第2章(14)集成運放

2.1放大的概念和電路主要指標2.1.1放大的概念放大的對象：變化量(常用正弦波作測試信號)放大的本質：能量的控制和轉換

在輸入信號的作用下，通過放大電路，將直流電源的能量轉換成負載所獲得的能量，使負載上獲得的能量大于信號源提供的能量。第2章集成運放及其基本運用◆放大電路的核心元件：有源元件。用于能量的控制和轉換?！舴糯蟮奶卣鳎汗β史糯?、幅度放大。負載上獲得比輸入信號大得多的電壓或電流，或者兼而有之?！舴糯蟮幕疽螅翰皇д?。這是放大的前提，要求放大電路中的有源元件工作在合適的區(qū)域，使輸入量與輸出量始終保持線關系。2.1.2.放大電路的性能指標1、放大電路的框圖2、放大電路的性能指標

電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)互導放大倍數(shù)（1）放大倍數(shù)

是衡量放大電路放大能力的指標（2）輸入電阻和輸出電阻放大電路作為信號源（前級）的負載，輸入電阻是衡量其負載效應的參數(shù)輸入電阻Ri輸入電阻越大，從其前級取得的電流越小，對前級的影響越小。輸出電阻Ro對負載來說,放大器的輸出端口等效為一個信號源，其內阻就是放大電路的輸出電阻，根據(jù)戴維南定理，為開路電壓由分壓公式得輸出電阻R0的大小反映了放大電路帶負載的能力問題1：對放大電路來說，希望輸入電阻Ri越大越好還是越小越好？⑴對輸入為電壓源的電路，Ri越大越好?。ǚ謮捍螅茖斎霝殡娏髟吹碾娐?，Ri越小越好?。ǚ至鞔螅﹩栴}2：

Ro越大越好還是越小越好？⑴輸出為電壓信號時，Ro越小越好（恒壓源）⑵輸出為電流信號時，Ro越大越好（恒流源）

R0愈小，負載電阻變化時，Uo的變化愈小，放大電路帶電壓負載的能力愈強。(3)通頻帶(衡量放大電路對不同頻率信號的適應能力)在信號頻率上升到使放大倍數(shù)的值等于0.707││的頻率。通頻帶放大器的幅頻特性:放大電路只適用于放大某一特定頻率范圍的信號，在信號頻率下降到使放大倍數(shù)的值等于0.707││的頻率。mA&在輸入信號頻率太高或太低時，放大倍數(shù)的值會下降并產生相移。（4）最大不失真輸出電壓在輸出波形沒有明顯失真情況下放大電路能夠提供給負載的最大輸出電壓(或最大輸出電流)可用峰-峰值(UOPP、IOPP)表示，或有效值表示(Uom、Iom)。（5）最大輸出功率與效率最大輸出功率Pom

：：效率PV：直流電源消耗的功率效率η：在輸出信號不失真的情況下，負載上能夠獲得的最大功率。直流電源能量的利用率2.2集成運算放大電路2.2.1差分放大的概念（在6.3節(jié)中介紹）輸入級均采用差分放大電路,具有很強的抑制零點漂移的能力；中間級一般采用有源負載的復合管共射電路，以獲得高的勻電壓放大倍數(shù)；輸出級通常采用射極輸出或互補對稱輸出電路，以提高電路的帶負載能力；偏置電路一般采用恒流源電路，其特點是直流電阻小，交流電阻大，常用來作有源負載和為各級提供合理而穩(wěn)定的偏置電流。集成運放的組成2.2.2集成運放的符號及其電壓傳輸特性集成運放的符號+AoduPuNuO同相輸入端uP電壓傳輸特性

uO=f(uP–uN)uOuP-uN反向輸入端uN。輸出端uO。線性區(qū):

線性應用（運算電路）非線性區(qū):非線性應用（比較器）輸出電壓與輸入電壓存在線性放大關系，即Aod為差模開環(huán)放大倍數(shù)輸出電壓只有兩種可能的情況：+UOM或-UOMUOM為輸出電壓的飽和電壓、其數(shù)值接近電源值。+UOM-UOM2.2.3理想集成運放理想運放的性能指標1、開環(huán)電壓增益Aod=∞2、差模輸入電阻Rid=∞3、輸出電阻R0=04、共模抑制比KCMR=∞5、上限截止頻率fH=∞6、輸入失調電壓UOI及其溫漂dUOI/dT為零輸入失調電流IOI及其溫漂dIOI/dT為零；無內部噪聲。2.2.4理想運放兩個工作區(qū)域的特點1、工作在線性區(qū)的特點：

為了使其工作在線性區(qū)，需要引入深度負反饋，以減小運放的凈輸入，保證輸出電壓不超出線性范圍。uo=Aod（uP-uN）=AodUI

特點:稱兩輸入端“虛短路”（指運放兩輸入端的電位無限接近，但又不是真正的短路）。稱兩輸入端“虛斷路”（指運放兩輸入端的電流趨于零，但又不是真正的斷路）。若Aod=106±UOM=±15V則±UIM=±0.015mV2、理想運放在非線性工作區(qū)的特點在電路中，若運放處于開環(huán)狀態(tài)，或引入了正反饋，則運放工作在非線性區(qū)。uo≠Aod（uP-uN）這時：特點：（1）輸出電壓只有兩種可能的狀態(tài)：±UOM。uOu+-u-O+UOM-UOM理想特性當uP＞uN

時uo=＋UOM當uP<uN

時uo=－UOM（2）運放的輸入電流等于零，即：iP=iN=0理想運放載非線性區(qū)的電壓傳輸特性由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放?！疤摱獭狈糯蟊稊?shù)與負載無關。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行?！疤摂唷痹诜治鲂盘栠\算電路時對運放的處理若兩輸入端任一電位為零，則另一端電位也為零（1）得：“虛地”（3）++∞uou–u+i+i––（2）i+=i–02.3理想運放組成的基本運算電路2.3.1比例運算電路1、反相比例運算電路iR=iF“虛斷”“虛地”若R=RF

則：u0＝－ui

稱為：

反相器

故R’

=R

//RF為保證靜態(tài)時輸入級的對稱性（N和P對地電阻相等），需加平衡電阻R’1.共模輸入電壓為0(∵uP=uN)，因此對運放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。3.由于并聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻小(Ri=R)，因此對輸入電流有一定的要求。4.在放大倍數(shù)較大時，該電路結構不再適用。反相比例電路的特點：當學完差動放大器和負反饋之后，應該會分析◆舉例：T型反饋網絡反相比例運算電路N點為虛地由分流公式：由虛斷代入得用R2、R3、R4網絡Rf可用低阻值R2、R3、R4獲得高增益uN=uP當RF=0（此時R已無用）或R=∞時稱為：電壓跟隨器2、同相比例運算電路由虛斷：由虛斷：由虛斷：=uIR’=R//Rf3.共模輸入電壓為ui，因此對運放的共模抑制比要求高。1.由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0（Ro=0），因此帶負載能力強。2.由于串聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻大。（Ri=∞）同相比例電路的特點：2.3.2加減運算電路（1）、反相求和運算電路ui1單獨作用(ui2＝0，ui2＝0)時，求ui2單獨作用時，？ui2單獨作用時，？1、求和運算電路（2）、同相求和運算電路方法一:令RN＝R∥Rf即

RP

=R1∥R2∥R3∥R4（2）、同相求和運算電路方法二:疊加原理電阻平衡配置要求：

R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf2、加減運算電路則電壓放大倍數(shù)（1）、差分比例運算電路方法1：用疊加原理若輸入信號為：ui=ui2-ui12、加減運算電路由“虛短”

uN=uP

，所以：（1）、差分比例運算電路方法2：利用uN=uP(2)加減運算電路解法1：利用疊加原理求解+圖(a)為反相求和運算電路圖(b)為同相求和運算電路若R1//R2//Rf＝R3//R4//R5(2)加減運算電路解法2：利用uN=uP列方程即：R1//R2//Rf＝R3//R4//R5通常運放入端外接電阻要對稱例1：電路應用實例（儀用放大電路）特點：兩個放大級。結構對稱的A1、A2

組成第一級，互相抵消漂移和失調，輸入電阻大。

A3

組成差分放大級，將差分輸入轉換為單端輸出。當加入差模信號uI時，若R2=R3，則R1的中點為交流地電位，三運放數(shù)據(jù)放大器原理圖對于A1:同理對于A2:ui1ui2A3

為差分比例放大電路。當R4=R5，R6=R7時例2：求v0的數(shù)值。解：例3：求數(shù)據(jù)放大器的輸出表達式再看反饋回路可推導出關系：代入上式既可得輸出表達式2.3.3積分運算電路和微分運算電路1、積分運算電路由于“虛地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iI=iC，故uI

=iIR=iCR得：τ=RC——積分時間常數(shù)圖

2.3.12積分電路的輸入、輸出波形(1)輸入電壓為階躍信號t0t1tuIOtuOOUI當t≤

t0

時，uI=0，uO=0；當t0

<t≤t1

時，uI=UI=常數(shù)，當t>t1時，uI=0即輸出電壓隨時間而向負方向直線增長。uo

保持t=t1

時的輸出電壓值不變。(2)輸入電壓為正弦波tuOO可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領先90

。因此，此時積分電路的作用是移相。tuIOUm注意：為防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)電阻Rf。(Rf用于限制低頻電壓增益)積分運算電路在不同輸入情況下的波形1)輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2)輸入為方波時的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時的輸出電壓波形？圖7.2.18基本微分電路由于“虛斷”，故iC

=iR由于“虛地”uN=0可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。實現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。2.

微分運算電路微分電路的作用：微分電路的作用有移相功能。t0tuO0U實用微分運算電路實用微分運算電路基本微分運算電路在輸入信號時，集成運放內部的放大管會進入飽和或截止狀態(tài)，以至于即使信號消失，管子還不能脫離原狀態(tài)回到放大區(qū)，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實用電路應采取措施。限制輸出電壓幅值滯后補償限制輸入電流1、電壓比較器的用途2.4.1電壓比較器概述

2.4電壓比較器將一個模擬輸入電壓和參考電壓進行比較，根據(jù)比較結果輸出兩個不同的電平：高電平UOH或低電平UOL.用于報警、自動控制、電子測量、鑒幅、波形的產生和變換等電路中。2、電壓比較器電路的特點運放工作在開環(huán)狀態(tài)，或引入正反饋，運放工作在非線性區(qū)。3、電壓比較器的傳輸特性電壓傳輸特性的三要素：(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL電壓傳輸特性：一般為±UOM；有輸出限幅電路時，由限幅電路求出。當uI變化且經過UT時，uO是從UOH變到UOL還是反之(2)閾值電壓的數(shù)值UT當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。寫出uP和uN的表達式并令其相等，求出的輸入電壓即為UT）（3）翻轉方向要看輸入信號是作用于反相端還是同相端，另外看ui<UT還是ui>UT。

4、電壓比較器的種類(1)單限比較器

電路只有一個閾值電壓,在輸入電壓變化過程中,當通過UT時,輸出電壓發(fā)生一次躍變。見圖(a)(2)滯回比較器

電路具有兩個閾值電壓,輸入電壓沿不同的方向變化時,輸出電壓只發(fā)生一次躍變,但發(fā)生躍變時的閾值電壓不同,具有滯回特性。見圖(b)(3)窗口比較器

電路具有兩個閾值電壓,輸入電壓沿不同的方向變化時,輸出電壓發(fā)生兩次躍變。見圖(c)2.4.2單限比較器1、過零比較器閾值電壓為0當uI<0時過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOM-UOMO傳輸特性uO=+

UOM；當uI>0時uO=-

UOM；uP>uNuN>uP?若信號從同相端輸入翻轉方向改變利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器用雙向穩(wěn)壓管實現(xiàn)雙向限幅uIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當uI<0時：圖8.2.6無穩(wěn)壓管時，uO=+

UOM有穩(wěn)壓管后，uO=+

UZ當uI>0時：無穩(wěn)壓管時，uO=-

UOM有穩(wěn)壓管后，uO=-

UZ設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ<UOM這時的傳輸特性變?yōu)椋豪梅€(wěn)壓管限幅的過零比較器(二)電路圖傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾?.一般單限比較器確定躍變方向確定閾值電壓當uI<UT時,uN<uP,uO=UOM當uI>UT時,uN>uP,uO=-UOMUOMUOMUT

++uouituituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?.一般單限比較器躍變方向改變當uI<UT時,uP<uN,uO=-UOM當uI>UT時,uP>uN,uO=UOM當輸入信號加到同相輸入端時：UOM-UOMUT

改變UREF的大小和正負、改變R1和R2的大小都可以改變UTUT

UT

單限比較器的作用：優(yōu)點：靈敏度高解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。用于檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。缺點：抗干擾能力差。(2)確定閾值電壓1、工作原理2.4.3滯回比較器(1)確定輸出電壓的值UOH=＋UOMUOL=－UOM運放引入的是正反饋a、當uo正飽和時(uo=+UOM)：b、當uo負飽和時(uo=-UOM)：UN=UI求UN=UP時的UI（3）確定躍變方向uoui0+Uom-UomUT+UT-設ui,當ui=<UT-時,

uo從-UOM+UOM這時,uo=-UOM,UP=UT－設開始:

uo=+UOM,UP=UT+設ui,當ui=>UT+時,

uo從+UOM-UOM這時,uo=+UOM,UP=UT+傳輸特性：UT+上門限電壓UT-下門限電壓UT+-UT-稱為回差tuiUT+UT-tuoUom-Uom例題:設輸入為正弦波,畫出輸出的波形。2、正反饋的作用:①使滯回比較器工作在非線性區(qū);uI↑→uO↓→uP↓→uO↓↓,使uO迅速由+UOM躍變?yōu)?UOM②加快狀態(tài)轉變的過程,縮短狀態(tài)轉換的時間。

uI↓接近-UT時：uI↑接近UT時：uI↓→uO↑→uP↑→uO↑↑,使uO迅速由-UOM躍變?yōu)?UOM

3、加上參考電壓后的遲滯比較器：閾值電壓：uoui0UT+UT-傳輸特性+UOM-UOMUN=UI例題：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UREF=9V,當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。uoui0UT1UT2傳輸特性閾值電壓：=10V=2V2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0102傳輸特性+UOM-UOM輸出波形uoui0UT+UT-uoui0+Uom-UomUT+UT-滯回比較器兩種電路傳輸特性的比較:4、信號從同相端輸入的滯回比較器閾值電壓uoui0+Uom-UomUT+UT-傳輸特性本章結束下一章窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI低于UREF2，運放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導通，輸出電壓uO為高電平；若uI高于UREF1，運放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導通，輸出電壓uO為高電平；圖

雙限比較器(a)前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入