模電第四章 運算放大器的應用

任務3-1

基本運算電路分析

任務3-2電壓比較器電路分析

任務3-3濾波器電路的分析研究

情境任務任務3-4冰箱溫控器功能的仿真測試

什么是集成運算放大器？

在半導體制造工藝的基礎上，把整個電路中的元器件及其連接導線，制作在一塊硅片上，構成特定功能的電子電路，稱為集成電路。

集成電路按其功能來分，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生和處理各種數(shù)字信號；模擬集成電路用來產(chǎn)生和處理各種模擬信號。集成運算放大器、集成功率放大器、集成模擬乘法器、集成穩(wěn)壓器集成運算放大器——高增益的直接耦合的集成的多級放大器。集成電路的工藝特點：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，溫度均一性好，因而特別有利于實現(xiàn)需要對稱結構的電路。（2）集成電路的芯片面積小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。（3）不易制造大電阻。需要大電阻時，往往使用有源負載。（4）只能制作幾十pF以下的小電容（PN結電容）。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大電容，只有外接。（5）不能制造電感，如需電感，也只能外接。（6）二極管用三極管的發(fā)射結構成。

直耦耦合放大器存在的問題——零點漂移零漂現(xiàn)象：1.產(chǎn)生零漂的原因：2.零漂的衡量方法：由溫度變化引起的。當溫度變化使第一級放大器的靜態(tài)工作點發(fā)生微小變化時，這種變化量會被后面的電路逐級放大，最終在輸出端產(chǎn)生較大的電壓漂移。因而零點漂移也叫溫漂。輸入ui=0時，輸出有緩慢變化的電壓產(chǎn)生。將輸出漂移電壓按電壓增益折算到輸入端計算。例如

若輸出有1V漂移電壓。

則等效輸入有100uV的漂移電壓假設第一級是關鍵3.減小零漂的措施用非線性元件進行溫度補償采用差動放大電路等效100uV漂移1V差動放大電路一.結構:對稱性結構即：

1=

2=

UBE1=UBE2=UBE

rbe1=rbe2=rbe

RC1=RC2=RCRb1=Rb2=Rb差動放大電路抑制零漂的原理Uo=VC1-VC2

=0當ui1

=

ui2

=0時，當溫度變化時：VC1=VC2設T

ic1

,ic2

Vc1

,Vc2

uo=Vc1-Vc2=0典型差動放大電路

1.差動放大電路一般有兩個輸入端：雙端輸入——從兩輸入端同時加信號。單端輸入——僅從一個輸入端對地加信號。

2.差動放大電路可以有兩個輸出端。雙端輸出——從C1

和C2輸出。單端輸出——從C1或C2

對地輸出。二.幾個基本概念12/2/2024差動放大器的輸入輸出方式

差動放大器共有四種輸入輸出方式:

1.雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）

2.雙端輸入、單端輸出（雙入單出）

3.單端輸入、雙端輸出（單入雙出）

4.單端輸入、單端輸出（單入單出）主要討論的問題有：

差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻輸出電阻3.差模信號與共模信號差模分量：共模分量：差模電壓增益：共模電壓增益：總輸出電壓：比較信號

理想情況差模信號是有用信號，共模信號是無用信號（溫度或電源電壓變化引起的零點漂移）必須抑制，要抑制共模信號須電路完全對稱，但實際不能做到?！从硨嶋H差動電路的對稱性

措施之一是加RE反饋電阻，RE越大，抑制共模信號的能力越強，但RE大造成在RE的壓降大，使UCEQ小，為保證有合適的靜態(tài)工作點，加UEE輔助電源。

衡量差動放大電路對差模信號的放大和對共模信號的抑制能力4.共模抑制比五.帶恒流源的差動放大電路

根據(jù)共模抑制比公式：

加大Re，可以提高共模抑制比。為此可用恒流源T3來代替Re等效很大的交流電阻，直流電阻并不大。恒流源使共模放大倍數(shù)減小，而不影響差模放大倍數(shù)，從而增加共模抑制比。恒流源的作用第1題

運算放大器是一多級放大器，內部采用直接

耦合方式連接，所以存在著

或（）現(xiàn)象。第2題

運算放大器的第一級電路采用

放大電路，利用

性結構來克服運放的零漂（溫漂）現(xiàn)象。第3題

所謂差模信號是指

，

所謂共模信號是指

。干擾信號和溫漂現(xiàn)象引起的偏移量相當于差模/共模信號。集成運算放大器

一、集成運算放大器件的識讀常見的集成運算放大器有圓形、扁平型、雙列直插式等,有8管腳、14管腳等。

二、集成運放的組成及其符號集成運放內部實際上是一個高增益的直接耦合放大器輸入級：要求零漂小,輸入電阻大，一般用差動放大器中間級：要求高電壓增益，有時還完成從雙端到單端輸出的轉換，同時還向輸出級提供較大推動電流。輸出級：要求輸出電阻低，帶負載能力強。偏置電路：為各級提供穩(wěn)定偏置，常用恒流源組成。（一）簡單的集成運放

原理電路：（二）典型運放電路內部結構示意圖＋－u-－u+uo（三）集成運算放大器符號國際符號：國內符號：集成運放的特點：電壓增益高輸入電阻大輸出電阻小同相輸入端反相輸入端輸出端

1.輸入失調電壓UIO

輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調電壓。是表征運放內部電路對稱性的指標。集成運算放大器的主要參數(shù)

一、主要參數(shù)

2.輸入失調電壓溫漂

dUIO/dT

在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。

4.輸入失調電流

IIO

：

在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

3.輸入偏置電流IIB

：輸入電壓為零時，運放兩個輸入端偏置電流的平均值，與第一級管子性能有關（nA級）。5.輸入失調電流溫漂dIIO/dT:

在規(guī)定工作溫度范圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。6.最大差模輸入電壓Uidmax

運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。7.最大共模輸入電壓Vicmax

在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

8.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aod

：

無反饋時的差模電壓增益。一般Aod在100～120dB左右，高增益運放可達140dB以上。

9.差模輸入電阻rid

：

雙極型管輸入級約為105～106歐姆，場效應管輸入級可達109歐姆以上。

10.共模抑制比

KCMR

：

KCMR=20lg(Avd/Avc)

(dB)其典型值在80dB以上，性能好的高達180dB。

11.－3dB帶寬

fH

：

運放的差模電壓放大倍數(shù)在高頻段下降3dB所定義的帶寬fH

。

12.轉換速率SR(壓擺率)：反映運放對于快速變化的輸入信號的響應能力。轉換速率SR的表達式為

二、集成運放的理想化(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞;

(2)輸入電阻rid=∞;ric=∞；

(3)輸入偏置電流IB1=IB2=0;(4)失調電壓UIO、失調電流IIO以及它們的溫漂均為零。(5)共模抑制比KCMR=∞;(6)輸出電阻rod=0;(7)-3dB帶寬fh=∞;(8)無干擾、噪聲。1.理想集成運算放大器

第4題

運算放大器由

、

、

、

四部分電路構成。

第5題

理想運算放大器放大倍數(shù)為

，輸入電阻為

，輸出電阻為

，共模抑制比KCMR為

。第6題

理想運算放大有兩個輸入端，分別為

和

輸入端。為什么會有兩個輸入端？2.

理想運放工作于線性狀態(tài)的重要特點（1）同相與反相輸入端電壓相同，即U＋＝U－稱“虛短”。原因：Aod=∞，而Uo為有限值（2）流進兩輸入端電流為0，即I＋＝I－＝0，稱“虛斷”。原因：rid=∞3.

理想運放工作于非線性狀態(tài)的重要特點（1）（2）rid=∞，因此I＋＝I－＝0

，即流進理想運放兩輸入端的電流仍為0。一、預備知識：集成運放的兩種工作狀態(tài)1.運放的電壓傳輸特性：設：電源電壓±VCC=±10V。運放的Aod=104│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，當Aod→∞時，線性區(qū)→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞差模輸入電阻Rid=∞輸出電阻Ro=0為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：

電路中有負反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（u+=u-）虛斷（ii+=ii-=0）3.線性區(qū)4.非線性區(qū)（正、負飽和狀態(tài)）運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！+10V-10V+Uom-Uom0uoui比例運算電路（一）反相比例運算虛地點i1=if

（虛斷）因為有負反饋，利用虛短和虛斷u+

=0

u－=u+=0（虛地）反饋方式：電壓并聯(lián)負反饋電壓放大倍數(shù):任務3-1基本運算電路分析例題1.

R1=10k

,Rf=20k,ui=-1V。求:uo

、Ri。說明R0的作用，R0應為多大？特點：共模輸入電壓=0（u－=u+=0）缺點：輸入電阻?。?/p>

Ri=R1）R0為平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1//Rf（二）同相比例運算電路u-=u+=uii1=if

（虛斷）平衡電阻R=Rf//R1因為有負反饋，利用虛短和虛斷反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋特點：輸入電阻高缺點：共模輸入電壓≠0（u－=u+=ui）電壓放大倍數(shù):Au=1（三）電壓跟隨器此電路是同相比例運算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。ui=u+=u-=uo因為有負反饋，利用虛短和虛斷：電壓跟隨器反相比例放大同相比例放大Au=11.反相加法器：若R1=R2=R,

平衡電阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if一.加法運算電路虛地2.同相求和運算：當R1=R2=Rf=R時,同相比例運算:二.減法運算電路1、利用加法器和反相比例器疊加原理2、差動減法器

ui1作用

ui2作用

綜合：則有：反相比例放大

同相加法器

差動減法器1.積分電路三.積分和微分電路反相積分器：如果u

i=直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。tui0tuo0-UomTM積分時間設Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F求積到飽和值的時間：練習:畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。tui0212345tuo0-2-4-6應用舉例：輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo02.微分電路u-=u+=0微分電路常用作波形變換，如把矩形波變換為尖頂脈沖。tui0tuo0例：,求uo。90°實際微分電路

由于微分電路對輸入電壓變化特別敏感，抗干擾性差，很可能干擾信號淹沒有用信號。因此在電路輸入端串一小電阻R1

，可以減小干擾信號進入反相端對于差放有：

四、乘法運算電路（一）基本原理（二）模擬乘法器功能：實現(xiàn)兩個模擬量相乘

其中K為比例因子，量綱:V-1符號：

（三）模擬乘法器的應用

1.乘法運算立方運算電路

2.平方和立方運算平方運算電路uo=KuXuYuo=K(ui)2uo=K2(ui)33.除法運算電路根據(jù)虛斷如果令K=R2/R1則:注意：為保證電路為負反饋，必須有：EWB演示——除法器4.其他應用

乘法器還可作為調制解調器、鎖相環(huán)電路、倍頻器、混頻器使用。常選用開關速度較高的MC1596型。練習在如圖所示電路中，已知R1＝100kΩ，Rf＝200kΩ，ui＝2V，求輸出電壓u。，并說明輸入級的作用。

在如圖4-16所示電路中，己知R1＝100kΩ，Rf＝200kΩ，R2＝100kΩ，R3＝200kΩ，，求輸出電壓

試推導輸出電壓u0與輸入電壓ui1、ui2的關系

寫出所示如圖電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui1、ui2的關系

試推導出如圖所示電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui1、ui2的關系試用兩級運算放大器設計一個加減運算電路，實現(xiàn)以下運算關系：任務3-1

基本運算電路分析

任務3-2電壓比較器電路分析

任務3-3濾波器電路的分析研究

情境任務任務3-4冰箱溫控器功能的仿真測試

將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。功能：構成：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)是非線性函數(shù)。uoui0UOHUOL任務3-2電壓比較器電路分析1.運放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=UOH；若U+＜U-

則UO=UOL。

虛斷（運放輸入端電流=0）

注意：此時不能用虛短！uoui0UOHUOLuoui0UOHUOL1.過零比較器:（門限電平=0）uoui0UOHUOL（一）單門限電壓比較器tuituoUOHUOL例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?.單門限比較器（與參考電壓比較）uoui0UOHUOLUREFUREF為參考電壓當ui>UREF時,uo=UOH當ui<UREF時,uo=UOL

運放處于開環(huán)狀態(tài)uoui0UOHUOLUREF當ui<UREF時,uo=UOH當ui>UREF時,uo=UOL

若ui從反相端輸入——反相比較器

【例】在上圖電路中,輸入電壓ui為正弦波,畫出UR＞0,UR＜0,UR=0時的輸出電壓波形。

uoui0+UZ-UZ（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了UD3.限幅電路——使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值當ui>0時,uo=+UZ當ui<0時,uo=-UZ

（2）穩(wěn)幅電路的另一種形式：uoui0+UZ-UZ當ui>0時,uo=-UZ當ui<0時,uo=+UZ

4.具有輸入保護和輸出限幅的比較器(1)輸入（ui－UR）大于運放最大允許差模輸入電壓可能導致運放損壞，通常輸入端串電阻及并接兩二極管，使ui－UR限制±0.7V。（2）有時需減小比較器輸出幅值，可用兩背靠背穩(wěn)壓管串聯(lián)，并串R限流電阻。噪聲干擾對單門限比較器的影響（二）遲滯比較器1.工作原理——兩個門限電壓特點:電路中使用正反饋——運放工作在非線性區(qū)（1）當uo=+UZ時，（2）當uo=-UZ時，UT+稱上門限電壓UT-稱下門限電壓UT+-UT-稱為回差電壓遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設ui

,當ui=<UT-時,

uo從-UZ

+UZ這時,uo=-UZ,u+=UT-設初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+設ui,當ui=>UT+時,

uo從+UZ

-UZ例題：Rf=10k

，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。上下限：uoui08V3V傳輸特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V傳輸特性+6V-6V【例】設電路及參數(shù)如圖a所示，輸入信號ui的波形如圖c所示，試畫出傳輸特性和輸出電壓uo的波形。解：由于UR＝0，所以閾值電壓為由此可畫出傳輸特性和波形圖。任務3-1

基本運算電路分析

任務3-2電壓比較器電路分析

任務3-3濾波器電路的分析研究

情境任務任務3-4冰箱溫控器功能的仿真測試

有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。

濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。

濾波器的分類：

低通濾波器（LPF）高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（BEF）任務3-3濾波器電路的分析研究ω|A|0ωC通帶阻帶A0ω|A|0ωCA0通帶阻帶ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通

各種濾波器理想的幅頻特性：（1）低通（2）高通（3）帶通（4）帶阻

濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。1.一階RC低通濾波器(無源)一.低通濾波器傳遞函數(shù)：截止頻率：幅頻特性：此電路的缺點：1、帶負載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性：0.707

H截止頻率01|A|2.一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：幅頻特性：缺點：阻帶衰減太慢。

H0.7071+Rf/R101+Rf/R1|A|3.二階有源低通濾波器幅頻特性幅頻特性曲線

當Ao＜3時，濾波器可以穩(wěn)定工作。此時特性與Q有關。當Q=0.707時，幅頻特性較平坦。當f＞＞fL時，幅頻特性曲線的斜率為-40dB/dec。

傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：二.高通有源濾波器1.一階有源高通濾波器幅頻特性：缺點：阻帶衰減太慢。幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)

L|A|2.二階有源高通濾波器

可由低通和高通串聯(lián)得到低通截止頻率高通截止頻率必須滿足三.有源帶通濾波器

可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足四.有源帶阻濾波器

集成運算放大器的使用常識

1.集成運放的輸出調零為了提高集成運放的精度,消除因失調電壓和失調電流引起的誤差,需要對集成運放進行調零。實際的調零方法有兩種,一種是靜態(tài)調零法,即將兩個輸入端接地,調節(jié)調零電位器使輸出為零。一種是動態(tài)調零法,即加入信號前將示波器的掃描線調到熒光屏的中心位置,

加入信號后掃描線的位置發(fā)生偏離,調節(jié)集成運放的調零電路,使波形回到對稱于熒光屏中心的位置,零點即已調好。

圖μA741的調零電路

集成運放的調零電路有兩類,一類是內調零,集成運放設有外接調零電路的引線端,按說明書連接即可,例如我們常用的μA741,其中電位器RP可選擇10kΩ的電位器,如圖所示。

另一類是外調零,即集成運放沒有外接調零電路的引線端,可以在集成運放的輸入端加一個補償電壓,以抵消集成運放本身的失調電壓,達到調零的目的。常用的輔助調零電路如圖所示。

圖輔助調零

２.單電源供電時的偏置問題

雙電源集成運放單電源供電時,該集成運放內部各點對地的電位都將相應提高,因而輸入為零時,輸出不再為零,這是通過調零電路無法解決的。為了使雙電源集成運放在單電源供電下能正常工作,必須將輸入端的電位提升,如圖6.27、6.28所示,其中圖6.27適用于反相輸入交流放大,圖6.28適用于同相輸入交流放大。

圖6.27單電源反相輸入阻容

圖單電源同相輸入阻容耦合放大電路

３.集成運放的保護１）輸入端保護當輸入端所加的電壓過高時會損壞集成運放,為此,可在輸入端加入兩個反向并聯(lián)的二極管,如圖所示,將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以內。

２）輸出端保護為了防止輸出電壓過大,可利用穩(wěn)壓管來保護,如圖所示,將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián),就可將輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ的范圍內。３）電源保護為了防止正負電源接反,可用二極管保護,若電源接錯,二極管反向截止,集成運放上無電壓,如圖所示。

圖輸入端保護