然有信號(hào)電壓,盡管該電壓十分微小;“短路”的兩點(diǎn)之間信號(hào)電壓為零。若運(yùn)放的兩輸入端之間是“短路”而不是“虛短路”,表明放大器無(wú)信號(hào)輸入,當(dāng)然也就無(wú)信號(hào)輸出。

(2)由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)輸入電阻ri→∞,故可認(rèn)為兩個(gè)輸入端的輸入電流為

該特性稱(chēng)為運(yùn)放輸入端的“虛開(kāi)路”特性,簡(jiǎn)稱(chēng)“虛斷”。若某一支路中的電流為無(wú)窮小量,則該支路就被認(rèn)為是“虛開(kāi)路”。顯然,“虛開(kāi)路”與“開(kāi)路”也截然不同。

2.工作在飽和區(qū)

理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)時(shí),式(11.1.1)不能滿足,這時(shí)輸出電壓uo只有兩種可能,等于+Uo(sat)或-Uo(sat)),而u+與u-不一定相等。

(1)當(dāng)u+>u-時(shí),uo=+Uo(sat);

(2)當(dāng)u+<u-時(shí),uo=-Uo(sat)。

此外,運(yùn)算放大器工作在飽和區(qū)時(shí),兩輸入端的電流也認(rèn)為是0。

為了使運(yùn)放工作在飽和區(qū),一般都使運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作。有時(shí)為加快轉(zhuǎn)換過(guò)程,還會(huì)外加一定強(qiáng)度的正反饋。

綜上所述,若運(yùn)放外部引入負(fù)反饋,則運(yùn)放工作在線性區(qū);若運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作或帶有正反饋,則運(yùn)放工作在飽和區(qū)。

11.2反饋的基本概念

凡是將電子電路(或某個(gè)系統(tǒng))輸出端信號(hào)(電壓或電流)的一部分或全部通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)引回到輸入端,就稱(chēng)為反饋。圖11.2.1是帶有反饋的放大電路方框圖,主要包括基本放大電路Ao和反饋電路F。圖11.2.1帶有反饋的放大電路方框圖

反饋放大電路中,xi是反饋放大電路的原輸入信號(hào),xo是輸出信號(hào),xF是反饋信號(hào),xD是基本放大電路的凈輸入信號(hào)?；痉糯箅娐穼?shí)現(xiàn)信號(hào)的正向傳輸,反饋電路則將部分或全部輸出信號(hào)反向傳輸?shù)捷斎攵?因此,凈輸入信號(hào)xD=xi-xF。

判斷放大電路中是否存在反饋的方法是:觀察放大電路中有無(wú)反饋通路,即觀察放大電路輸出回路與輸入回路之間是否有電路元件起橋梁作用。若有,則存在反饋電路,即電路為反饋(閉環(huán))放大電路;反之,則無(wú)反饋電路,即電路為開(kāi)環(huán)放大電路。

根據(jù)反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)的合成類(lèi)型(相加或相減,反饋極性),可將反饋電路分為正反饋與負(fù)反饋。正反饋:xF與xi作用相同,使xD增加;負(fù)反饋:xF與xi作用相反,使xD減小。

根據(jù)反饋信號(hào)中所含成分的不同,可將反饋電路分為直流反饋與交流反饋。

根據(jù)反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)在放大電路輸入端合成方式的不同,可將反饋電路分為串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋。串聯(lián)反饋:xF與xi以串聯(lián)的形式作用于凈輸入端;并聯(lián)反饋:xF與xi以并聯(lián)的形式作用于凈輸入端。

根據(jù)輸出信號(hào)反饋端采樣方式的不同,可將反饋電路分為電壓反饋與電流反饋。電壓反饋:反饋信號(hào)取自輸出電壓;電流反饋:反饋信號(hào)取自輸出電流。

為了正確分析反饋對(duì)放大電路性能的影響,必須明確反饋極性的判別。

11.2.1正反饋和負(fù)反饋的判別方法

一般采用瞬時(shí)極性法來(lái)判斷正負(fù)反饋。首先將反饋電路與輸入回路斷開(kāi),再假定原輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)變化的極性為正(“+”)(相對(duì)于公共參考端而言),根據(jù)各種基本放大電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的相位關(guān)系,順著信號(hào)的輸出方向,逐級(jí)標(biāo)出放大電路中各有關(guān)點(diǎn)電位的瞬時(shí)極性。判斷出反饋信號(hào)的變化趨勢(shì)是減弱輸入信號(hào)的變化趨勢(shì),則為負(fù)反饋;反之則為正反饋。

判斷口訣:同端同號(hào)正反饋;同端異號(hào)負(fù)反饋;異端異號(hào)正反饋;異端同號(hào)負(fù)反饋。

說(shuō)明:同端、異端指輸入信號(hào)和反饋信號(hào)是否加在放大器同一端;同號(hào)、異號(hào)指兩信號(hào)的極性是否相同。

【例11.2.1】判斷圖11.2.2所示電路引入的反饋的極性。圖11.2.2例11.2.1的電路

解圖11.2.2(a)、(b)的瞬時(shí)極性標(biāo)注分別如圖11.2.3(a)、(b)所示。圖11.2.3瞬時(shí)極性標(biāo)注電路

11.2.2負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響

在放大電路中經(jīng)常利用負(fù)反饋來(lái)改善放大電路的性能。負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的改善是以降低電壓放大倍數(shù)為代價(jià)的,因?yàn)樵谟胸?fù)反饋的放大電路中,反饋信號(hào)與輸入信號(hào)作用相反,使凈輸入信號(hào)減小,輸出信號(hào)減小,因而放大倍數(shù)下降。下降的程度可通過(guò)下面分析來(lái)說(shuō)明。

負(fù)反饋雖然使放大倍數(shù)下降,但是它能改善放大電路的性能。主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。

當(dāng)外界條件變化時(shí),即使輸入信號(hào)一定,仍將引起輸出信號(hào)的變化,即引起放大倍數(shù)的變化。如果這種相對(duì)變化較小,則說(shuō)明其穩(wěn)定性較高。

放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系如圖11.2.4所示。有反饋時(shí)放大倍數(shù)由Ao降到了Af。由于放大倍數(shù)穩(wěn)定性的提高,在低頻段和高頻段的電壓放大倍數(shù)下降程度減小,使得下限截止頻率由原來(lái)的f1變成了f3,上限截止頻率由原來(lái)的f2變成了f4,從而使通頻帶由Bo展寬到了Bf。圖11.2.4展寬通頻帶

(3)改善了非線性失真。

模塊10介紹了飽和失真與截止失真兩種非線性失真。圖11.2.5(a)所示波形產(chǎn)生了非線性失真,引入負(fù)反饋后,由于凈輸入信號(hào)減小,使得iC減小,從而改善了非線性失真,如圖11.2.5(b)所示。圖11.2.5改善非線性失真

(4)穩(wěn)定了輸出電壓或輸出電流。

電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用,電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用。

(5)改變了輸入電阻與輸出電阻。

負(fù)反饋對(duì)放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響與反饋的方式有關(guān)。

串聯(lián)負(fù)反饋在保持ui一定時(shí),致使輸入電阻ri增加。

并聯(lián)負(fù)反饋在保持ui一定時(shí),致使輸入電阻ri減小。

電壓負(fù)反饋使輸出電壓趨于穩(wěn)定,致使輸出電阻ro減小。

電流負(fù)反饋使輸出電流趨于穩(wěn)定,致使輸出電阻ro增加。

11.3電壓比較器

電壓比較器是集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的典型應(yīng)用,用來(lái)比較輸入電壓與參考電壓的大小。它通常至少有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端,其中一個(gè)輸入端接參考電壓(或基準(zhǔn)電壓),另一個(gè)接被比較的輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓略高于或低于參考電壓時(shí),輸出電壓發(fā)生躍變,但輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài),即高電平或者低電平。可見(jiàn),比較器輸入的是模擬信號(hào),輸出的則是數(shù)字信號(hào),它是模擬電路與數(shù)字電路之間的接口電路。

11.3.1單限電壓比較器

當(dāng)電壓比較器只有一個(gè)參考電壓時(shí),稱(chēng)其為單限電壓比較器。

圖11.3.1所示為單限電壓比較器,開(kāi)環(huán)輸出電壓最大值為±Uo(sat)。其中(a)圖為同相輸入,(b)圖為反相輸入。圖11.3.1單限電壓比較器

圖11.3.1中UR為基準(zhǔn)電壓,運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)放工作在飽和區(qū)時(shí)的特點(diǎn),可得圖11.3.2所示的電壓傳輸特性。圖11.3.2單限電壓比較器電壓傳輸特性

對(duì)于圖11.3.1所示電壓比較器,若輸入電壓波形為三角波,則輸出波形可轉(zhuǎn)換為矩形波,分別如圖11.3.3(a)、(b)所示。

當(dāng)UR=0時(shí),該單限電壓比較器稱(chēng)為零限電壓比較器。反相輸入的零限電壓比較器電路及輸入、輸出電壓波形如圖11.3.4所示。圖11.3.3單限電壓比較器輸入、輸出電壓波形圖11.3.4反相零限電壓比較器

11.3.2輸出帶限幅的電壓比較器

為了對(duì)電壓比較器的輸出進(jìn)行限幅,通常使用反向串聯(lián)穩(wěn)壓二極管來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖11.3.5所示。圖11.3.5輸出帶限幅的電壓比較器

圖11.3.5中,VDZ為反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。設(shè)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓為±UZ,忽略其正向壓降,若運(yùn)放的最大輸出電壓為±Uo(sat),則當(dāng)ui<UR時(shí),u'o=+Uo(sat),uo=UZ;當(dāng)ui>UR時(shí),u'o=-Uo(sat),uo=-UZ。若UR>0,則電壓傳輸特性如圖11.3.6所示。圖11.3.6電壓傳輸特性

【專(zhuān)11.1】利用運(yùn)放組成的過(guò)溫保護(hù)電路如圖1所示,R3是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,溫度升高時(shí),阻值變小,KA是繼電器,要求該電路在溫度超過(guò)上限值時(shí),繼電器動(dòng)作,自動(dòng)切斷加熱電源。試討論該電路的工作原理。圖1專(zhuān)11.1的電路

【練11.1】有一負(fù)反饋放大電路,已知開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo=400,F=0.01。試問(wèn):

(1)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)Auf為多少?

(2)如果Auo發(fā)生±20%的變化,則Auf的相對(duì)變化為多少?

【練11.2】分析圖2所示電路,若+Uo(sat)>UZ且UR>0,畫(huà)出其電壓傳輸特性曲線。圖2練11.2的電路

【練11.3】圖3是一監(jiān)控報(bào)警裝置,如需對(duì)某一參數(shù)(溫度、壓力等)進(jìn)行監(jiān)控,可由傳感器取得監(jiān)控信號(hào)ui,UR是參考電壓。當(dāng)ui超過(guò)正常值時(shí),報(bào)警燈亮,試說(shuō)明其工作原理。二極管VD和電阻R3在此起何作用?圖3練11.3的電路

11.4基本運(yùn)算電路

11.4.1比例運(yùn)算1.反相比例運(yùn)算圖11.4.1所示為反相比例運(yùn)算電路。圖11.4.1反相比例運(yùn)算電路

式(11.4.2)表明,反相比例運(yùn)算電路具有以下特點(diǎn):

(1)Auf|為負(fù)值,即uo與ui極性相反,這是因?yàn)閡i加在運(yùn)放的反相輸入端。

(2)Auf|只與外部電阻R1、RF有關(guān),與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān)。

(3)|Auf|可大于1,也可等于1或小于1。

當(dāng)RF=R1時(shí),由式(11.4.2)可知,uo=-ui,即Auf=-1。此時(shí)反相比例運(yùn)算電路又稱(chēng)為反相器。

【例11.4.1】電路如圖11.4.2所示,已知R1=20kΩ,RF=100kΩ。求:(1)Auf;(2)若R1不變,要求Auf為-20,則RF應(yīng)為多少?

解圖11.4.2所示電路為反相比例運(yùn)算電路,則圖11.4.2例11.4.1的電路

2.同相比例運(yùn)算

圖11.4.3所示為同相比例運(yùn)算電路。圖11.4.3同相比例運(yùn)算電路

式(11.4.4)表明,同相比例運(yùn)算電路具有以下特點(diǎn):

(1)Auf為正值,即uo與ui極性相同,這是因?yàn)閡i加在運(yùn)放的同相輸入端。

(2)Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān),與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān)。

(3)Auf≥1,不能小于1。

當(dāng)R1=∞或RF=0時(shí),由式(11.4.4)可知,uo=ui,即Auf=1。此時(shí),該同相比例運(yùn)算電路又稱(chēng)為電壓跟隨器。常用的電壓跟隨器如圖11.4.4所示。圖11.4.4電壓跟隨器

11.4.2加法運(yùn)算

1.反相加法運(yùn)算

圖11.4.5所示為兩輸入反相加法運(yùn)算電路。圖11.4.5反相加法運(yùn)算電路

2.同相加法運(yùn)算

圖11.4.6所示為兩輸入同相加法運(yùn)算電路。

可以看出,當(dāng)只有一個(gè)輸入電壓時(shí),該電路為同相比例運(yùn)算電路。因此,可用疊加原理分析該運(yùn)算電路輸出與輸入之間的關(guān)系。圖11.4.6同相加法運(yùn)算電路

11.4.3減法運(yùn)算

圖11.4.7所示為兩輸入減法運(yùn)算電路。圖11.4.7減法運(yùn)算電路．

11.4.4積分運(yùn)算

積分運(yùn)算電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)電壓的積分運(yùn)算,其輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。積分運(yùn)算電路如圖11.4.8所示。圖11.4.8積分運(yùn)算電路

積分運(yùn)算電路的輸出波形如圖11.4.9所示。

由圖11.4.9可以看出,當(dāng)Ui為正值時(shí),輸出為反向積分,Ui對(duì)電容器恒流充電,故輸出電壓隨t線性變化。當(dāng)uo向負(fù)值方向增大到運(yùn)放反向飽和電壓-Uo(sat)時(shí),運(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū),uo=-Uo(sat)保持不變,積分作用停止。

反之,當(dāng)Ui為負(fù)值時(shí),輸出為正向積分,Ui對(duì)電容器恒流充電,輸出電壓隨t線性變化。當(dāng)uo向正值方向增大到運(yùn)放正