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第16章 集成運算放大器,16.1 集成運算放大器的簡單介紹,16.2 運算放大器在信號運算方面的應(yīng)用,16.4 運算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用,16.5 使用運算放大器應(yīng)注意的幾個問題,16.3 運算放大器在信號處理方面的應(yīng)用,1. 了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義。 2. 理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想 運算放大器并掌握其基本分析方法。 3. 理解用集成運放組成的比例、加減、微分和 積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器 的工作原理。 4. 理解電壓比較器的工作原理和應(yīng)用。,本章要求,第16章 集成運算放大器,16.1 集成運算放大器的簡單介紹,集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。,集成電路 是把整個電路的各個元件以及相互之 間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上, 組成一個不 可分的整體。,集成電路特點：體積小、重量輕、功耗低、可 靠性高、價格低。,各類型號集成芯片,16.1.1 集成運算放大器的特點,Auo 高: 80dB~140dB rid 高: 105 ~ 1011? ro 低: 幾十? ~ 幾百? KCMR高: 70dB~130dB,1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流 源代替，電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電 容、電感 和變壓器均需外接； 4. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。,16.1.2 電路的簡單說明,輸入級,中間級,輸出級,,,同相 輸入端,輸出端,反相 輸入端,輸入級：采用帶恒流源的差分放大電路，輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號。 中間級：常用帶恒流源的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，電壓放大倍數(shù)高。 輸出級：一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成，輸出電阻低，帶負(fù)載能力強。 偏置電路：恒流源電路構(gòu)成，提供合適的偏流，決定各級Q。,集成運算放大器的管腳和符號,反相 輸入端,同相 輸入端,信號傳 輸方向,輸出端,實際運放開環(huán) 電壓放大倍數(shù),,16.1.3 主要參數(shù),1. 最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。,2. 開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。,6. 共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。,,愈小愈好,3. 輸入失調(diào)電壓 UIO 4. 輸入失調(diào)電流 IIO 5. 輸入偏置電流 IIB,16.1.4 理想運算放大器及其分析依據(jù),1. 理想運算放大器的條件,Auo ? ? ， rid ? ? ， ro? 0 ， KCMR? ?,2. 電壓傳輸特性 uo= f (ui),線性區(qū)： uo = Auo(u+– u–),非線性區(qū)（飽和區(qū)）： u+ u– 時， uo = +Uo(sat) u+ u– 時， uo = – Uo(sat),,線性區(qū),理想特性,實際特性,飽和區(qū),O,3. 理想運放工作在線性區(qū)的分析依據(jù),因為 uo = Auo(u+– u– )， Auo ? ?,所以(1) 差模輸入電壓約等于 0 即 u+= u– ,稱“虛短”,(2) 輸入電流約等于 0 即 i+= i– ? 0 ,稱“虛斷”,電壓傳輸特性,Auo越大，運放的線性 范圍越小，必須加負(fù)反 饋使其工作于線性區(qū)。,O,rid ? ?,ro ? 0,(3) 輸出電壓uo與負(fù)載無關(guān),,4. 理想運放工作在飽和區(qū)的特點,(1) 輸出只有兩種可能, +Uo(sat) 或–Uo(sat),(2) i+= i– ? 0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象,電壓傳輸特性,當(dāng) u+ u– 時， uo = + Uo(sat) u+ u– 時， uo = – Uo(sat) 不存在 “虛短”現(xiàn)象,16.2 運算放大器在信號運算方面的運用,集成運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，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算。,運算放大器工作在線性區(qū)時，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)與參數(shù)，而與運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，就可以實現(xiàn)不同的運算。,16.2.1 比例運算,1. 反相比例運算,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),因虛短, 所以u–=u+= 0， 稱反相輸入端“虛地”— 反相輸入的重要特點,因虛斷，i+= i– = 0 ，,所以 i1 ? if,靜態(tài)時u+、 u– 對地電阻相同， 所以平衡電阻 R2 = R1 // RF,結(jié)論：,① Auf為負(fù)值，即 uo與 ui 極性相反。因為 ui 加 在反相輸入端。,② Auf 只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與運放本 身參數(shù)無關(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”。,例1：電路如圖所示，已知 R1= 10 k? ，RF = 50 k? 。 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 = –50 ? 10 = –5,R2 = R1 ?? RF =10 ?50 ? (10+50) = 8.3 k?,2. 因 Auf = – RF / R1 = – RF ? 10 = –10 故得 RF = –Auf ? R1 = –(–10) ?10 =100 k? R2 = 10 ? 100 ? (10 +100) = 9. 1 k?,例2 測量電阻的電路如圖所示。其中 ui = U = 10 V，輸出端接有滿量程為 5 V 的電壓表，被測電阻為 Rx 。 試找出 Rx 與電壓表讀數(shù)的關(guān)系； (2) 若所用運放為 CF741 型，為了擴大測量電阻的范圍，將電壓表的量程選為 50 V 是否有意義？,解：(1),=－105 uo Ω,(2) 查附錄可知：,CF741 型的最大輸出電壓為±13 V。 因此，選用量程為 50 V 的電壓表無意義。,2. 同相比例運算,因虛斷i+ = 0，所以u+ = ui,（1）電路組成,（2）電壓放大倍數(shù),,因虛短，所以 u– = ui ， 反相輸入端不“虛地”,靜態(tài)時u+、u?對地電阻相同， 所以平衡電阻R2=R1//RF,結(jié)論：,① Auf 為正值，即 uo與 ui 極性相同。因為 ui 加 在同相輸入端。,② Auf只與外部電阻 R1、RF 有關(guān)，與運放本 身參數(shù)無關(guān)。,③ Auf ≥ 1 ，不能小于 1 。,④ u– = u+ ≠ 0 ，反相輸入端不存在“虛地”現(xiàn)象。,當(dāng) R1= ? 且 RF = 0 時，,uo = ui ， Auf = 1， 稱電壓跟隨器。,由運放構(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。,這是一電壓跟隨器，電源經(jīng)兩個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，其兩端電壓 uo不會隨之變化， uo =7.5V。,負(fù)載電流的大小 與負(fù)載無關(guān)。,例3：負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路,,1. 能測量較小的電壓； 2. 輸入電阻高，對被 測電路影響小。,流過電流表的電流,16.2.2 加法運算電路,1. 反相加法運算電路,因虛短, u–= u+= 0,R2= R11 // R12 // RF,因虛斷，i– = 0,所以 ii1+ ii2 = if,若 R11 = R12 = R1,若 R1 = RF,2. 同相加法運算電路,方法1: 根據(jù)疊加原理 ui1單獨作用(ui2＝0)時，,同理，ui2單獨作用時,方法2：,,平衡電阻： R21 // R22 = R1 // RF,u+,,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， 對其它路無影響。,同相加法運算電路的特點：,反相加法運算電路的特點：,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， 對其它路有影響。,16.2.3 減法運算電路,由虛斷可得：,由虛短可得：,分析方法1：,若 R1 = R2 ，R3 = RF,若 R1 = RF,R2 // R3 = R1 // RF,輸出與兩個輸入信號的差值成正比。,常用做測量 放大電路,分析方法2：利用疊加原理 減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。,u+,16.2.4 積分運算電路,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 u+= u-= 0, i1 = if,若輸入信號電壓為恒定直流量，即 ui= Ui 時，則,,,,,,,,,積分飽和,線性積分時間,線性積分時間,,–Uo(sat),ui = Ui 0,ui = –Ui 0,采用集成運算放大器組成的積分電路，由于充電電流基本上是恒定的，故 uo 是時間 t 的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。,輸出電壓隨時 間線性變化,Ui,–Ui,將比例運算和積分運算結(jié)合在一起，就組成 比例-積分運算電路。,電路的輸出電壓,上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分,這種運算器又稱 PI 調(diào)節(jié)器, 常用于控制系統(tǒng)中, 以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變 RF 和 CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù), 以滿足控制系統(tǒng)的要求。,16.2.5 微分運算電路,,,,,由虛短及虛斷性質(zhì)可得 u+= u-= 0, i1 = if,Ui,–Ui,比例-微分運算電路,上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分,控制系統(tǒng)中， PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性。,—PD調(diào)節(jié)器,if,例4：設(shè)RF＞＞R4，試證：,證：,例5：已知：ui1 = 1V， ui2 = 2V， ui3 = 3V， ui4 = 4V， R1 = R2 = 2kΩ， R3 = R4 = RF = 1kΩ，求uo。,解：,應(yīng)用節(jié)點電壓法求u+：,應(yīng)用疊加原理求uo：,例6：求uo與ui1、ui2的運算關(guān)系式。,解：,第一級：,第二級：,例7：求uo。,解：,第一級：,第二級：,uo2 = uo2－uo1,例8：圖示電路是廣泛應(yīng)用與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的比例 －積分－微分電路。試求該電路 uo 與 ui 的關(guān)系式 。,uo,,∞,－ +,+,,,,,△,,CF,ui,,,,R1 C1,R2,,,,,,RF,,,,,,,,,,u+ = u－ = 0,解：,,,,,i1,iR1,iC1,if,16.3 運放在信號處理方面的應(yīng)用,16.3.1 有源濾波器,濾波器是一種選頻電路。 它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。,無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。,有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。,缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。,優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。,按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。,1. 有源低通濾波器,設(shè)輸入為正弦波信號, 則有,故：,若頻率 ? 為變量，則電路的傳遞函數(shù),其模為,當(dāng)? ?0時，| T(j?)| 衰減很快,顯然，電路能使低于?0的信號順利通過，衰減很小，而使高于?0的信號不易通過，衰減很大，稱一 階有源低通濾波器。,為了改善濾波效果，使 ? ?0 時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。,2. 有源高通濾波器,設(shè)輸入為正弦波信號，則有,故：,可見，電路使頻率大于?0 的信號通過 ，而小于?0 的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。,若頻率 ? 為變量，則電路的傳遞函數(shù),其模為,模擬開關(guān),模擬輸入信號,1. 電路,16.3.2 采樣保持電路,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)換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。,用于數(shù)字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。,采樣存儲 電容,控制信號,電壓跟隨器,,2. 工作原理,17.3.2 采樣保持電路,1. 電路,,,,采樣階段： uG為高電平， S 閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通)， ui對存儲電容C充電， uo= uC = ui 。,保持階段： uG為 0， S 斷開(場效應(yīng)管截止)，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。,,,,,采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。,16.3.3 電壓比較器,電壓比較器的功能： 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當(dāng)兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的 大小和極性。,用途： 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。,運放工作在開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。,理想運放工作在飽和區(qū)的特點：,1. 輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或–Uo (sat) 當(dāng) u+ u－ 時， uo = +Uo (sat) u+ u－ 時， 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,電壓傳輸特性,–Uo(sat),+Uo(sat),,運放處于開環(huán)狀態(tài),1. 基本電壓比較器,閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。,,當(dāng) u+u– 時，uo= +Uo (sat) u+u– 時，uo= –Uo (sat),即 uiUR 時，uo = – Uo (sat),可見，在 ui =UR 處輸出電壓 uo 發(fā)生躍變。,參考電壓,,,單限電壓比較器： 當(dāng) ui 單方向變化時， uo 只變化一次。,,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= –Uo (sat),,輸入信號接在反相端,輸入信號接在同相端,,輸入信號接在反相端,輸入信號接在同相端,,輸出帶限幅的電壓比較器,設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ， 忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航?則 ui UR，uo = –UZ,uiUR 時，uo' = – Uo (sat),過零電壓比較器,利用電壓比較器 將正弦波變?yōu)榉讲?uo,,16.4 運放在波形產(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：不用外接輸入信號，即有輸出信號。,16.4.1 矩形波發(fā)生器,1. 電路結(jié)構(gòu),由滯回比較器、,RC充放電電路組成，,電容電壓uC 即是比較器的輸入電壓，,2. 工作原理,設(shè)電源接通時， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。,電阻R2兩端的電壓UR即是比較器的參考電壓。,uo 通過 RF 對電容C充電， uC 按指數(shù)規(guī)律增長。,,,充電,,當(dāng) uo = +Uo(sat)時，電容充電， uC上升，,電容放電， uC下降，,,當(dāng)uC= UR 時，uo 跳變成 –Uo(sat),當(dāng) uC= –UR 時，uo 跳變成 +Uo(sat) ，電容又重新充電。,放電,2. 工作原理,,,3. 工作波形,,T = T1+T2,電容充放電過程，uC 的響應(yīng)規(guī)律為,4. 周期與頻率,在充電過程中,在放電過程中,矩形波的周期,矩形波的頻率,充放電時間常數(shù)相同：? = RC,矩形波常用于數(shù)字電路中作為信號源,A1：滯回比較器 因 u– = 0 ， 所以當(dāng) u+ = 0 時， A1狀態(tài)改變,16.4.2 三角波發(fā)生器,1. 電路結(jié)構(gòu),A2：反相積分電路,,2. 工作原理,A1：滯回比較器 因 u- = 0 ，所以當(dāng) u+ = 0時，A1狀態(tài)改變,輸出 uo1 改變(+UZ 躍變到–UZ 或 –UZ 躍變到 +UZ)，,當(dāng),同時積分電路的輸入、輸出電壓也隨之改變。,3. 工作波形,4. 周期與頻率,T = T1+ T2 = 2T1 = 2T2,(1) 改變比較器的輸出 uo1、電阻R1 、R2 即可改變?nèi)遣ǖ姆怠?(2) 改變積分常數(shù)RC 即可改變?nèi)遣ǖ念l率。,,16.4.3 鋸齒波發(fā)生器,1. 電路,三角波發(fā)生器,在三角波發(fā)生器的電路中，使積分電路的正、反向積分的時間常數(shù)不同，即可使其 輸出鋸齒波。,2. 波形,16.4.3 鋸齒波發(fā)生器,1. 電路,