重慶大學(xué)機械考研-電工學(xué)-第5章集成運算放大器

1、第5章 集成運算放大器及其應(yīng)用 本章講授學(xué)時：6學(xué)時,集成運算放大器簡介,集成運算放大器概述集成運算放大器的組成集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的特點理想集成運算放大器,集成運算放大器概述,集成運放實質(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)展初期主要用來實現(xiàn)模擬運算功能。后來，集成運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,運放舉例：LM741,集成運算放大器的電路構(gòu)成,集成運算放大器的輸入級都采用差動放大電路，中間級一般都是共發(fā)射極電壓放大電路，輸出級則由對稱互補的功率放大器和射極輸出器組成。,集成運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是決定運放電路穩(wěn)定性個運算精度的重要因素，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是指集成運放所能承受的最大共模輸入電壓，超過這個值，集成運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是指集成運放兩個輸入端之間的電阻值。rid越大越好，它標(biāo)志集成運放輸入端向差模信號源索取信號電流的能力大小。,6. 輸出電阻ro,ro是指集成運放輸出級的輸出電阻。它反應(yīng)了運放的帶負(fù)載能力。,7. 共模抑制比KCMRR,KCMRR是指集成運放的開環(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，用來衡量輸入級各參數(shù)的對稱程度。 KCMMR越大，運放的共模抑制能力越強。,集成運算放大器的特點,為滿足

5、運算精度的要求，理想集成運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)的數(shù)值很大。零點漂移小。差模輸入電阻很高，一般在105～1011范圍，如果用MOS集成電路，輸入級的輸入電阻高達(dá)1011以上。輸出電阻很低，一般輸出級都采用互補對稱電路作為輸出級，所以，輸出電阻一般在幾十歐到幾百歐。,理想集成運算放大器,理想集成運放的電路模型,理想集成運放及其分析依據(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：,理想集成運放的傳輸特性,,實際特性,理想特性,傳輸特性的特點,傳輸特性可分為線性區(qū)和非線性區(qū)。所以，運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)理想運放工作在線性區(qū)時,1.理想運放的兩個輸入端的電位相等,——虛短,2.理想運放的兩個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)有信號輸入時，如同相端接地，即u+=0 則u- ≈ 0,,當(dāng)理想運放工作在非線性區(qū)時：,1.理想運放的兩個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,式中：+Uo（sat）——為正飽和值,-Uo（sat）——為負(fù)飽和值；,集

8、成運放的應(yīng)用,概述運放在信號運算方面的應(yīng)用運放在信號處理方面的應(yīng)用運放應(yīng)用中的反饋集成運放的使用,運放能完成信號的代數(shù)運算有：比例、加減、積分與微分等簡單運算，還能完成對數(shù)與反對數(shù)以及乘除等復(fù)雜運算。它們都是線性范圍內(nèi)的運算，都適用疊加原理。,在討論運放的運算功能之前，要弄清幾個問題：如何保證運放工作在線性區(qū) ? 我們知道：Auo→∞，即當(dāng)輸入差模信號極小時（如毫伏級以下的信號），也足以使運放飽和。,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：,運放在信號運算方面的應(yīng)用,比例運算加法運算減法運算積分運算微分運算,比例運算,反向輸入——反向比例運算,因為輸入信號從反向輸入端輸入，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、對輸出電壓的影響 R2= R1∥Rf,反向輸入——反向比例運算,當(dāng)R1= Rf時,說明：1、式中的負(fù)號表示輸出與輸入反相，因此又把反相輸入的比例運算電路稱為反相器；,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)為輸出與輸入信號的關(guān)系只取決于兩電阻的比值，而與運放本身的參數(shù)無關(guān)。因此，保證了比例運算的精度和穩(wěn)定性（深度負(fù)反饋）。,比例運算,同向輸入——同向比例運算,因為輸入信號從同向

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

12、時，uo為尖脈沖電壓——輸出電壓與輸入電壓的一次微分成正比。,,運放除了能完成信號的運算，還能完成信號濾波、采樣保持及比較等處理工作。電壓比較器有源濾波器,運放在信號處理方面的應(yīng)用,電壓比較器,該電路是對輸入電壓ui進(jìn)行比較和鑒別的電路，是集成運放的非線性應(yīng)用的基本電路。集成運放工作在開環(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,輸出電壓

13、uo=-U(sat）.,如果輸入信號是正弦信號:,,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，在輸入信號為變化緩慢的信號或信號幅值較小時，可以消除由于干擾在輸出電壓中可能出現(xiàn)的顫動現(xiàn)象。,傳輸特性,電路的構(gòu),電路特點,（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，而抑制無用信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減??；而在此頻率范圍以外的信號不易通過，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算放大器的輸入端構(gòu)成有源濾波器（因運放是有源器件），性能會得到較大的改善：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,運放應(yīng)用中的反饋,在集成運放的線性應(yīng)用中，必須加入深度負(fù)反饋才能使電路穩(wěn)定運行。而且，輸入與輸出間的關(guān)系與運放電路本身的參數(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.輸入信號和反饋信號分別加在兩個輸入端（同向和反