重慶大學(xué)機(jī)械考研-電工學(xué)-第5章集成運(yùn)算放大器

1、第5章 集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 本章講授學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí),集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介,集成運(yùn)算放大器概述集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)理想集成運(yùn)算放大器,集成運(yùn)算放大器概述,集成運(yùn)放實(shí)質(zhì)上是一種雙端輸入、單端輸出的具有高電壓放大倍數(shù)，高輸入阻抗、低輸出阻抗的直接耦合放大器。它在發(fā)展初期主要用來實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算功能。后來，集成運(yùn)放已成為象晶體管一樣的通用增益器件，廣泛用于模擬電子線路的

2、各個(gè)領(lǐng)域。,集成電路外形,2—反相輸入端,6—輸出端,3—同相輸入端,4—正電源端,7—負(fù)電源端,8—閑置端（NC）,1、5—接調(diào)零電位器,運(yùn)放舉例：LM741,集成運(yùn)算放大器的電路構(gòu)成,集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)都采用差動(dòng)放大電路，中間級(jí)一般都是共發(fā)射極電壓放大電路，輸出級(jí)則由對(duì)稱互補(bǔ)的功率放大器和射極輸出器組成。,集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù),1. 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo,Auo是決定運(yùn)放電路穩(wěn)定性個(gè)運(yùn)算精度的重要因素，希望Auo越大越

3、好。,2. 最大輸出電壓UoPP,在一定電源電壓下，集成運(yùn)放輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的輸出電壓的峰值稱為最大輸出電壓。其值比電源電壓小。如電源電壓為15V，該值為10V左右。,3. 最大差模輸入電壓Uidmax,Uidmax是指集成運(yùn)放的反向輸入端和同向輸入端之間所能承受的最大電壓。,4. 最大共模輸入電壓Uicmax,Uicmax是指集成運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓，超過這個(gè)值，集成運(yùn)放的共模抑制比將明顯下降，甚至造成器件損

4、壞。,5. 差模輸入電阻rid,rid是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電阻值。rid越大越好，它標(biāo)志集成運(yùn)放輸入端向差模信號(hào)源索取信號(hào)電流的能力大小。,6. 輸出電阻ro,ro是指集成運(yùn)放輸出級(jí)的輸出電阻。它反應(yīng)了運(yùn)放的帶負(fù)載能力。,7. 共模抑制比KCMRR,KCMRR是指集成運(yùn)放的開環(huán)差模輸入電壓放大倍數(shù)與共模輸入電壓放大倍數(shù)之比值，用來衡量輸入級(jí)各參數(shù)的對(duì)稱程度。 KCMMR越大，運(yùn)放的共模抑制能力越強(qiáng)。,集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn),為滿足

5、運(yùn)算精度的要求，理想集成運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)的數(shù)值很大。零點(diǎn)漂移小。差模輸入電阻很高，一般在105～1011范圍，如果用MOS集成電路，輸入級(jí)的輸入電阻高達(dá)1011以上。輸出電阻很低，一般輸出級(jí)都采用互補(bǔ)對(duì)稱電路作為輸出級(jí)，所以，輸出電阻一般在幾十歐到幾百歐。,理想集成運(yùn)算放大器,理想集成運(yùn)放的電路模型,理想集成運(yùn)放及其分析依據(jù),（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù),（2）差模輸入電阻,（3）開環(huán)輸出電阻,（4）共模抑制比,理想集成運(yùn)放的

6、傳輸特性是指表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線。如右圖：,理想集成運(yùn)放的傳輸特性,,實(shí)際特性,理想特性,傳輸特性的特點(diǎn),傳輸特性可分為線性區(qū)和非線性區(qū)。所以，運(yùn)算放大器可工作在線性區(qū)也可工作在非線性區(qū)，但是，其分析方法不一樣。,線性區(qū),非線性區(qū),非線性區(qū),當(dāng)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),1.理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的電位相等,——虛短,2.理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的輸入電流為零。,——虛斷,虛短,虛斷,虛短,線性區(qū)： uo=Auo(u+-u-)

7、,,rid→∞ ，故兩輸入端的輸入電流為零。,Auo→∞ ，uo為有限值故 u+-u-=uo/Auo≈0 即 u+ ≈ u-,,,分析依據(jù),當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，如同相端接地，即u+=0 則u- ≈ 0,,當(dāng)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)：,1.理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的輸入電流為零。,——虛斷,2.輸出電壓有兩種取值可能,當(dāng),只是兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換點(diǎn),式中：+Uo（sat）——為正飽和值,-Uo（sat）——為負(fù)飽和值；,集

8、成運(yùn)放的應(yīng)用,概述運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用運(yùn)放應(yīng)用中的反饋集成運(yùn)放的使用,運(yùn)放能完成信號(hào)的代數(shù)運(yùn)算有：比例、加減、積分與微分等簡(jiǎn)單運(yùn)算，還能完成對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)以及乘除等復(fù)雜運(yùn)算。它們都是線性范圍內(nèi)的運(yùn)算，都適用疊加原理。,在討論運(yùn)放的運(yùn)算功能之前，要弄清幾個(gè)問題：如何保證運(yùn)放工作在線性區(qū) ? 我們知道：Auo→∞，即當(dāng)輸入差模信號(hào)極小時(shí)（如毫伏級(jí)以下的信號(hào)），也足以使運(yùn)放飽和。,我們還知道：負(fù)反饋能

9、減小放大倍數(shù)，且反饋愈深作用愈明顯；加上負(fù)反饋還可在其它方面改善放大電路的性能，所以——,解決之道是：在電路中引入深度負(fù)反饋。,概述,下面的問題是從輸出端將反饋引到同相端還是反相端 ？,引回到反相端,答案是：,運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用,比例運(yùn)算加法運(yùn)算減法運(yùn)算積分運(yùn)算微分運(yùn)算,比例運(yùn)算,反向輸入——反向比例運(yùn)算,因?yàn)檩斎胄盘?hào)從反向輸入端輸入，所以，稱為反向輸入。,Rf —反饋電阻 R2 —平衡電阻用于消除靜態(tài)基極電流

10、對(duì)輸出電壓的影響 R2= R1∥Rf,反向輸入——反向比例運(yùn)算,當(dāng)R1= Rf時(shí),說明：1、式中的負(fù)號(hào)表示輸出與輸入反相，因此又把反相輸入的比例運(yùn)算電路稱為反相器；,反饋類型:,深度并聯(lián)電壓負(fù)反饋,2、如R1和RF的阻值足夠精確，而運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很高，就可以認(rèn)為輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系只取決于兩電阻的比值，而與運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，保證了比例運(yùn)算的精度和穩(wěn)定性（深度負(fù)反饋）。,比例運(yùn)算,同向輸入——同向比例運(yùn)算,因?yàn)檩斎胄盘?hào)從同向

11、輸入端輸入時(shí)，稱為同向輸入。,電壓跟隨電路(電壓跟隨器),加法運(yùn)算,在反相端輸入若干路信號(hào)，構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路,由此得,減法運(yùn)算,當(dāng)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端都加入信號(hào)時(shí)稱為差動(dòng)輸入，如圖。,積分運(yùn)算,如果將反饋電阻換成電容，則比例運(yùn)算電路就變成了積分電路。如圖：,負(fù)號(hào)表示輸出與輸入反向,當(dāng)ui為階躍信號(hào)時(shí),最后達(dá)到負(fù)的飽和值,微分運(yùn)算,微分運(yùn)算是積分運(yùn)算的逆運(yùn)算，所以，如果將輸入電阻換成電容，則比例運(yùn)算電路就變成了微分電路。,當(dāng)ui為階躍信號(hào)

12、時(shí)，uo為尖脈沖電壓——輸出電壓與輸入電壓的一次微分成正比。,,運(yùn)放除了能完成信號(hào)的運(yùn)算，還能完成信號(hào)濾波、采樣保持及比較等處理工作。電壓比較器有源濾波器,運(yùn)放在信號(hào)處理方面的應(yīng)用,電壓比較器,該電路是對(duì)輸入電壓ui進(jìn)行比較和鑒別的電路，是集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用的基本電路。集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)。,工作原理,（1）UR為參考電壓，加在同相輸入端。輸入電壓ui加在反向輸入端。,（3）其電壓傳輸特性如圖所示:,（2）當(dāng)uiUR時(shí),輸出電壓

13、uo=-U(sat）.,如果輸入信號(hào)是正弦信號(hào):,,調(diào)節(jié)UR的大小,可以改變輸出波形正負(fù)半周的寬度.如果UR=0,則構(gòu)成過零比較器.,過零比較器:,如果想限制輸出電壓的大小,可以在輸出端接雙向穩(wěn)壓管.,過零滯回比較器:,在許多應(yīng)用電路中,要求電壓比較器的傳輸特性具有滯回特性。這樣，在輸入信號(hào)為變化緩慢的信號(hào)或信號(hào)幅值較小時(shí)，可以消除由于干擾在輸出電壓中可能出現(xiàn)的顫動(dòng)現(xiàn)象。,傳輸特性,電路的構(gòu),電路特點(diǎn),（1）輸出端至反向輸入端之間沒有反

14、饋通路，所以屬于開環(huán)應(yīng)用，輸出電壓必為高低兩種電平。,（2）R2和Rf組成正反饋電路，只是為了加快電壓比較器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)過程，使電壓傳輸特性變的更陡。,工作過程分析,可見：輸出電壓的變化總是滯后于輸入電壓的變化，所以叫過零滯回比較器。,,,有源濾波器,濾波器是一種選頻電路——選出有用信號(hào)，而抑制無用信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過，衰減??；而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過，衰減大。按選擇頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和

15、帶阻等。將由RC組成的無源濾波器再接到運(yùn)算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運(yùn)放是有源器件），性能會(huì)得到較大的改善：體積小、效率高、頻率特性好等。在此僅介紹有源低通濾波和有源高通濾波器,有源低通濾波器,電路的組成,工作原理,——稱為截止角頻率,——稱為電路的頻率特性,頻率特性可分為幅頻特性和相頻特性如下：,畫出其幅頻特性為,有源高通濾波器,工作原理,——稱為截止角頻率,——稱為電路的頻率特性,頻率特性可分為幅頻特性和相頻特性如下：,畫

16、出其幅頻特性為,運(yùn)放應(yīng)用中的反饋,在集成運(yùn)放的線性應(yīng)用中，必須加入深度負(fù)反饋才能使電路穩(wěn)定運(yùn)行。而且，輸入與輸出間的關(guān)系與運(yùn)放電路本身的參數(shù)無關(guān)。所以，各種反饋都有。,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,電流并聯(lián)負(fù)反饋,電流串聯(lián)負(fù)反饋,輸出電流與輸出電壓和負(fù)載電阻無關(guān)，所以是電流反饋。,結(jié)論,1.反饋電路直接從輸出端引出，是電壓反饋；從負(fù)載電阻靠近地端引出的，是電流反饋（RL經(jīng)電阻R接地）2.輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端（同向和反