第4章 集成運(yùn)算放大器

1第四章集成運(yùn)算放大器第一節(jié)、集成運(yùn)放的簡介第二節(jié)、運(yùn)算放大器的應(yīng)用3一、集成電路簡介（一）什么是集成電路

集成電路——集元器件、電路、系統(tǒng)為一體的新型電子器件。優(yōu)點(diǎn)：體積小、功耗低、可靠性高、成本低。4（二）分類

集成運(yùn)算放大器就是模擬集成電路的基礎(chǔ)電路模擬集成：集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源等數(shù)字集成：集成門電路、集成觸發(fā)器二、集成運(yùn)算放大器的概念（一）什么是集成運(yùn)算放大器高增益多級直接耦合放大器

初期，用于信號的數(shù)字運(yùn)算。目前，應(yīng)用于信號的產(chǎn)生、放大、交換、處理、測量等。5偏置電路輸入級中間級輸出級輸入端輸出端（二）電路的框圖及組成方框圖6結(jié)論：集成運(yùn)放具有電壓放大倍數(shù)大，輸入電阻高（幾百千歐），輸出電阻低（幾百歐），零漂小等優(yōu)點(diǎn)。中間級——進(jìn)行電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)大，采用共射電路。輸出級——要求Ro小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。供給負(fù)載較大功率，采用互補(bǔ)對稱的射極輸出器。偏置電路——建立Q點(diǎn)，采用恒流源電路。輸入級——要求減少零點(diǎn)漂移，提高Ri，采用差分放大電路。7管腳功能－15V負(fù)電源10kΩ調(diào)零電位器41567231kΩ輸出端＋15V正電源同相輸入端反相輸入端三、集成運(yùn)算放大器的符號8反相輸入端同相輸入端輸出端反相輸入端與輸出端反相同相輸入端與輸出端同相

從外部看,是一個雙端輸入、單端輸出的差動放大電路

∞+_+

u+

u-

uOA_+

u+

u-

uO符號91、開環(huán)電壓放大倍數(shù)

Auo2、共模抑制比KCMRR四、集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)運(yùn)放F007的AO約為100db(105倍)。無外加反饋時，差模放大倍數(shù)越大越好

為了綜合考察對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力，引入新參數(shù)。KCMR=差模Ad共模AC運(yùn)放F007的

KCMRR約為80db

u+

u-

uO∞+_+104、開環(huán)輸出電阻rO3、開環(huán)輸入電阻rid(差模輸入電阻

)

rid越大，從信號源流入的電流越小。精度越高，運(yùn)放F007的rid約為1~2MΩ。rO越小，運(yùn)放帶負(fù)載能力越強(qiáng)。精度越高，運(yùn)放F007的rO約為500Ω。5、輸入失調(diào)電壓Uio

由于差分放大電路的不對稱，輸入電壓為零時，輸出電壓不為零。

uIO

uO=0∞+_+116、最大共模輸入電壓

失真不超過允許值時的最大輸出電壓，一般用峰－峰值表示，也稱為動態(tài)輸出范圍。運(yùn)放F007的UOPP約為±12~±13V。8、最大輸出電壓UOM7、最大差模輸入電壓五、集成運(yùn)放的理想模型（電壓傳輸特性）1、線性區(qū)

uo與ui成線性關(guān)系

uo＝Auo(u+－u-)2、非線性區(qū)（飽和區(qū)）uo

與ui不是線性關(guān)系uo有兩種可能uo＝＋UOm

高電平uo＝－UOm

低電平＋UCC－UEE電壓傳輸特性uOui=u+-u-O線性區(qū)非線性區(qū)因Auo=∞ui很小，要加負(fù)反饋不加反饋，或加正反饋第二節(jié)運(yùn)算放大器的應(yīng)用一、理想運(yùn)算放大器二、反相輸入運(yùn)算電路三、同相輸入比例運(yùn)算電路14集成運(yùn)放的理想化條件:③開環(huán)輸出電阻

rO→0。①開環(huán)電壓放大倍數(shù)AuO→∞。②差模輸入電阻rid→∞。④共模抑制比KCMR→∞。一、理想運(yùn)算放大器

u+

u-

uO∞+_+

集成運(yùn)放可視為一個理想電壓放大器

uO＝AuO(u+－u-)

152、“虛斷”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0因rid=∞,iI近似為零。1、“虛短”的概念

u+

＝u-

即u+

－u-＝0線性區(qū)分析依據(jù)iI因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，

ui很小即可產(chǎn)生uO。

u+

u-

uO∞+_+rid

運(yùn)用兩個重要依據(jù)，可大大簡化運(yùn)放電路的分析16二、反相輸入運(yùn)算電路從反相輸入端輸入信號12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+加平衡電阻R2（補(bǔ)償電阻）。為使輸入級兩差分放大管對稱,負(fù)反饋電阻深度負(fù)反饋

放大倍數(shù)取決于反饋網(wǎng)絡(luò)，與基本放大電路無關(guān)什么負(fù)反饋？電壓并聯(lián)負(fù)反饋17從反相輸入端輸入信號根據(jù)u-=u+=0,“虛地”。根據(jù)i+=i-

=iI=0，則:i1=iF+iI≈iF。電壓放大倍數(shù)：12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+iFi1iI負(fù)號表示uO與ui反相18uI–+uO–+iFi1iI12∞+_+RFR2R1三、同相輸入運(yùn)算電路從同相輸入端輸入信號加平衡電阻R2（補(bǔ)償電阻）。根據(jù)u-=u+=0,i+=i-

=iI=0，則:u+=u-≈uIi1

≈

iF什么負(fù)反饋？電壓串聯(lián)負(fù)反饋19iFi1uI–+uO–+iI12∞+_+RFR2R1從同相輸入端輸入信號電壓放大倍數(shù)：uO與uI同相20同相比例電路電壓放大倍數(shù)：同相比例電路特例電壓跟隨器當(dāng)R1=∞(斷開)或RF=0時uI–+uO–+∞+_+與分立元件的射極輸出器相比：4、具有良好的電壓跟隨和隔離作用。1、電壓放大倍數(shù)Auf=1。2、輸入電阻高。3、輸出電阻低。21運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用一、加法運(yùn)算電路二、減法運(yùn)算電路三、積分運(yùn)算電路四、微分運(yùn)算電路22一、加法運(yùn)算電路平衡電阻（補(bǔ)償電阻）在同一輸入端輸入多組信號

運(yùn)放的線性應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)各種模擬信號的比例、加減、微分、積分、對數(shù)、指數(shù)等運(yùn)算，以及有源濾波、信號檢測、采樣保持等。用途十分廣泛。uO–+

uI3

uI2

uI1RFR1R3R2∞+_+R21223在同一輸入端輸入多組信號iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3根據(jù)u-=u+,i+=i-

=iI=0，則:u+=u-≈0,

i1+i2+i3≈

iFRFR1R3R2∞+_+R212當(dāng)：時：24iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3RFR1R3R2∞+_+R412[例]:已知：

R1=R2=R3=10kΩ,RF=50kΩ，ui1=0.5V，ui2=-1V，ui3=-0.8V。試計(jì)算:輸出電壓uO。解：25運(yùn)算放大器的串級應(yīng)用解題思路R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+求輸出電壓uO。1、先判別A1、A2電路。2、按順序（信號流經(jīng)），先算A1的uO1。3、其做為A2的uI2，再對A2進(jìn)行運(yùn)算。4、uO里含有與uI1、uI2的運(yùn)算關(guān)系。26[例]:已知：

R1=10kΩ,R2=50kΩ,R3=R4,RF1=10kΩ，RF2=500kΩ，

ui1=30mV，ui2=50mV。試計(jì)算:輸出電壓uO2。解：R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+A1是反相輸入運(yùn)算電路，A2是加法運(yùn)算電路。R127兩個輸入端都輸入信號二、減法運(yùn)算電路12R1R3∞+_+RFR2

uI1

uI2uO–+減數(shù)被減數(shù)根據(jù):u+=u-,

i1=i2≈0輸出電壓為兩個輸入電壓之差

既能放大差模信號又能抑制共模信號差分輸入運(yùn)算電路28根據(jù)u-=u+=0,“虛地”。根據(jù)i+=i-

=iI=0，則:i1=iF+iI≈iF12∞+_+R2R1uI–+uO–+iFi1iICF三、積分運(yùn)算電路將反相輸入運(yùn)算電路中RF用CF代替

電容上電壓等于其電流的積分1、uO與uI成積分關(guān)系29方波變?nèi)遣ǎ翰煌瑫r間段里，uI正跳變或負(fù)跳變，uO充放電，變?nèi)遣ā?、應(yīng)用

當(dāng)為一階躍直流電壓時：ttOOuIuOttOOuOuI30[例]:已知：

R1=1MΩ,CF=1μF,

U1=1V，試計(jì)算:t=0,0.2s,0.6s,1s時的輸出電壓uO各為多少？解：iFi1uI–+12∞+_+R2R1iICFuO–+

R1CF=1?106?10-6=1s當(dāng)t=0時：uO=0V當(dāng)t=0.6s時：uO=-0.6V；當(dāng)t=1s時：uO=-1V。當(dāng)t=0.2s時：31iFi1iI12∞+_+R2R1CFuI–+uO–+四、微分運(yùn)算電路將反相比例運(yùn)算電路中R1用CF代替根據(jù)u-=u+=0,“虛地”。根據(jù)i+=i-

=iI=0，則:i1=iF+iI≈iF1、uO與uI成微分關(guān)系322、應(yīng)用

方波變尖頂波。33運(yùn)算放大器處在開環(huán)狀態(tài)，由于電壓放大倍數(shù)極高，因而輸入端之間只要有微小電壓，運(yùn)算放大器便進(jìn)入非線性工作區(qū)域，輸出電壓uo達(dá)到最大值UOM。1、比較器運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用(a)(b)A￥uoiuRu34基準(zhǔn)電壓UR=0時，輸入電壓ui與零電位比較，稱為過零比較器。A￥uoiuRu35

電壓比較器廣泛應(yīng)用在模-數(shù)接口、電平檢測及波形變換等領(lǐng)域。如圖所示為用過零比較器把正弦波變換為矩形波的例子。36t1t2+UOSOt

uIOt

uOOt

uO-UOS+UOS-UOSUR2.滯回比較器

單限比較器缺點(diǎn):抗干擾能力差。

uO在閾值電壓附近微小變化，都引起uO跳變。當(dāng)uI<UR

時，uO=+UOS

高電平當(dāng)uI=UR

時，uO

跳變當(dāng)uI>UR

時，uO=-UOS

低電平372、滯回比較器設(shè)比較器初始狀態(tài)uo=+UOM，此時同相輸入端的電壓為：當(dāng)ui由低向高變化直至ui>uH1時，比較器的輸出電壓uo由＋UOM跳變至－UOM，此時同相輸入端的電壓為：38當(dāng)ui由高向低變化直至ui<uH2時，比較器的輸出電壓uo由－UOM跳變至＋UOM，此時同相輸入端的電壓又變?yōu)閡H1。uH1稱為上門限電壓，uH2稱為下門限電壓，兩者的差值稱為回差電壓，用uH表示，即：與簡單比較器相比，滯回比較器具有以下兩個優(yōu)點(diǎn)：（1）引入正反饋后能加速輸出電壓的轉(zhuǎn)變過程，改善輸出電壓在跳變時的波形。（2）提高了電路的抗干擾能力。運(yùn)算放大器的選用及使用注意問題一、選用元件二、使用時的注意問題三、運(yùn)算放大器的保護(hù)40使用時的注意問題

1、消振:運(yùn)算放大器很容易產(chǎn)生自激振蕩，使用時要消振。目前集成運(yùn)算放大器都有消振元件，

2、調(diào)零：運(yùn)算放大器內(nèi)部參數(shù)不完全對稱，需外接調(diào)零電路。不需外部消振。如確需可外接RC消振電路或消振電容。－15V負(fù)電源10kΩ調(diào)零電位器41567231kΩ輸出端＋15V正電源同相輸入端反相輸入端∞CF74141損壞原因輸入信號過大。UCC極性接反。輸出端接“地”，或接UCC。1、輸入端保護(hù)防止輸入差模信號過大D1D2三、運(yùn)算放大器的保護(hù)uI∞+_+RFR1uO2、電源端接錯的保護(hù)∞+_++UCCD1D2-UCC接-UCC，二極管不通422、輸出端保護(hù)輸出電壓限制在:uO=±（UZ＋UD)DZ1DZ2uI∞+_+R1uORF防止輸出電壓過大

兩只反串穩(wěn)壓管：一只擊穿工作UZ，

另一只正向?qū)║D

=

0.7V

輸出電壓正常時：uO低于UZ，穩(wěn)壓