電子技術(shù)(集成運(yùn)放)

1、2021年12月16日星期四第第3章章 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用及應(yīng)用第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要 本章首先介紹了集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)、本章首先介紹了集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)、 特性和主要參數(shù)，然后討論運(yùn)放的線性應(yīng)特性和主要參數(shù)，然后討論運(yùn)放的線性應(yīng) 用和非線性應(yīng)用，用和非線性應(yīng)用， 最后介紹了集成運(yùn)放的最后介紹了集成運(yùn)放的 使用常識(shí)。使用常識(shí)。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用3.1 集成運(yùn)放放大器集成運(yùn)放放大器3.2 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用集成運(yùn)放的線性應(yīng)用3.3 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用3.4 集成

2、運(yùn)放的使用常識(shí)集成運(yùn)放的使用常識(shí)第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用3.1 3.1 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器 由三極管為核心元件的交流放大電路是由三極管為核心元件的交流放大電路是由單個(gè)由單個(gè) 的的分立元件分立元件構(gòu)成，它們是電子技術(shù)的構(gòu)成，它們是電子技術(shù)的基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 電子電子科技一直在進(jìn)步，目前在實(shí)際應(yīng)用科技一直在進(jìn)步，目前在實(shí)際應(yīng)用中較少中較少 直接直接使用結(jié)構(gòu)如此簡(jiǎn)單的放大器，而主要使用使用結(jié)構(gòu)如此簡(jiǎn)單的放大器，而主要使用的是的是 集成電路集成電路，其中使用最多的是，其中使用最多的是集成集成運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放集成運(yùn)放或或運(yùn)運(yùn)放放。第第3 3章

3、章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用v 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是采用是采用集成電路集成電路工藝制成工藝制成的高增益放大器。的高增益放大器。v 它的應(yīng)用已超出早期的數(shù)學(xué)運(yùn)算范疇，能它的應(yīng)用已超出早期的數(shù)學(xué)運(yùn)算范疇，能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同功能的線性和非線性應(yīng)用。夠?qū)崿F(xiàn)各種不同功能的線性和非線性應(yīng)用。v 運(yùn)放的內(nèi)部電路相當(dāng)復(fù)雜，但作為使用者，運(yùn)放的內(nèi)部電路相當(dāng)復(fù)雜，但作為使用者，只需要關(guān)注它的外部特性。只需要關(guān)注它的外部特性。v 目前運(yùn)放已經(jīng)像晶體管一樣成為一種通用目前運(yùn)放已經(jīng)像晶體管一樣成為一種通用性極強(qiáng)的基本單元器件。性極強(qiáng)的基本單元器件。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放

4、大器及應(yīng)用 1958年美國(guó)年美國(guó)TI公司成功公司成功地制造了世界上第地制造了世界上第一塊集成電路。一塊集成電路。40余年來，集成電路的制造技余年來，集成電路的制造技術(shù)飛速發(fā)展。集成電路的發(fā)明是電子技術(shù)發(fā)展術(shù)飛速發(fā)展。集成電路的發(fā)明是電子技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。史上的一個(gè)重要里程碑。第一個(gè)集成電路及其發(fā)明者第一個(gè)集成電路及其發(fā)明者（ Jack Kilby from TI ） 1958年年9月月12日，基爾比在德州儀日，基爾比在德州儀器公司的實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)現(xiàn)了把電子器器公司的實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。42年以后，年以后， 2000年

5、獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 “為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用v 前面前面講述的放大電路均是由彼此相互分開的講述的放大電路均是由彼此相互分開的三極管、三極管、 二極管二極管、電阻、電容等元件，借助導(dǎo)線或、電阻、電容等元件，借助導(dǎo)線或印刷電路連印刷電路連 接接成的一個(gè)完整的電路系統(tǒng)，稱之為成的一個(gè)完整的電路系統(tǒng)，稱之為分立元件分立元件電路電路。v 利用利用半導(dǎo)體三極管常用的半導(dǎo)體三極管常用的硅平面工藝技術(shù)硅平面工藝技術(shù)，把，把組成電路組成電路 的的電阻、電容、二極管、三極管及連接導(dǎo)線同時(shí)電阻、電容、二極管、

6、三極管及連接導(dǎo)線同時(shí)制造在制造在 一一小塊硅片上，便成為小塊硅片上，便成為一塊集成電路，其一塊集成電路，其對(duì)外部對(duì)外部完成某完成某 一一電路的電路的功能。功能。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 集成電路是采用半導(dǎo)體制造工藝將元器件集成電路是采用半導(dǎo)體制造工藝將元器件和電路融為一體的固態(tài)組件，因此，集成和電路融為一體的固態(tài)組件，因此，集成電路又稱為固體電路。電路又稱為固體電路。 它與分立元件電路相比具有體積小、重量它與分立元件電路相比具有體積小、重量輕、外部焊點(diǎn)少、安裝方便、工作可靠等輕、外部焊點(diǎn)少、安裝方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成

7、運(yùn)算放大器及應(yīng)用 1. 集成電路的特點(diǎn)集成電路的特點(diǎn) （1）集成電路采用差動(dòng)式直接耦合電路。）集成電路采用差動(dòng)式直接耦合電路。 （2）集成電路不用電感，少用電容和高阻值電阻。）集成電路不用電感，少用電容和高阻值電阻。 （3）大量使用三極管作為有源單元。）大量使用三極管作為有源單元。 三極管占據(jù)單元面積小且成本低廉，所以三極管占據(jù)單元面積小且成本低廉，所以 在集成電路內(nèi)部用量最多。在集成電路內(nèi)部用量最多。 三極管三極管單元除用作放大以外，還大量用作恒流源單元除用作放大以外，還大量用作恒流源或作為或作為 二極管二極管、穩(wěn)壓、穩(wěn)壓管使用。管使用。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)

8、用第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 （2）按所用器件分類按所用器件分類。 雙極型集成電路：用雙極型集成電路：用NPN管或管或PNP管組成。管組成。 單極型集成電路：用單極型器件（單極型集成電路：用單極型器件（MOS管）組成，管）組成，它又可分為三種：它又可分為三種： 用用N溝道溝道MOS管組成的，稱為管組成的，稱為NMOS型；型； 用用P溝道溝道MOS管組成的，稱為管組成的，稱為PMOS型；型； 同時(shí)采用同時(shí)采用P溝道、溝道、N溝道互補(bǔ)的，稱為溝道互補(bǔ)的，稱為CMOS型。型。 用雙極型器件和單極型器件兼容組成的集成器件。用雙極型器件和單極型器件兼容組成的集成器件。 此外

9、，還有線性集成電路、數(shù)字集成電路等等。此外，還有線性集成電路、數(shù)字集成電路等等。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 3.1.2 集成運(yùn)算放大器的外形和符號(hào)集成運(yùn)算放大器的外形和符號(hào) 集成運(yùn)算放大器是一個(gè)多端元件，主要采集成運(yùn)算放大器是一個(gè)多端元件，主要采用圓殼式和用圓殼式和 雙列直插式兩種封裝外形。雙列直插式兩種封裝外形。集成電路的外形封裝（a）雙列直插封裝 （b）單列直插封裝 （c）表面安裝器件第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用v 集成集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中品種運(yùn)算放大器是模擬集成電路中品種最多、最多、 應(yīng)用應(yīng)用最廣泛的一類最廣泛的一類組件

10、，組件，v 集成集成運(yùn)放實(shí)際上是一種運(yùn)放實(shí)際上是一種高電壓放大倍數(shù)高電壓放大倍數(shù)的多級(jí)的多級(jí) 直接直接耦合放大耦合放大電路。電路。v 最初最初是用于數(shù)的計(jì)算，所以稱為是用于數(shù)的計(jì)算，所以稱為運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用v 集成集成運(yùn)放在發(fā)展初期主要用來實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)放在發(fā)展初期主要用來實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算功運(yùn)算功 能能，但后來發(fā)展成為像三極管一樣的通用，但后來發(fā)展成為像三極管一樣的通用器件，器件， 被被稱為稱為“萬能放大器件萬能放大器件”。v 具有差動(dòng)輸入級(jí)的集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)具有差動(dòng)輸入級(jí)的集成運(yùn)放的主要特點(diǎn)v 表現(xiàn)為開環(huán)增益非常高（高達(dá)表現(xiàn)為開環(huán)增益非

11、常高（高達(dá)1 1萬倍至百萬倍）、萬倍至百萬倍）、 體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等，并且體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等，并且 在使用上具有很大的通用性。在使用上具有很大的通用性。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)放集成運(yùn)放：是一種是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出 電阻電阻的直接耦合放大電路的直接耦合放大電路電路方框圖電路方框圖中間級(jí)中間級(jí)輸入級(jí)輸入級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)偏置電路偏置電路 輸出級(jí)主要提高帶負(fù)載能力，給出輸出級(jí)主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流足夠的輸出電流io ，輸出阻抗輸出阻抗 ro小。小。中間級(jí)應(yīng)有足夠大的電壓放

12、大倍數(shù)中間級(jí)應(yīng)有足夠大的電壓放大倍數(shù)盡量減小零點(diǎn)漂移盡量減小零點(diǎn)漂移, 輸入阻抗輸入阻抗 ri盡可能大盡可能大第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用圖3.1 運(yùn)算放大器的外形（a）金屬圓殼封裝；（b）塑料雙列直插式封裝第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 畫電路圖時(shí)集成運(yùn)放的電路符號(hào)如圖畫電路圖時(shí)集成運(yùn)放的電路符號(hào)如圖3.2所示。所示。 圖（圖（a）是國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)；是國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號(hào)； 圖（圖（b）是舊符號(hào)。是舊符號(hào)。 通常只畫出輸入和輸出端，其余各端可不畫出通常只畫出輸入和輸出端，其余各端可不畫出反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端

13、輸出端第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 運(yùn)算放大器的特點(diǎn)包括：運(yùn)算放大器的特點(diǎn)包括：輸入電阻非常高輸入電阻非常高（10k 1000M ），），輸出電阻很小輸出電阻很?。?0500 ），），電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)很大很大（104106），零點(diǎn)漂移很小，能放大交流信號(hào)，也），零點(diǎn)漂移很小，能放大交流信號(hào)，也能放大直流信號(hào)等。能放大直流信號(hào)等。 根據(jù)運(yùn)放的這些特點(diǎn)，可將根據(jù)運(yùn)放的這些特點(diǎn)，可將實(shí)際運(yùn)放理想化實(shí)際運(yùn)放理想化： 電壓增益電壓增益Au ； 輸入電阻輸入電阻Ri ； 輸出電阻輸出電阻Ro0。 此外，可認(rèn)為其通頻帶為無限寬，沒有失調(diào)現(xiàn)象，即：此外，可認(rèn)為其通頻帶為無限

14、寬，沒有失調(diào)現(xiàn)象，即： 當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也為零當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也為零。3.1.3 3.1.3 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用圖3.3 理想運(yùn)放符號(hào) 理想運(yùn)放的符理想運(yùn)放的符號(hào)如圖號(hào)如圖3.3所示，所示，表示信號(hào)傳輸方向表示信號(hào)傳輸方向，表示理想條件表示理想條件。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 運(yùn)放的工作區(qū)分為運(yùn)放的工作區(qū)分為線性區(qū)線性區(qū)和和非線性區(qū)非線性區(qū)（飽和區(qū)）。（飽和區(qū)）。 1. 集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 運(yùn)放線性應(yīng)用的必要條件是： 集成運(yùn)放必須引入深度負(fù)反饋集

15、成運(yùn)放必須引入深度負(fù)反饋。 集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線，稱為集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線，稱為 電壓傳輸特性電壓傳輸特性。)(ioufu)(uuAuuoo3.1.4 3.1.4 集成運(yùn)放的特點(diǎn)集成運(yùn)放的特點(diǎn)第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用+UO(sat)-UO(sat)線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)uuou線性區(qū)很窄線性區(qū)很窄, ,所以運(yùn)放在所以運(yùn)放在線性區(qū)工作線性區(qū)工作, ,通常引入通常引入深深度電壓負(fù)反度電壓負(fù)反饋饋斜率斜率=Au=Au第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用負(fù)反饋的概念負(fù)反饋的概念凡是將放大電路輸

16、出端的信號(hào)（電壓或電流）凡是將放大電路輸出端的信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)迭加，的一部分或全部引回到輸入端，與輸入信號(hào)迭加，就稱為就稱為反饋反饋。若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為若引回的信號(hào)削弱了輸入信號(hào)，就稱為負(fù)反饋負(fù)反饋。若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)若引回的信號(hào)增強(qiáng)了輸入信號(hào)，就稱為，就稱為正反饋正反饋。這里所說的信號(hào)一般是指交流信號(hào)，所以判斷這里所說的信號(hào)一般是指交流信號(hào)，所以判斷正負(fù)反饋，就要判斷反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)正負(fù)反饋，就要判斷反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的相位關(guān)系，系，同相是正反饋同相是正反饋，反相是負(fù)反饋反相是負(fù)反饋。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)

17、用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用基本放大基本放大電路電路AodX oX 反饋回電路反饋回電路FfX iX +反饋電路的三個(gè)環(huán)節(jié)：反饋電路的三個(gè)環(huán)節(jié)：放大：放大：dooXXA 反饋：反饋：ofXXF 迭加：迭加：fidXXX 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 （1）虛短虛短。 在線性區(qū)，輸出電壓與輸入電壓成簡(jiǎn)單的線性關(guān)在線性區(qū)，輸出電壓與輸入電壓成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，系， 即即： uo = Ao ( u+ - u- ) 因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的Ao，而，而uo為有限值（絕對(duì)值為有限值（絕對(duì)值小于電源電壓值），所以小于電源電壓值），所以 即：即： u+ = u 于是于是反相端與同相端

18、之間可視為短路反相端與同相端之間可視為短路。 但事實(shí)上但事實(shí)上Ao不可能無限大，兩輸入端又不可能不可能無限大，兩輸入端又不可能 短接，所以不是真正短路，而是短接，所以不是真正短路，而是“虛假短路虛假短路”，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 虛短虛短。0ooAuuu第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 （2）虛斷虛斷。 由于理想運(yùn)放的由于理想運(yùn)放的Ri ，故認(rèn)為反相輸入端與同相輸入故認(rèn)為反相輸入端與同相輸入 端的輸入電流均趨于零，即有端的輸入電流均趨于零，即有 實(shí)際上實(shí)際上Ri不可能無限大，不可能無限大，u+ 和和u也不可能完全相等，也不可能完全相等， i+ 與與i只能是近似為零，稱為只能是近似為零

19、，稱為“虛假斷路虛假斷路”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱虛斷虛斷。 虛短虛短和和虛斷虛斷是兩個(gè)十分重要的結(jié)論，運(yùn)用這兩個(gè)結(jié)是兩個(gè)十分重要的結(jié)論，運(yùn)用這兩個(gè)結(jié) 論，將大大簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的分析。論，將大大簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的分析。 0ii第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用0-Uom+Uomuoui電壓傳輸特性電壓傳輸特性線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)+Uom-Uomuo與與ui是線性關(guān)系，即是線性關(guān)系，即ouoiuo+-()uA uAuu為有限值ou+-0uu+-uu即“虛短虛短”idr+-0ii“虛斷虛斷”uo只有兩種可能，即只有兩種可能，即+Uom和和-Uom“虛短虛短”不成不成立立“虛斷虛斷”仍成仍成立

20、立第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 2. 集成運(yùn)放工作在集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)非線性區(qū)的特點(diǎn)的特點(diǎn) 運(yùn)放非線性應(yīng)用的必要條件是：運(yùn)放非線性應(yīng)用的必要條件是： 集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。 （1）輸出電壓輸出電壓為為正向正向或或負(fù)向飽和電壓負(fù)向飽和電壓。 在非線性區(qū)，只要運(yùn)放輸入很小的電壓變化量，在非線性區(qū)，只要運(yùn)放輸入很小的電壓變化量， 輸出電壓就只有兩種可能：輸出電壓就只有兩種可能： 正最大輸出電壓正最大輸出電壓+Uom或或負(fù)最大輸出電壓負(fù)最大輸出電壓-Uom 。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用+UOm-

21、UOm線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)uuou第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 這兩個(gè)電壓的絕對(duì)值可能不相等，可通過在這兩個(gè)電壓的絕對(duì)值可能不相等，可通過在 輸出端加雙向穩(wěn)壓管來獲得等值反向的輸出輸出端加雙向穩(wěn)壓管來獲得等值反向的輸出 電壓。電壓。 即有即有: 當(dāng)當(dāng)u+ u- 時(shí)，時(shí)，uo = + Uom 當(dāng)當(dāng)u+ u- 時(shí)，時(shí)，uo = - Uom （2）運(yùn)放的輸入電流等于零。運(yùn)放的輸入電流等于零。 由于運(yùn)放的輸入電阻由于運(yùn)放的輸入電阻R Ri i ，因此兩個(gè)輸入端因此兩個(gè)輸入端 的輸入電流仍然為零。的輸入電流仍然為零。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算

22、放大器及應(yīng)用線性應(yīng)用：線性應(yīng)用：電路引入了電路引入了負(fù)反饋，負(fù)反饋，非線性應(yīng)用：非線性應(yīng)用：電路電路開環(huán)開環(huán)或引入了或引入了正反饋，正反饋，集成運(yùn)放工作在集成運(yùn)放工作在線性區(qū)。線性區(qū)。集成運(yùn)放工作在集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。非線性區(qū)。（1）判斷集成運(yùn)放的工作區(qū)域。判斷集成運(yùn)放的工作區(qū)域。（2）根據(jù)理想運(yùn)放不同工作區(qū)的相應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)電路根據(jù)理想運(yùn)放不同工作區(qū)的相應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)電路 進(jìn)行分析。進(jìn)行分析。分析集成運(yùn)放應(yīng)用電路的基本步驟是：分析集成運(yùn)放應(yīng)用電路的基本步驟是：第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 例例3.1 已知運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源電壓為已知運(yùn)算放大器的正、負(fù)電

23、源電壓為15V， 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)Au=2105，輸出最大電壓（即，輸出最大電壓（即Uom） 為為13V，在圖，在圖3.4所示中分別加下列輸入電壓，求輸出所示中分別加下列輸入電壓，求輸出 電壓及其極性。電壓及其極性。 （1）u+=15V，u- = -10V； （2）u+= -5V，u- = +10V； （3）u+=0V，u- = +5mV； （4）u+=5mV，u- = 0V。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 解解：由式（：由式（3-1）：）： 可見，只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值可見，只要兩個(gè)輸入端之間的電壓絕對(duì)值| |u u+ +- -u u | | 超過超

24、過65V65V，輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。，輸出電壓就達(dá)到正或負(fù)的飽和值。（1）因因|u+-u |=|15+10|=25V， 所以所以u(píng)o = Au (u+-u ) = 21052510-6= +5V（2）因因|u+-u |=|-5-10|= |-15|=15V， 所以所以u(píng)o = Au (u+-u ) = 2105（-1510-6）=-3V（3）因因|u+-u |=|0-5|=|-5|=5mV，所以，所以u(píng)o =-Uom =-13V（4）因因|u+-u |=|5-0|= 5mV，所以，所以u(píng)o = + Uom =+13V+-ouo/65uuuAV ouoiuo+-()uAuAuu第第3

25、3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 集成運(yùn)放的應(yīng)用可分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。集成運(yùn)放的應(yīng)用可分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。 線性應(yīng)用線性應(yīng)用：運(yùn)算電路、測(cè)量放大器等；：運(yùn)算電路、測(cè)量放大器等； 非線性應(yīng)用非線性應(yīng)用：電壓比較器等。：電壓比較器等。v 運(yùn)放在線性應(yīng)用時(shí)，要使運(yùn)放工作在線性狀態(tài)，并引入深運(yùn)放在線性應(yīng)用時(shí)，要使運(yùn)放工作在線性狀態(tài)，并引入深 度反饋。度反饋。v 否則由于運(yùn)放的開環(huán)增益很高，很小的輸入電壓或運(yùn)放本身否則由于運(yùn)放的開環(huán)增益很高，很小的輸入電壓或運(yùn)放本身 的失調(diào)都可使它超出線性范圍。的失調(diào)都可使它超出線性范圍。v 分析運(yùn)放的線性應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常用到分析運(yùn)放

26、的線性應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常用到“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概的概念。念。3.2 3.2 集成運(yùn)放的線性應(yīng)用集成運(yùn)放的線性應(yīng)用 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 一、分析集成運(yùn)放線性電路的兩個(gè)重要原則一、分析集成運(yùn)放線性電路的兩個(gè)重要原則 1 1虛短虛短 虛短是指運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位相等。虛短是指運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位相等。2 2虛斷虛斷 虛斷是指運(yùn)放兩個(gè)輸入端的虛斷是指運(yùn)放兩個(gè)輸入端的輸入電流為零輸入電流為零。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)輸出信號(hào)與與輸入信號(hào)輸入信號(hào)按一定按一定比例運(yùn)算比例運(yùn)算的的 電路稱為電路稱為比例運(yùn)算電路比例運(yùn)

27、算電路 比例運(yùn)算電路包括：比例運(yùn)算電路包括： 反相比例反相比例運(yùn)算電路運(yùn)算電路 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路3.2.1 3.2.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 1. 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路 反相比例運(yùn)算電路由一個(gè)反相比例運(yùn)算電路由一個(gè)集成運(yùn)放集成運(yùn)放和和三個(gè)電阻三個(gè)電阻組成，組成，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較比較簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單。 輸入輸入電壓電壓經(jīng)過一個(gè)經(jīng)過一個(gè)輸入電阻輸入電阻R1 加加在在反相輸入反相輸入端端， 同相同相輸入端輸入端經(jīng)過一個(gè)經(jīng)過一個(gè)電阻電阻R2 接地。接地。 輸出輸出端端與運(yùn)放的與運(yùn)放的反相反相輸入輸入端端 由由一個(gè)一個(gè)電阻電

28、阻Rf 相連相連，保證集保證集 成成運(yùn)放工作在線運(yùn)放工作在線性區(qū)。性區(qū)。 電阻電阻 R2 平衡電阻平衡電阻 電阻電阻 Rf 反饋電阻反饋電阻第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 工作原理：工作原理： 輸入信號(hào)輸入信號(hào)ui 經(jīng)經(jīng) R1加到反相輸入端上，同相輸加到反相輸入端上，同相輸 入端經(jīng)入端經(jīng)R2 接地，輸出信號(hào)接地，輸出信號(hào)uo 經(jīng)過經(jīng)過Rf接回反相端，接回反相端， 形成深度并聯(lián)電壓形成深度并聯(lián)電壓負(fù)反饋負(fù)反饋，電路工作在，電路工作在線性區(qū)線性區(qū)。 R2為為平衡電阻平衡電阻，其作用是為了與電阻，其作用是為了與電阻R1和和Rf 保持直流平衡，以提高輸入級(jí)差放電路的對(duì)稱保持直

29、流平衡，以提高輸入級(jí)差放電路的對(duì)稱 性，通常取性，通常取R2 = R1Rf。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 工作原理：工作原理： 根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念有的概念有 電路中，因?yàn)殡娐分校驗(yàn)閕+= 0，R2中沒有電流，中沒有電流，u+ = 0 又因?yàn)橛忠驗(yàn)?u+ = u ，故說明反相輸入端是一個(gè)不故說明反相輸入端是一個(gè)不 接地的接地的“接地接地”端，稱為端，稱為“虛假接地虛假接地”， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱“虛地虛地”。 虛地是虛短的特例，是反相輸入放大器的重要虛地是虛短的特例，是反相輸入放大器的重要 特性。特性。 uu0ii第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用

30、集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用f 1 ii +- 0uu“虛地虛地”1fioufRRuuA特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. .為深度為深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋， Auf = Rf / R 1u+ = u = 0“虛地虛地”2.反相輸入信號(hào)時(shí)，反相輸入信號(hào)時(shí)，-oi+1fuuuuRR反相比例運(yùn)算放大電路反相比例運(yùn)算放大電路“虛短虛短”“虛斷虛斷”1ifi第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用由圖3.5可得而所以得ffoRiu1i1i1fRuRuuiii1fouRRu第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 上上式表明：式表明：輸出電壓輸出電壓u0與與輸入輸入電壓電壓ui 成正比成

31、正比，并且由于并且由于 輸入電壓輸入電壓ui 加加在運(yùn)放的反相輸入端，輸出與輸入在運(yùn)放的反相輸入端，輸出與輸入反相，反相， 故故稱為反相比例稱為反相比例運(yùn)算電路。運(yùn)算電路。 比例比例系數(shù)為系數(shù)為 。 同時(shí)同時(shí)亦可知反相比例運(yùn)算電路的亦可知反相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)為為f1RRofufi1uRAuR i1fouRRu第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用當(dāng)當(dāng) R1 = Rf 時(shí)，時(shí)，Auf = -1反相器反相器特殊地：特殊地：反相器反相器iouu第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 2 . 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路 同相輸入比例運(yùn)算電

32、路也是由同相輸入比例運(yùn)算電路也是由一個(gè)集成運(yùn)放一個(gè)集成運(yùn)放和和三三個(gè)輸入個(gè)輸入電阻電阻組成。組成。 但但與反相比例運(yùn)算電路與反相比例運(yùn)算電路不同不同的是：的是： 輸入電壓輸入電壓ui 通過輸入電阻通過輸入電阻R2 加加在同相輸入端，在同相輸入端，反相輸入反相輸入 端端通過通過電阻電阻R1 接地接地，電路的輸出端與反相輸入，電路的輸出端與反相輸入端由反饋電端由反饋電 阻阻Rf相連，引回一相連，引回一個(gè)負(fù)反饋個(gè)負(fù)反饋。R2為為平衡電阻平衡電阻，R2 = R1Rf第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用1fi iiuuui1110uuiRR oiofffuuuuiRRioi1fuuu

33、RRf1foii111RRRuuuRR根據(jù)理想集成運(yùn)放根據(jù)理想集成運(yùn)放“虛斷虛斷”和和“虛短虛短”的特點(diǎn)，由圖中的特點(diǎn)，由圖中可得可得第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 上上式表明：式表明： 輸出電壓輸出電壓uo與與輸入輸入電壓電壓ui成正比成正比，并且，并且由于由于ui加在同相加在同相 輸入輸入端，端，輸出與輸入同相輸出與輸入同相，故稱為同相比例，故稱為同相比例運(yùn)算電路。運(yùn)算電路。 比例比例系數(shù)為系數(shù)為 。 同時(shí)同時(shí)得到同相比例運(yùn)算電路的得到同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)為為 f11RRofufi11uRAuR f1foii111RRRuuuRR第第3 3章

34、章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用當(dāng)當(dāng) R1 = ，Rf = 0 時(shí)，時(shí)，Auf = 1電壓跟隨器電壓跟隨器特殊地：特殊地：同相器iouu 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，（時(shí)，（a）v對(duì)于集成運(yùn)放有一定的對(duì)于集成運(yùn)放有一定的 限流保護(hù)作用。限流保護(hù)作用。 v跟隨精度高跟隨精度高1R當(dāng)當(dāng) ，且且 時(shí)，（時(shí)，（b）1R20fRR第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用圖3.5 反相比例運(yùn)算電路 圖3.6 同相比例運(yùn)算電路第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 p 加法運(yùn)算電路是實(shí)現(xiàn)若干個(gè)輸入信號(hào)加法運(yùn)算電路是實(shí)現(xiàn)若干

35、個(gè)輸入信號(hào)求和求和功能功能 的電路。的電路。p 在反相比例運(yùn)算電路中增加若干個(gè)輸入端，就在反相比例運(yùn)算電路中增加若干個(gè)輸入端，就 構(gòu)成了反相加法運(yùn)算電路。構(gòu)成了反相加法運(yùn)算電路。3.2.2 3.2.2 加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路 如圖所示的為兩個(gè)輸入端的如圖所示的為兩個(gè)輸入端的反相加法電路反相加法電路;圖中圖中R3為平衡電阻，為平衡電阻， R3 = R1R2Rf 。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 p 運(yùn)用虛地概念，有運(yùn)用虛地概念，有: :ffoRiu21fiii11 i1Rui 22i2Rui )(2i21i1foRuRuRu若若 Rf = R1= R2 uo = （

36、ui1+ ui2）則則第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用利用疊加原理利用疊加原理1. ui2 = 0 ui1 使：使：i11fo1uRRu減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路 uRRRRRu2i3231f2o1）（反相反相比例運(yùn)算放大電路比例運(yùn)算放大電路ui2 使：使：2. ui1 = 0 同相同相比例運(yùn)算放大電路比例運(yùn)算放大電路組合組合和和R1/Rf=R2/R3 平衡電阻：平衡電阻：uRRuRRRRRuuu1i1f2i3231fo2o1o)(1(則：則：第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用當(dāng)當(dāng)R1=R2， Rf=R3時(shí)，上式簡(jiǎn)化為時(shí)，上式

37、簡(jiǎn)化為)(1 i2i1fouuRRu如果取如果取Rf=R1，則，則uo=ui2-ui1減法運(yùn)算實(shí)際是減法運(yùn)算實(shí)際是差分電路差分電路輸出電壓等于各個(gè)輸入電壓之差，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。輸出電壓等于各個(gè)輸入電壓之差，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用1.積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路2RR由于由于“虛地虛地”，u = 0， 故故 uO = uC又由于又由于“虛斷虛斷”，i1 = iF ， 故故得：得：Oi11ddCCuuitu tCRC = RC積分時(shí)間常數(shù)積分時(shí)間常數(shù)3.2.3 3.2.3 其他運(yùn)算電路其他運(yùn)算電路 i1iFui-+RR2Cuo虛地0VRuii1tuCio

38、Fdd第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用積分電路的輸入、輸出波形積分電路的輸入、輸出波形( (1) )輸入電壓為矩形波輸入電壓為矩形波圖圖 6.3.2t0t1tuIOtuOOUIIOi01d()Uuu tttRCRC 當(dāng)當(dāng) t t0 時(shí)，時(shí)，ui = 0， uO = 0； 當(dāng)當(dāng) t0 t1 時(shí)，時(shí)， uI = 0，uo 保持保持 t = t1 時(shí)的輸出電壓值不變。時(shí)的輸出電壓值不變。即即 輸出電壓隨時(shí)間而向負(fù)方向直線增長(zhǎng)輸出電壓隨時(shí)間而向負(fù)方向直線增長(zhǎng)。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用( (二二) )輸入電壓為正弦波輸入電壓為正弦波tUu sin

39、mI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可見，可見，輸出電壓輸出電壓的的相位相位比比輸入電壓輸入電壓的的相位相位領(lǐng)先領(lǐng)先 90 。 因此，此時(shí)因此，此時(shí)積分電路積分電路的作用是的作用是移相移相。 tuIOUm 2 3圖圖 6.3.2第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用i1iFtui0tuo0輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三角波。ui-+RR2Cuo應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例3 3：虛地0V第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用2.微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路可見，輸出電壓正比于輸入電壓對(duì)時(shí)間的微分?？梢姡敵鲭妷赫扔谳斎腚妷簩?duì)時(shí)

40、間的微分。微分電路的作用：微分電路的作用：實(shí)現(xiàn)波形變換。實(shí)現(xiàn)波形變換。u i+uoRR2i1iFCu= u+= 0RuioFtuCiidd1Fii 1tuRCuiodd第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC90第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用u 微分是積分的逆運(yùn)算。微分是積分的逆運(yùn)算。u 只要將積分運(yùn)算電路中只要將積分運(yùn)算電路中R和和C的位置互換，的位置互換， 就能形成微分器基本電路。就能形成微分器基本電路。u 積分

41、電路能夠延緩信號(hào)的傳輸，積分電路能夠延緩信號(hào)的傳輸，u 微分電路則能加快信號(hào)的傳輸過程，微分器微分電路則能加快信號(hào)的傳輸過程，微分器 又稱又稱D調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用如果將如果將比例比例運(yùn)算、運(yùn)算、積分積分運(yùn)算和運(yùn)算和微分微分運(yùn)算三部分運(yùn)算三部分電路組合起來，在自動(dòng)電路組合起來，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中叫做控制系統(tǒng)中叫做PID調(diào)調(diào)節(jié)器。節(jié)器。 圖3.9 PID調(diào)節(jié)器比例（比例（P）用于常規(guī)調(diào)節(jié)；用于常規(guī)調(diào)節(jié)；積分（積分（I）用于克服積累誤差；用于克服積累誤差；微分（微分（D）用于反應(yīng)變化的趨勢(shì)用于反應(yīng)變化的趨勢(shì)第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成

42、運(yùn)算放大器及應(yīng)用 測(cè)量放大器又稱精密放大器或儀用放大器，測(cè)量放大器又稱精密放大器或儀用放大器，用于對(duì)傳感器輸出的用于對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)微弱信號(hào)在在共模條件共模條件下精確下精確地地放大放大，因而要求放大電路具有高增益、高輸入，因而要求放大電路具有高增益、高輸入電阻和高共模抑制比。電阻和高共模抑制比。 如圖如圖3.10所示為三運(yùn)放測(cè)量放大器原理圖。所示為三運(yùn)放測(cè)量放大器原理圖。 3.2.4 3.2.4 測(cè)量放大器測(cè)量放大器 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用圖3.10 三運(yùn)放測(cè)量放大器原理圖第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 p A1，A2為對(duì)稱性很

43、好的集成運(yùn)放，由于采用為對(duì)稱性很好的集成運(yùn)放，由于采用同相同相 輸入輸入，構(gòu)成了，構(gòu)成了串聯(lián)負(fù)反饋串聯(lián)負(fù)反饋，因而輸入電阻極高。，因而輸入電阻極高。p A3接成接成減法運(yùn)算減法運(yùn)算電路，采用電路，采用差動(dòng)輸入差動(dòng)輸入，變雙端輸入，變雙端輸入 為單端輸出，可以抑制共模信號(hào)。為單端輸出，可以抑制共模信號(hào)。p A1，A2構(gòu)成構(gòu)成第一級(jí)第一級(jí)，根據(jù)集成運(yùn)放線性應(yīng)用的特點(diǎn)，根據(jù)集成運(yùn)放線性應(yīng)用的特點(diǎn) 可知，電阻可知，電阻R1中由差動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的電流為中由差動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的電流為i1，其兩其兩 端電位因端電位因虛短虛短各為各為ui1，ui2， 則則12i1 i1Ruui第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)

44、算放大器及應(yīng)用圖3.10 三運(yùn)放測(cè)量放大器原理圖第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 流經(jīng)流經(jīng) R2 的電流因的電流因虛斷虛斷也為也為i1，則則 A3為為第二級(jí)第二級(jí)，其輸入分別為，其輸入分別為uo1，uo2 由上式可得由上式可得A3的的輸出輸出uo為為 上式表明，測(cè)量放大器的放大倍數(shù)（即差模電壓放上式表明，測(cè)量放大器的放大倍數(shù)（即差模電壓放大倍數(shù)）為大倍數(shù)）為 2i1 i12122112o1o2uuRRRRRRiuu2i1 i1211o2oo2uuRRRuuu1212i1 io2RRRuuuAu第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 v 若若ui1，ui

45、2為共模信號(hào)，即為共模信號(hào)，即 v 由上式可知，由上式可知， ，即，即 v 若若ui1，ui2為差模信號(hào)，即為差模信號(hào)，即 則能有效地放大，則差模放大倍數(shù)為則能有效地放大，則差模放大倍數(shù)為 。v 值得注意的是，值得注意的是，A1，A2的對(duì)稱性要好，各電阻阻值的的對(duì)稱性要好，各電阻阻值的 匹配精度要高，才能保證整個(gè)電路匹配精度要高，才能保證整個(gè)電路KCMR很大。很大。v 有時(shí)，為了調(diào)節(jié)方便，有時(shí)，為了調(diào)節(jié)方便，R1經(jīng)常采用可調(diào)電位器。經(jīng)常采用可調(diào)電位器。v 測(cè)量放大器的應(yīng)用非常廣泛，目前已有單片集成芯片測(cè)量放大器的應(yīng)用非常廣泛，目前已有單片集成芯片 產(chǎn)品。除了可調(diào)產(chǎn)品。除了可調(diào)R1以外，所有元件

46、都封裝在內(nèi)部。以外，所有元件都封裝在內(nèi)部。2i1 iuu 0ouCMRK12/21RRi1i2uu 共模抑制比共模抑制比CMRK第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用3.3 3.3 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用 分析運(yùn)放的分析運(yùn)放的非線性非線性應(yīng)用時(shí)，應(yīng)用時(shí)，“虛短虛短”的概念已的概念已經(jīng)經(jīng)不適用不適用，而運(yùn)放的輸入電阻很高，而運(yùn)放的輸入電阻很高，“虛斷虛斷“仍然仍然適用適用。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用v 電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。電壓比較器用來比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。v 比較器輸入的是連續(xù)的模擬信號(hào)，輸出的是

47、以高、比較器輸入的是連續(xù)的模擬信號(hào)，輸出的是以高、 低電平為特征的數(shù)字信號(hào)，即低電平為特征的數(shù)字信號(hào)，即“1”或或“0”v當(dāng)當(dāng)兩者兩者幅度幅度不相等不相等時(shí)時(shí)輸出電壓輸出電壓為為高電平高電平或或低電平低電平v當(dāng)當(dāng)兩者兩者幅度幅度相等相等時(shí)時(shí)輸出電壓輸出電壓產(chǎn)生產(chǎn)生躍變躍變由高電平變由高電平變 成低電平，或者由低電平變成高電平。成低電平，或者由低電平變成高電平。v 由此來判斷輸入信號(hào)的大小和極性。由此來判斷輸入信號(hào)的大小和極性。3.3.1 3.3.1 電壓比較器電壓比較器 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 （1）電路構(gòu)成電路構(gòu)成p 開環(huán)工作的運(yùn)算放大器是最基本的單限電壓比

48、較器。開環(huán)工作的運(yùn)算放大器是最基本的單限電壓比較器。p 根據(jù)輸入方式不同，分為根據(jù)輸入方式不同，分為反相輸入反相輸入和和同相輸入同相輸入兩種。兩種。p 反相輸入單限電壓比較器電路如圖反相輸入單限電壓比較器電路如圖3.11（a）所示）所示p 輸入信號(hào)輸入信號(hào)ui從反相端加入，同相端加參考電壓從反相端加入，同相端加參考電壓UR， 輸出電壓為輸出電壓為uo。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用電壓傳輸特性電壓傳輸特性u(píng)iuoOURURuouiR2+ R1+可見，在可見，在 ui =UR 處輸出電壓處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。發(fā)生躍變。參考電壓參考電壓第第3 3章章 集成運(yùn)算放大

49、器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 即即 ： 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) ； 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) ； 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) 發(fā)生跳變。發(fā)生跳變。v 把比較器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓把比較器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓 值稱為值稱為閾值電壓閾值電壓或或門檻電壓門檻電壓。v 閾值電壓用閾值電壓用UTH表示，表示，UTH值可以為正或負(fù)。值可以為正或負(fù)。v 此電路的此電路的UTH=UR，因?yàn)檫@種電路只有一個(gè)閾值因?yàn)檫@種電路只有一個(gè)閾值 電壓，故稱為電壓，故稱為單門限電壓比較器單門限電壓比較器。RiUu omoUuRiUu omoUuRiUu ou閾值電壓閾值電壓(門限電平門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。：輸出躍變所對(duì)應(yīng)

50、的輸入電壓。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用uoui0+UOM-UOM+uoui過零比較器過零比較器: 當(dāng)當(dāng)UR =0時(shí)時(shí)+uouiuoui0+UOM-UOM第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用+uouituituo+Uom-Uom利用電壓比較器將利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲āＵ也ㄗ優(yōu)榉讲?。第? 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用n 電壓比較器常用作波形變換使用，它可以電壓比較器常用作波形變換使用，它可以 把連續(xù)變化的輸入波形變換成矩形波；把連續(xù)變化的輸入波形變換成矩形波；n 也可作為電壓是否超過了規(guī)定數(shù)值的檢測(cè)；也可作為電壓是

51、否超過了規(guī)定數(shù)值的檢測(cè)；n 也可以和傳感器配合使用，作為某一物理量也可以和傳感器配合使用，作為某一物理量 （如溫度、壓力、位移等）是否超過了整定（如溫度、壓力、位移等）是否超過了整定 值的檢測(cè)。值的檢測(cè)。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 單限電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但抗干擾能力差。單限電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但抗干擾能力差。 例如，當(dāng)例如，當(dāng)ui在門檻電壓在門檻電壓UR附近受到干擾時(shí)，就有可能使附近受到干擾時(shí)，就有可能使uo 產(chǎn)生連續(xù)的翻轉(zhuǎn)。產(chǎn)生連續(xù)的翻轉(zhuǎn)。 在實(shí)際應(yīng)用中，這種情況是不允許的，解決的方案是在實(shí)際應(yīng)用中，這種情況是不允許的，解決的方案是采用采用

52、滯回電壓比較器滯回電壓比較器。 在電壓比較器的基礎(chǔ)上，通過在電壓比較器的基礎(chǔ)上，通過 Rf把輸出電壓的把輸出電壓的正反饋正反饋到放大到放大 器的同相端，就組成了滯回比較器。器的同相端，就組成了滯回比較器。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 （1 1）電路組成）電路組成 滯回電壓比較器又稱為滯回電壓比較器又稱為施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器， 其電路如圖其電路如圖3.14（a）所示）所示 它是在它是在過零比較器過零比較器的基礎(chǔ)上加上的基礎(chǔ)上加上正反饋正反饋構(gòu)成的。構(gòu)成的。+uoR1RfR2uiU+參考電壓參考電壓u+由原由原來的輸出決定來的輸出決定第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器

53、及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用2、當(dāng)當(dāng)ui u+時(shí)，時(shí)， ，此時(shí)，此時(shí)uo 經(jīng)過反饋電經(jīng)過反饋電 阻阻Rf 正反饋到同相輸入端的電位變?yōu)檎答伒酵噍斎攵说碾娢蛔優(yōu)樯祥T限電壓上門限電壓 當(dāng)當(dāng)ui 增大到增大到uiUTH1時(shí)，時(shí)，uo就由正向飽和電壓翻轉(zhuǎn)就由正向飽和電壓翻轉(zhuǎn) 為負(fù)向飽和電壓，即為負(fù)向飽和電壓，即 。 此時(shí)同相輸入端的電位變?yōu)榇藭r(shí)同相輸入端的電位變?yōu)橄麻T限電壓下門限電壓 omoUu2TH1om2fRUURR omoUu2TH2om2fRUURR 1、因?yàn)橛小⒁驗(yàn)橛姓答佌答?，所以，所以輸出飽和輸出飽和。第? 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用uoui0+Uom-Uom

54、UTH1UTH2以后當(dāng)輸入電壓以后當(dāng)輸入電壓ui下降下降到到ui UTH1時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓uo發(fā)生發(fā)生跳變跳變， 由由 +Uom跳變?yōu)樘優(yōu)? Uom，2. 當(dāng)當(dāng)ui 減小時(shí)，減小時(shí)，到到ui UTH2時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓uo發(fā)生發(fā)生 跳變跳變， 由由-Uom跳變?yōu)樘優(yōu)?+ Uom，第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 例例3.2 圖圖3.15所示為滯回電壓比較器，所示為滯回電壓比較器， 輸入信號(hào)輸入信號(hào)ui 的波形如圖的波形如圖3.17（a）所示，）所示， 試畫出其電壓傳輸特性和輸出電壓試畫出其電壓傳輸特性和輸出電壓uo的波形。的波形。 解解：圖中電阻圖中電

55、阻R1和和R為限流電阻，輸出為限流電阻，輸出uo受穩(wěn)壓管受穩(wěn)壓管 限幅，即限幅，即Uom= 6V。 （1）畫電壓傳輸特性。由式（）畫電壓傳輸特性。由式（3-11）得上門限電壓為：）得上門限電壓為： 由式（由式（3-12）得下門限電壓為：）得下門限電壓為： 其電壓傳輸特性如圖其電壓傳輸特性如圖3.16所示。所示。2TH1om231563V1515RUURR 2TH2om231563V1515RUURR 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 圖3.15 例3.2的電路圖 圖3.16 例3.2的電壓傳輸特性 用穩(wěn)壓管穩(wěn)用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓定輸出電壓第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及

56、應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用圖3.17 例3.2的輸入輸出波形 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 （2）畫畫uo的波形的波形 當(dāng)當(dāng)t =0時(shí)，由于時(shí)，由于uiUTH2= 3V，所以，所以u(píng)o=+Uom=6V， 此時(shí)此時(shí)U+= UTH1=3V。 當(dāng)當(dāng)t =t1時(shí)，時(shí)，uiUTH1=3V，電路翻轉(zhuǎn)為，電路翻轉(zhuǎn)為uo= Uom= 6V。 此后此后U+=UTH2= 3V，在，在t1至至t2時(shí)段，時(shí)段，uiUTH2= 3V， 故故uo保持保持 6V不變。不變。 當(dāng)當(dāng)t =t2時(shí)，時(shí)，uiUTH2= 3V，電路又翻轉(zhuǎn)回來，電路又翻轉(zhuǎn)回來，Uo由由 6V變?yōu)樽優(yōu)?6V，U+由由UTH2=

57、 3V變?yōu)樽優(yōu)閁TH1=3V。 依此類推，可畫出依此類推，可畫出uo的波形，如圖的波形，如圖3.17（b）所示。）所示。 由波形圖可見，雖然圖（由波形圖可見，雖然圖（a）的輸入電壓波形因受干擾）的輸入電壓波形因受干擾 而不規(guī)則，但輸出的電壓波形已變成標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，而不規(guī)則，但輸出的電壓波形已變成標(biāo)準(zhǔn)的矩形波， 這種作用又叫這種作用又叫“整形整形”。第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 集成電壓比較器常用型號(hào)有集成電壓比較器常用型號(hào)有LM710、LM311（SF31）、）、 BG307等。等。 其主要特點(diǎn)有：其主要特點(diǎn)有： （1）輸出高電平）輸出高電平UOH=3.3V，輸出低

58、電平，輸出低電平UOL= 0.4V， 適應(yīng)適應(yīng)TTL數(shù)字電路要求。數(shù)字電路要求。 （2）有較大的上升速率）有較大的上升速率SR，以適應(yīng)開關(guān)電路對(duì)響應(yīng)，以適應(yīng)開關(guān)電路對(duì)響應(yīng) 速度的要求。速度的要求。 （3）適應(yīng)非線性工作狀態(tài)，所以沒有相位補(bǔ)償（校正）適應(yīng)非線性工作狀態(tài)，所以沒有相位補(bǔ)償（校正） 引出腳。引出腳。3.4 3.4 集成電壓比較器簡(jiǎn)介集成電壓比較器簡(jiǎn)介 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 如需要對(duì)某一參數(shù)（如壓力、溫度、噪聲等）進(jìn)行如需要對(duì)某一參數(shù)（如壓力、溫度、噪聲等）進(jìn)行監(jiān)控，可將傳感器輸出的監(jiān)控信號(hào)監(jiān)控，可將傳感器輸出的監(jiān)控信號(hào)ui送給比較器監(jiān)控送給比較器監(jiān)

59、控報(bào)警，圖報(bào)警，圖3.18所示的是利用所示的是利用比較器比較器設(shè)計(jì)出的設(shè)計(jì)出的監(jiān)控報(bào)警監(jiān)控報(bào)警電路。電路。 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用v 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，比較器輸出負(fù)值，晶體管時(shí)，比較器輸出負(fù)值，晶體管VT截止，截止， 指示燈熄滅，表明工作正常。指示燈熄滅，表明工作正常。v 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，被監(jiān)控的信號(hào)超過正常值，比較器時(shí)，被監(jiān)控的信號(hào)超過正常值，比較器 輸出正值，晶體管輸出正值，晶體管VT飽和導(dǎo)通，報(bào)警指示燈亮。飽和導(dǎo)通，報(bào)警指示燈亮。v 電阻電阻R 決定于對(duì)晶體管基極的驅(qū)動(dòng)程度，其阻值應(yīng)決定于對(duì)晶體管基極的驅(qū)動(dòng)程度，其阻值應(yīng) 保證晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)。保證晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)

60、。v 二極管二極管VD起保護(hù)作用，當(dāng)比較器輸出負(fù)值時(shí)，晶起保護(hù)作用，當(dāng)比較器輸出負(fù)值時(shí)，晶 體管發(fā)射結(jié)上反偏電壓較高，可能擊穿發(fā)射結(jié)，而體管發(fā)射結(jié)上反偏電壓較高，可能擊穿發(fā)射結(jié)，而 VD能把發(fā)射結(jié)的反向電壓限制在能把發(fā)射結(jié)的反向電壓限制在0.7V，從而保護(hù)了從而保護(hù)了 晶體管。晶體管。 RiUu RiUu 第第3 3章章 集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用集成運(yùn)算放大器及應(yīng)用 3.4.1 調(diào)零調(diào)零集成運(yùn)放通常有集成運(yùn)放通常有零輸入零輸入-零輸出零輸出的要求。的要求。當(dāng)輸入信號(hào)為零，而輸出不為零時(shí)，需要有當(dāng)輸入信號(hào)為零，而輸出不為零時(shí)，需要有 調(diào)零措施。調(diào)零措施。 一般是將輸入端對(duì)地短接，利用外接調(diào)零一般是將