《電工電子技術基礎及應用實踐》課件 第8章 集成運算放大器及其應用

《電工電子技術及應用實踐》

第八章集成運算放大器及其應用

§1集成運算放大器概述§2放大電路中的反饋§3基本運算電路§4電壓比較器§5信號發(fā)生器本章內容§3基本運算電路

運算放大器是具有很高的開環(huán)電壓放大倍數的直接耦合的多級放大電路。集成運放將整個電路的各個元件做在一個半導體基片上。

集成運放的封裝外形如右圖所示。使用時，要根據所用集成電路型號的管腳圖來連接。優(yōu)點：工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小?！?集成運算放大器概述LM324§1集成運算放大器概述集成運算放大器的組成差動放大輸入級u-u+中間放大級互補輸出級恒流偏置電路

差動輸入級有兩個輸入u+、u-，當信號從u-輸入，輸出uo與u-極性相反，稱u-反相輸入端；當信號從u+輸入，輸出uo與u+極性相同，稱u+同相輸入端。增益級一般高增益共射電路低阻功率輸出級，提高負載能力。提供穩(wěn)定合適的偏流一般由恒流源組成uo其輸入電阻高、能減小零點漂移和抑制干擾信號?！?集成運算放大器概述與uo反相與uo同相集成運放的基本結構輸入級中間級輸出級-UEE+UCC

u+uo

u-反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS§1集成運算放大器概述Auo開環(huán)差模電壓放大倍數u+u-輸出端反相輸入端同相輸入端信號傳輸方向

uiuo集成運算放大器的符號§1集成運算放大器概述集成運算放大器主要參數1、最大輸出電壓UOPP

集成運放工作在線性區(qū)的最大不失真輸出電壓。一般略小于電源電壓。2、開環(huán)電壓放大倍數Au0

在沒有外接反饋電路時所測出的差模電壓放大倍數。3、差模輸入電阻rid

差模信號作用時集成運放的輸入電阻。一般在1M

以上。4、開環(huán)輸出電阻ro

集成運放沒有引入負反饋情況下的輸出電阻。一般是幾百歐姆?！?集成運算放大器概述集成運算放大器電壓傳輸特性uo_+

+Au0uiAu0越大，運放的線性范圍越小，必須加負反饋才能使其工作于線性區(qū)。Uom–UomUim–Uimuiuo0線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)

傳輸特性是表示輸出電壓與輸入電壓之間關系的特性曲線。即uo=

f

(

ui

)

線性區(qū)：uo

=Au0ui

非線性區(qū)(飽和區(qū))：

當ui>Uim

時，uo

=Uom當ui<-Uim

時，uo

=-Uom§1集成運算放大器概述理想運算放大器1.運算放大器理想化模型rid高：幾十k

幾百k

實際運放：KCMRR很大ro?。簬资?/p>

~幾百

Au0很大：104以上~107理想運放：rid

KCMRR

ro

0Au0

-

++

u-

u+

uoAu0

由于運放的開環(huán)電壓放大倍數很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其為理想運放。_+

+

u+u-uo§1集成運算放大器概述2.理想運算放大器的特性理想運放Au0

Uom–Uomuiuo0飽和區(qū)飽和區(qū)§1集成運算放大器概述（1）理想運放工作在線性區(qū)特點必須引入深度負反饋uo相當于兩輸入端之間短路，但實際上沒有短路。1)“虛短”原則ui-++兩個輸入端的電位基本相等2)“虛斷”原則riduo+iiui-+i+i-集成運放的輸入電流可忽略不計相當于兩輸入端之間斷路，但實際上并沒有斷路。§1集成運算放大器概述

（2）理想運放工作在飽和區(qū)特點uiuo0特點：1）當

u+>u-,uo=+Uom,

u+<u-,uo=-Uom

;2）

因輸入電阻無窮大,

故凈輸入電流為零。Uom–Uomuoui-++§1集成運算放大器概述1.什么是反饋反饋的基本概念

電子電路輸出量的一部分或全部通過一定的方式引回到輸入回路，用來影響輸入量的措施稱為反饋。輸入信號比較電路凈輸入信號輸出信號反饋信號反饋系數開環(huán)放大倍數§2放大電路中的反饋閉環(huán)放大倍數§2放大電路中的反饋2.負反饋放大電路的一般表達式

反饋的分類（1）正反饋和負反饋若引回的信號削弱了輸入信號,使凈輸入量減小—

負反饋若引回的信號增強了輸入信號,使凈輸入量增大—

正反饋（2）直流反饋和交流反饋直流通路中存在的反饋—直流反饋交流通路中存在的反饋—交流反饋（3）串聯反饋和并聯反饋反饋信號與輸入信號串聯，以電壓方式相疊加—串聯反饋反饋信號與輸入信號并聯，以電流方式相疊加—并聯反饋反饋信號取自輸出電壓，與輸出電壓成比例—電壓反饋反饋信號取自輸出電流，與輸出電流成比例—電流反饋（4）電壓反饋和電流反饋§2放大電路中的反饋反饋的判斷1.有無反饋判斷—找聯系

找輸出回路與輸入回路的聯系，若有則有反饋，否則無反饋。_+

+

無反饋_+

+

_+

+

有反饋將輸出電壓全部反饋回去_+

+

§2放大電路中的反饋無反饋2.反饋極性的判斷—※瞬時極性法：“看反饋的結果”:

即凈輸入量是被增大還是被減小。（1）在放大電路的輸入端，假設一個輸入信號的電壓瞬時極性，可用“+”或“-”；（2）按信號傳輸方向經基本放大器

反饋網絡，判斷相關點的瞬時極性,直至判斷出反饋信號的瞬時極性；（3）如果反饋信號的瞬時極性使凈輸入減小，則為負反饋；反之為正反饋。

§2放大電路中的反饋-+

+

-+

+

-+

+

凈輸入電流減小，負反饋凈輸入電壓增大，正反饋判斷電路中是否引入了反饋,正反饋還是負反饋

?凈輸入電壓減小，負反饋例§2放大電路中的反饋3.串聯、并聯反饋的判斷—看輸入端4.電壓、電流反饋的判斷—看輸出端（短路法）

假設

u0=0，看反饋是否還存在，若此時反饋不存在了，則是電壓負反饋。否則，為電流反饋。

從放大電路的輸入端看，如果反饋信號與輸入信號接在放大電路的同一輸入端上，反饋量與輸入量以電流方式相疊加，則為并聯反饋；如果反饋信號與輸入信號分別接在放大電路的兩個輸入端上，以電壓方式相疊加，則為串聯反饋?！?放大電路中的反饋例2.-+

+

判斷負反饋組態(tài)。看輸出：假設輸出電壓為零，則反饋信號消失，因此屬于電壓反饋?？摧斎耄悍答佇盘柵c輸入信號都加在放大電路

反相輸入端，以電流方式相疊加，因此為并聯反饋。綜上所述，該電路存在電壓并聯負反饋?！?放大電路中的反饋反饋深度稱為深度負反饋，此時：若在深度負反饋的情況下，放大倍數只與反饋網絡的參數有關。引入負反饋使電路放大倍數的穩(wěn)定性提高?！?放大電路中的反饋1.穩(wěn)定放大倍數負反饋對放大電路性能的影響2024/11/292.拓寬通頻帶引入負反饋使電路的通頻帶寬度增加：放大電路的頻率特性§2放大電路中的反饋24§2放大電路中的反饋引入負反饋后，非線性失真減小到基本放大電路的(1+AF)分之一。AoAoFuo加反饋前加反饋后243.改善波形的非線性失真uiuouiuduf4.負反饋改變了輸入電阻和輸出電阻串聯負反饋━使輸入電阻增加；并聯負反饋━使輸入電阻減小。電壓負反饋━穩(wěn)定輸出電壓，降低輸出電阻電流負反饋━穩(wěn)定輸出電流，增加輸出電阻§2放大電路中的反饋比例運算電路1.反相比例運算電路uo_+

+

RFR1R2uii1iFi1=iF虛短虛斷結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。電位為0，虛地§3基本運算電路uo_+

+

RFR1R2uii1iF特點:電路的輸入電阻：輸出電阻很小，近似為0！平衡電阻，使運放輸入級差動放大電路靜態(tài)時兩個輸入端對“地”有相同的等效電阻。

R2=R1//RF當R1=RF時,稱此種運算電路為反相器§3基本運算電路2.同相比例運算電路_+

+

RFR1R2uiuoiFi1i+i-u-u+虛短虛斷§3基本運算電路當RF=0，R1=

時，電路為電壓跟隨器。_+

+

uiuo

此電路輸入電阻大(高達10M

)，輸出電阻近似為0，電壓跟隨性能好。uo_+

+

R1R2uiRF§3基本運算電路求圖中所示電路uo的值。解：圖示電路為一電壓跟隨器。例1.§3基本運算電路求電路中u

o與u

i的運算關系式。_+

+

R1FR11R12ui+__+

+

R2FR21R22uo+_解:例2.§3基本運算電路3.加法運算電路ii2iFii1R12_++

RFR11ui2uoR2ui1

調節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節(jié)方便?！?基本運算電路2024/11/29§3基本運算電路當時，當時，4.減法運算電路uoRFR1R2R3利用疊加原理進行分析ui1i2u§3基本運算電路若取R2=R1，R3=RF，則：當RF=R1

時，則得R3//R2=R1//RF§3基本運算電路ui1_+

+

RFR1R2ui2uoR3ui1_+

+

RFR1R1ui2uoRF差分減法放大器也可以依據虛斷、虛短推導，如下：RFR1R1ui2uoRFui1§3基本運算電路[例]

如圖所示，兩級運算電路試求

uO。[解]前級A1

是加法運算電路uO1=

(0.2

0.4)V=0.2V后級A2是減法運算電路uO=(

0.6

0.2)V=

0.8V∞+－+∞+－+－＋uOA1RuO1RRA2R3R3R3RR0.2V－0.4V－0.6V§3基本運算電路5.積分運算電路i1iFu–=u+=0ui-++R1R2Cuo§3基本運算電路積分運算電路uOR1R2CFuI+–+–uC+–+–+iFiI當uI

為階躍電壓時，則

uO隨時間線性增長，最后達到負飽和值。uOOtuIOt§3基本運算電路應用舉例：輸入方波，輸出三角波。tui0tuo0§3基本運算電路6.微分運算電路ui-++uoRRi1iFC如若輸入：則：uit0t0uo§3基本運算電路

集成運放的非線性應用：

是指由運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關系uo=f(ui)不再是線性關系。uo

絕大數理想運放處于開環(huán)或僅有正反饋。++uo

§4電壓比較器

處于非線性狀態(tài)運放的特點1.虛短路不成立；2.輸入電阻仍可以認為很大（即虛斷仍存在）；3.輸出電阻仍可以認為是0。

分析方法三個要素：1.輸出電壓的UOH和UOL；2.閾值電壓UT，此時u+=

u-

；uo從UOH變到UOL，或從UOL變到UOH，所對應輸入的電壓ui。3.當ui=UT時，uo的躍變方向?！?電壓比較器1.單門限電壓比較器反相比較器電路UR=0+UＯＭ-UＯＭUR

電路只有一個閾值電壓。ui逐漸增大或減小過程中，當通過UT時，uo產生躍變。uiuo0

傳輸特性分析過零比較器

uo

ui

UR+-§4電壓比較器同相比較器電路

uo

ui

UR傳輸特性：-UOM+UOMuiuo0+-+§4電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。tuiUＯＭ-UＯＭuot例

uo

ui+-+§4電壓比較器2.輸出限幅電路

為適應負載對電壓幅值的要求，若要求比較器的輸出電壓穩(wěn)定在一定數值上時,輸出端加限幅電路。具有限幅電路的比較器用穩(wěn)壓管限幅！uoui0+UZ-UZ雙向穩(wěn)壓管不可缺少！47§4電壓比較器++uiuo

UZ3.遲滯電壓比較器（1）分析：

因為有正反饋，所以輸出飽和。

當uo正飽和時：當uo負飽和時：u+ui－++RFR2uouiR1

UZ§4電壓比較器u＋－++uiuo

UZURH–URL稱為回差（2）傳輸特性跳轉時，正反饋加速跳轉小于回差的干擾不會引起跳轉下限閾值上限閾值uoui0UZ-UZURHURLR2R1RF§4電壓比較器tuoUZ-UZtuiURHURLURH-URL稱為回差２．傳輸特性跳轉時，正反饋加速跳轉小于回差的干擾不會引起跳轉下限閾值上限閾值uoui0UZ-UZURHURL§4電壓比較器1.方波信號發(fā)生器

反相的滯回比較器，輸出經RC電路再輸入到此比較器的反相輸入端。RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。ui

反相的滯回比較器：起開關作用，實現高低電平的轉換。uo

UZR2R1C+uc–RF－++§4信號發(fā)生器uo

UZR2R1C+uc–RF上下門限電壓：ui－++§4信號發(fā)生器

工作原理（1）

設uo

=

+UZ此時，輸出給C充電!則：u+=UH0tuoUZ-UZU+Huc0t一旦uc>UH

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ

變成－UZ

在uc<UH

時，u-

<u+,uo

保持+UZ

不變；uo

UZR2R1C+uc–RF－++§4信號發(fā)生器0UHuctULUZuo0t-UZ此時，C經輸出端放電!（2）當uo

=

-UZ

時，u+=ULuc降到UL時，uo上翻。當uo

重新回到＋UZ以后，電路又進入另一個周期性的變化。Tuo

UZR2R1C+uc–RF－++§4信號發(fā)生器電壓比較器積分電路電路組成

用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣ā?5§4信號發(fā)生器2.三角波信號發(fā)生器_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R4R3u+=R1+

R2R1·uo1+R1+

R2R2·uou-=0uo1=+UZuo=-(+UZ)t

RC1三角波發(fā)生電路的振蕩原理56§4信號發(fā)生器_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R4R3u+>0u+<0uo1=+UZuo1=-UZ57§4信號發(fā)生器_uo-+++RR5Cuo1－++R1R2R4R3u+=R1+

R2R1·uo1+R1+

R2R2·uou+=0uo1=+UZ時uo1=-UZ時R1R2uo=+UZuo=-UZR1R258§4信號發(fā)生器_uo-+++R