运算放大器用

第16章集成运算放大器1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法（虚短，虚断）。3.掌握用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。16.1集成运算放大器概述（1）采用四级以上的多级放大器，输入级一般采用差动放大器。输入电阻高、静态电流下、抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强；输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（2）中间级主要进行电压放大，要求电压放大倍数高，一般由共射级电路构成，放大管常采用复合管，以提高电流放大倍数。（3）输出级采用互补功率放大电路或射极输出器，要求输出电阻小、带负载能力强、输出足够大的电压和电流（大的功率）。（4）偏置电路、为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态关注点。IC=IC1+IC2=1IB+2(1+1)IB=[1+2(1+1)]IBR2T3R1R3-UEE+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4为减小IB,提高输入电阻,T1、T2采用复合三极管=IC/IB=1+2(1+1)12ICIBIE12IC1IC2IB2IE2T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构（举例）第1级：差动放大器第2级：差动放大器第3级：单管放大器第4级：互补对称射极跟随器极性判断放大电路性能指标+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiEiiurii输入电阻：RSes+–ui+–riiiiuuu0A电压放大倍数放大电路oooiur输出电阻：RLe0+–uo+–roio＋－u－u+uo集成运算放大器符号－＋＋反相输入端u－同相输入端u+输出端uo国际符号：国内符号：(1)开环差模电压放大倍数(开环增益)大Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=104-107倍;80dB~140dB(2)共模抑制比高KCMRR=100db以上;(3)输入电阻大ri1M,有的可达100M以上;(4)输出电阻小ro=几-几十集成运算放大器的技术指标主要参数1.最大输出电压UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB1.电压传输特性uo=f(u+–u–)线性区：uo=Auo(u+–u–)非线性区：u+-u–u'时，uo=+Uo(sat)u+-u–u''时，uo=–Uo(sat)+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区饱和区O运算放大器的传输特性uo++u+u–+UCC–UEE–2.理想运算放大器Auo，rid，ro0，KCMRRuo++u+u–+UCC–UEE–i+i–+Uo(sat)u+–u–uo–Uo(sat)线性区理想特性饱和区Ouo=Auo(u+–u–)Auo(1)差模输入电压约等于0即u+=u–,称“虚短”3.理想运放工作在线性区的特点(2)输入电流约等于0即i+=i–0,称“虚断”电压传输特性Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––u+–u–uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O因为rid(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+u–时，uo=+Uo(sat)u+u–时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区4.理想运放工作在饱和区的特点开环与闭环uo++u+u––输入输出uo++u+u––输入输出反馈电路输入输出之间没有反馈电路开环电压放大倍数：Auo闭环电压放大倍数：Auf开环：闭环：在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加负反馈，使运放工作于线性状态。运放线性运用运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路URuouiR2++–R1+–++––uoRFuiR2R1++––++–16.2运算放大器在信号运算方面的应用_++RFR1R2uiuoi1iFib-ib+虚地点i1=iF+ib-=iF,ib-=0ib+=0u+=0u－=u+=0平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R2=R1//RF1FoiuuRR电压放大倍数:011FufuRAuRi(1)反相比例运算放大器_++RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例题1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7ku-=u+=uiib+=0ib-=0_++RFR1R2uiuoiFifAuf=1+RFR1iF=ifR2=R1//RF1i2ioRuRuuF1i12ou)RR1(uF1)(2)同相比例运算放大器_++RFRfRPuiuoiFif例题2.Rf=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo，RP应为多大？uo=Aufui=(3)(-1)=-3VRP=Rf//RF=10//20=6.7kAuf=1+=1+20/10=3RFRf_++RFRfRPuiuoAuf=1+RFRf当RF=0或Rf→∞时,Auf=1uo=ui此电路在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器_++RFR11R12ui2uoRPui1i1i2iF虚地uo=-(ui1R1RF+ui2R2RF)若R1=R2=R,uo=-(ui1RRF+ui2)取RP=R11//R22//RFuo_++RFR1RPui0uuib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1R1=ui2R2+-uoRF(3)加法运算反相求和运算Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFRf1+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf当R1=R2时,uo=()(ui1+ui2)RFRf1+12RfRF++ui1uoR1R2ui2-u+_++RFRfRPuiuo同相求和运算_++R2R1R1ui2uoR2ui1)uu(RRu1i2i12oib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=(4)减法运算u-=u+=0RuioFdtduCii1F1iidtduRCuioui－++uoRR2i1iFCib-=0(5)微分运算)sin(90tRCtRCuocostui0tuo0tsinui例：,求uo。dtduRCuioui－++uoRR2i1iFC90°Ruii1dtduCioFdtuRC1uioF1iii1iFui-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0(6)积分运算反相积分器：如果ui=直流电压U,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。t0oUdtRC1utui0UMomUTRC1UURCUTomMtuo0-UomTM积分时限dtuRC1uio=–tURC设Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒dtuRC1uio反相积分器：如果ui=-U=-3V，画出uo的波形图。tui0tuo0+Uom-Ut0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒设Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0运算电路要求1.熟记基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.以上基本运算电路级联后输出的计算。3.会用ib-=0,ib+=0,u+=u-分析给定运算电路的放大倍数。16.3.3电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+u－时，uo=+Uo(sat)u+u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uou+–u––Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O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uitOUROuot+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)uiuoOURuiUR，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)uiuoOURURuouiR2++–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)t1t2输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则uiUR，uo=UZuiUR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURuiUR时，uo'=+Uo(sat)uiUR时，uo'=–Uo(sat)过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波uouiR2++–R1+–+–电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O