函数发生器的制作.

2020/1/5集成运算放大器ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器（OperationalAmplifier）运算放大器（简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in,single-endedoutput）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。一般用途的集成电路运算放大器售价大约一元钱，且现在运算放大器的设计已经非常可靠，即使输出端直接短路到系统的接地端（ground）也不至于被短路电流（short-circuitcurrent）破坏。ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器（OperationalAmplifier）通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（invertinginputnode）连接，形成一负反馈（negativefeedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数百万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正反馈（positivefeedback）组态，相反地，在很多需要产生振荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。运算放大器有许多的规格参数，例如：低频开环增益、单位增益频率（unity-gainfrequency）、摆率（slewrate）、共模抑制比（common-moderejectionratio）、输入失调电压、输出摆幅、共模输入范围（inputcommon-moderange）、功耗以及噪声等。ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器的历史第一个使用真空管设计的运算放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。运算放大器最早被设计出来的目的是用电压模拟数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也就成为了实现模拟计算机（analogcomputer）的基本建构方块。例如中国坦克火控系统早期在79式坦克上就安装了模拟弹道计算机；当然现在的99式坦克安装的是数字化的弹道计算机。然而，理想运算放大器在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuumtube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integratedcircuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件，但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的性能时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器的历史1960年代晚期，仙童半导体（FairchildSemiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒（BobWidlar）。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的效能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741，而且在元件的型号上一定会加上“741”以资区别。但事实上后来仍有很多效能比741更好的运算放大器出现，利用新的半导体元件，如1970年代的场效应晶体管（JFET）或是1980年代早期的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。这些元件常常能直接使用在741的电路架构中，而获得更好的效能。ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器的历史通常运算放大器的规格都会有严格的限制，而封装和对电源供应的需求也已经标准化。通常只需要少量的外接元件（externaldevices），运算放大器就能执行各种不同的模拟信号处理任务。在售价方面，虽然今日的标准型或是通用型（generalpurpose）运算放大器因为需求量及产量皆大的缘故而跌至一元钱左右，但是特殊用途的运放售价仍然有可能是通用型的一百倍以上。ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础运算放大器（简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合差模（差动模式）输入（Differential-in）通常为单端输出（single-endedoutput）的高增益电压放大器ReturnNextPreviousContentsEnd常用符号V+：同相输入端（non-invertinginput）V−：反相输入端（invertinginput）Vout:输出端（output）VS+:正电源端（亦可能以VDD、VCC或VCC+表示）VS−:负电源端（亦可能以VSS、VEE或VCC−表示）运算放大器基础国标符号－＋＋∞反相输入端u－同相输入端u+输出端uoReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础理想运算放大器的工作原理一个理想的运算放大器（idealOP-AMP）应具备下列特性：无限大的输入阻抗（Zin=∞）：理想的运算放大器输入端不容许任何电流流入，即上图中的V+与V-两端点的电流信号恒为零，亦即输入阻抗无限大。趋近于零的输出阻抗（Zout=0）：理想运算放大器的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，亦即输出阻抗为零。无限大的开环增益（Ad=∞）：理想运算放大器的一个重要性质就是开环的状态下，对输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。无限大的共模抑制比（CMRR=∞）：理想运算放大器只能对V+与V-两端点电压的差值有反应，亦即只放大V+−V−的部份。对于两输入信号的相同的部分（即共模信号）将完全忽略不计。无限大的带宽：理想的运算放大器对于任何频率的输入信号都将以一样的差动增益放大之，不因为信号频率的改变而改变。失调为零：即输入为零时输出也为零ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础开环组态当一个理想运算放大器采用开环的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：其中，Ad代表运算放大器的开环差动增益（open-loopdifferentialgain）。由于运算放大器的开环增益非常高，因此就算输入端的差动信号很小，仍然会让输出信号“饱和”（saturation），导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环组态出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做比较器（comparator），比较器的输出通常为逻辑电平的“0”与“1”。开环组态的运算放大器可作为比较器使用()outdVAVVReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态将运算放大器的反向输入端与输出端通过某种方式连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入信号进入放大器的端点，又可分为反相（inverting）与同相（non-inverting）两种。必须注意的是，所有闭环放大器都是运算放大器的负反馈组态。ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态运算放大器的开环增益非常大，闭环时，由于深度负反馈的作用，会使得运算放大器的净输入量趋近于0。分析闭环的理想运算放大器时，有两个重要法则：虚短：V+=V−虚断：I+=0，I−=0ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态反向放大器注意对此种电路有：0VV0ii10iiviR0offviR1foVfiRvAvR1iofvvRR虚地1foiRvvRRPR1vi+-RfvoiifiReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态同向放大器注意对此种电路有：iVVv0ii10iiviRioffvviR11foVfiRvAvR1iiofvvvRR1(1)foiRvvRR1vi+-RfvoiifiRPReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态电压跟随器vi+-vo0ifofRR，oivv故有很好的隔离作用ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态积分器与微分器积分、微分运算利用电容的VCR特性：Ccvciccdvicdt；1ccvidtc积分器RPRvivoCiifiiiviR1(0)oicvvdtvRC设vc(0)=0，1doivvtRC：有ofdviCdtReturnNextPreviousContentsEnd若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui时，则tCRUtUCRuFi1iF1od1uitOF1iOM0CRUUt积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui0ui=–Ui0采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–UiReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态积分器与微分器积分、微分运算利用电容的VCR特性：Ccvciccdvicdt；1ccvidtc微分器o0fviRiodvvRCdtiidviCdtRPvivoCRiifioivdvCRdtReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础负反馈组态如果元件A有如下特性：i=f1(vi)那么输出电压为vo=f2(f1(vi))根据元件A和F的选择，可以构建出有特定函数功能的放大器。而元件F的特性为vo=f2(i).ReturnNextPreviousContentsEnd运算放大器基础正反馈组态施密特触发器（迟滞比较器）RPvivoRfRvrefRPvivoRfRvref2020/1/5电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)即uiUR时，uo=+Uo(sat)uiUR时，uo=–Uo(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压ReturnNextPreviousContentsEnduitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURReturnNextPreviousContentsEnduiUR，uo=+Uo(sat)uiUR，uo=–Uo(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++–––Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURReturnNextPreviousContentsEndURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t22020/1/5输出带限