運(yùn)算放大電路2016

第7章集成運(yùn)算放大器7.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹7.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用7.3

運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用★7.4

運(yùn)算放大電路中的負(fù)反饋集成運(yùn)算放大1.理解運(yùn)算放大器的組成、電壓傳輸特性、理想運(yùn)算放大器條件、并掌握其線性區(qū)的基本分析依據(jù)。u+=u–,i+=i–0

2.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加、減運(yùn)算電路的組成、工作原理，掌握平衡電阻概念。3.理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。集成運(yùn)放難點(diǎn)每一個(gè)集成運(yùn)放運(yùn)算電路的工作特點(diǎn)（加、減、同相比例、反向比例，特別的反號(hào)器、跟隨器等）；集成運(yùn)放計(jì)算電路的組成及變換形式（跟隨器、反號(hào)器、和計(jì)算、差計(jì)算）；不同的線性運(yùn)算電路的靈活運(yùn)用。電壓比較器分立元件電路:以單個(gè)元件，通過(guò)導(dǎo)線聯(lián)接成一個(gè)完整的電路。集成電路:它把電路中全部的電阻與晶體管以及相互之間的聯(lián)系同時(shí)刻制在一塊半導(dǎo)體芯片上，使電路更加簡(jiǎn)潔、更加趨向于集成化?，F(xiàn)在的集成電路已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。1、數(shù)字集成電路

（各種計(jì)算機(jī)及開(kāi)關(guān)電路）2、模擬集成電路

（測(cè)量、自動(dòng)控制、信號(hào)變換等）模擬集成電路：

包括集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成A/D與D/A轉(zhuǎn)換器等等。從集成電路的功能來(lái)分，大致分為二類：7.1

集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單介紹一.集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)及組成集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。特點(diǎn)：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸 集成運(yùn)算放大器是具有開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)非常高,并帶有深度負(fù)反饋的直接耦合放大電路。集成運(yùn)算放大器方框圖如圖所示：+UCC–UEEuou–u+輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)同相輸入端輸出端反相輸入端從方框圖可知運(yùn)放有四個(gè)基本部分所組成：輸入級(jí)：要求放大器的輸入電阻高，抗干擾性能好、能抑制零漂、能為信號(hào)提供各種輸入方式，采用差動(dòng)放大電路。中間級(jí)：要求電壓放大倍數(shù)做的盡量的大，采用共射級(jí)電壓放大器。輸出級(jí)：要求輸出電阻低，能提供足夠大的電壓和電流來(lái)推動(dòng)負(fù)載。采用互補(bǔ)射級(jí)功率放大器。偏置電路：為以上各級(jí)提供穩(wěn)定的合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。二、集成運(yùn)放的主要參數(shù)：Auo

高:80dB~140dBrid

高:105~1011ro

低:幾十

~幾百KCMR高:70dB~130dB①開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo：

差模電壓開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo要求越高越好，意味著此模塊精度較高、穩(wěn)定性能好。②共模抑制比:KCMRR=Ad

——

Ac

在同樣的條件下，要求KCMRR越高越好，這樣抑制零漂作用越強(qiáng)。③開(kāi)環(huán)輸入電阻rid:（差模輸入電阻） 越大越好，約100ΜΩ。④開(kāi)環(huán)輸出電阻rod:(差模輸出電阻)

越小越好，約20Ω。體現(xiàn)出帶負(fù)載能力。另外：⑤最大輸出電壓Uopp:

在電源、負(fù)載不變情況下，輸出不出現(xiàn)明顯的失真的最大輸出電壓，一般小于電源電壓。⑥輸入失調(diào)電壓Uio:

為了使輸出等于零，在輸入端加一個(gè)很小的補(bǔ)償電壓。當(dāng)然這個(gè)電壓應(yīng)該越小越好。

可見(jiàn)集成運(yùn)放具有開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)高、輸入電阻高、輸出電阻低、零點(diǎn)漂移小、可靠性高和體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此在各行各業(yè)均得到廣泛地應(yīng)用。三.集成運(yùn)算放大器符號(hào)及管腳①同相輸入端（同相端）：

輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位同相。②反相輸入端（反相端）：

輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位反相。任何一個(gè)集成運(yùn)放模塊，它的基本管腳大致有這么幾個(gè)：集成運(yùn)放的符號(hào)：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–③正電源端，負(fù)電源端。④輸出端（信號(hào)輸出端）。⑤調(diào)零端：當(dāng)輸入端對(duì)地短路時(shí)，通過(guò)調(diào)零電位器使輸出電壓等于零。集成運(yùn)放的符號(hào)：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–四.理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)1.理想運(yùn)算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRR2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)線性區(qū)：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–

時(shí)，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo

=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O理想集成運(yùn)放的電路符號(hào)3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)(分析依據(jù))因?yàn)閡o

=

Auo(u+–

u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0（Auo→∞

)

即u+=u–

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0（rid→∞）

即i+=i–0,稱“虛斷”：運(yùn)算放大器同相端和反相端輸入電流近似等于零。電壓傳輸特性++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O注意

Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。集成運(yùn)放的“虛地”概念：如圖所示：在反相端通過(guò)電阻接

入信號(hào)，同相端通過(guò)

電阻接地。由于u+＝0，又u+≈

u-，所以u(píng)-

≈0。這說(shuō)明反相輸入端的電位也接近于零電位，但它并不是真正的零電位，這種情況稱為集成運(yùn)放的“虛地”概念。圖3-2-4“虛地”概念ifu+u-必須掌握的要點(diǎn) 集成運(yùn)放中的“二個(gè)依據(jù)”和一個(gè)“虛地”的概念是分析各種運(yùn)算電路基本方法。4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,

存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時(shí)，uo

=–Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)7.2

運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的運(yùn)用集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，通常要引入深度負(fù)反饋。所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大器本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。一.比例運(yùn)算1.

反相比例運(yùn)算（1）電路組成

以后如不加說(shuō)明，輸入、輸出的另一端均為地()。簡(jiǎn)化電路（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

平衡電阻:保證電路平衡因要求靜態(tài)時(shí)電路對(duì)稱：(ui=0,uo=0)，u+、u–對(duì)地電阻相同，

所以平衡電阻R2=R1//RFifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–

結(jié)論：①Auf為負(fù)值，即uo與ui

極性相反。因?yàn)閡i

加在反相輸入端。②Auf

只與外部電阻R1、RF

有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相輸入端“虛地”。⑤反號(hào)器：若R1=Rf，Auf=-1，uo=-ui例：電路如下圖所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例運(yùn)算因虛斷，所以u(píng)+=ui

（1）電路組成（2）電壓放大倍數(shù)uoRFuiR2R1++––++–因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

平衡電阻R2=R1//RFu+u–結(jié)論：①Auf為正值，即

uo與ui

極性相同。因?yàn)閡i

加在同相輸入端。②Auf只與外部電阻R1、RF有關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無(wú)關(guān)。③Auf≥1，不能小于1。④同號(hào)器：uo=ui；當(dāng)R1=且RF

=0時(shí)，當(dāng)R1=且RF

=0時(shí)，uo=ui

，

Auf=1，

稱電壓跟隨器。uoRFuiR2R1++––++–

由運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器輸入電阻高、輸出電阻低，其跟隨性能比射極輸出器更好。uoui++––++–

左圖是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個(gè)電阻分壓后加在電壓跟隨器的輸入端，當(dāng)負(fù)載RL變化時(shí)，其兩端電壓uo不會(huì)隨之變化。uo+–++–15kRL15k+15V

7.5k例：R3RLuiR2R1+–++–iLi1舉例：+uo二.加法運(yùn)算電路

1.反相加法運(yùn)算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虛斷，i–=0

所以

ii1+ii2=if

若Ri1=Ri2=RF

uo=-(ui1+ui2)反向加法器。

若Ri1

＝Ri2

＝Ru0=Rf

—

Rui1-ui2+）(ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–2.同相加法運(yùn)算電路方法1:根據(jù)疊加原理

ui1單獨(dú)作用(ui2＝0)時(shí)，同理，ui2單獨(dú)作用時(shí)ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–方法2：平衡電阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–1.輸入電阻低；2.共模電壓低；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路無(wú)影響；同相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：1.輸入電阻高；2.共模電壓高；3.當(dāng)改變某一路輸入電阻時(shí)，對(duì)其它路有影響；反相加法運(yùn)算電路的特點(diǎn)：ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–三.減法運(yùn)算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：R2//R3

=R1

//RFui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析方法2：利用疊加原理

減法運(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––分析：如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

輸出與兩個(gè)輸入信號(hào)的差值成正比。ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––7.3

運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用一.有源濾波器二.采樣保持電路模擬開(kāi)關(guān)模擬輸入信號(hào)1.電路二采樣保持電路SuC+–ui+–uo+–++–

采樣保持電路，多用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之前。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前必須對(duì)模擬量進(jìn)行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時(shí)間，以滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的需要。用于數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制及程序控制等裝置中。采樣存儲(chǔ)電容控制信號(hào)電壓跟隨器2.工作原理

采樣保持電路1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通)，

ui對(duì)存儲(chǔ)電容C充電，

uo=uC

=ui

。保持階段：

uG為0，

S斷開(kāi)(場(chǎng)效應(yīng)管截止)，輸出保持該階段開(kāi)始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號(hào)的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–三.

電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來(lái)比較輸入信號(hào)與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時(shí)輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào),由此來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。用途：數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場(chǎng)合。

運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)：1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo

(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)（飽和區(qū)）1.基本電壓比較器uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo

=–

Uo

(sat)可見(jiàn)，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。參考電壓uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t22.單限電壓比較器：

當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，uo

只變化一次。URuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo輸入信號(hào)接在反相端輸入信號(hào)接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t23.過(guò)零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲║RuouiR2++–R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O

帶限幅器的過(guò)零比較器

為了使運(yùn)放的輸出電壓和數(shù)字電路的電平相配合需要運(yùn)放輸出為一恒定的某一數(shù)值，那么只要在運(yùn)放的輸出端接上限幅器。（例如：采用雙向穩(wěn)壓管組成的限幅器）四.運(yùn)放在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用波形發(fā)生器的作用：產(chǎn)生一定頻率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）。特點(diǎn)：不用外接輸入信號(hào)，即有輸出信號(hào)。五.

運(yùn)放在信號(hào)測(cè)量方面的應(yīng)用

在自動(dòng)控制和非電測(cè)量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應(yīng)變、壓力和流量等)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流