第5章 运算放大器

第5章集成运算放大器集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合放大器。它主要用来实现模拟信号的运算及处理，在模拟电子线路中得到了广泛的应用。LM74112348765∞741761432582—反相输入端6—输出端3—同相输入端4—正电源端7—负电源端8—闲置端（NC）1、5—接调零电位器运放举例：LM741集成度分类：SSI、MSI、LSI、VLSI5.1概述集成运放器的内部电路构成•集成运算放大器的输入级都采用差动放大电路（双端输出），中间级一般都是共发射极电压放大电路，输出级由互补对称功放电路和射极输出器组成。unA2uA1uAiuou21iouu32iouu输入级中间级激励级输出级前置级集成运算放大器的主要参数1.开环差模电压放大倍数AuoAuo是决定运放电路稳定性和运算精度的重要因素，希望Auo越大越好。dBUUAiouolg202.最大输出电压UoPP在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压峰值。其值比电源电压小。如电源电压为15V，该值约为12V左右。3.最大差模输入电压UidmaxUidmax是指集成运放的反相输入端和同相输入端之间所能承受的最大电压。4.最大共模输入电压UicmaxUicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，共模抑制比明显下降，甚至造成器件损坏。5.差模输入电阻ridrid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。rid越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号能力的大小。6.输出电阻roro是指集成运放输出级的输出电阻。它反应了运放带负载的能力。7.共模抑制比KCMRRKCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。KCMRR越大，运放抑制共模信号的能力就越强。理想集成运算放大器•理想集成运放的电路模型uuou•理想集成运放及其分析依据uoA:)1(开环差模放大倍数理想集成运放的传输特性是指输出电压与净输入电压之间关系的特性曲线。如右图所示：•理想集成运放的传输特性实际特性理想特性uuou0o(sat)U－o(sat)Uid:)2(r差模输入电阻CMRR:)3(K共模抑制比0:)4(or开环输出电阻传输特性的特点传输特性可分为线性区和非线性区。所以，运算放大器可工作在线性区也可工作在非线性区，但是，其分析方法不一样。线性区非线性区非线性区当理想运放工作在线性区时：uu1.理想运放的两个输入端的电位相等——虚短0uA而)(0uuAuuo00uoAuuu有限值uuouuuou0o(sat)U－o(sat)U教材P207例2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。——虚断idruuouiiidr当理想运放工作在非线性区时：1.理想运放的两个输入端的输入电流为零。——虚断2.输出电压有两种取值可能uuou当)(satooUuuu)(satooUuuuuu只是两种状态的转换点（正饱和值）（负饱和值）0uuouo(sat)U－o(sat)U概述：利用运放器的线性工作区可实现输出、输入信号之间的线性运算关系：如比例、加减、积分与微分等运算，它们都是运放器的线性应用，且都适用于叠加原理。要保证运放器工作在线性区，在运放器构成的各种运算电路中，就必须引入深度负反馈，以降低整个放大电路的放大倍数，从而扩大输入信号的范围。5.2集成运放的线性应用比例运算•反相比例运算ouiufu2R1RfR1ifiuuii0因为输入信号从反相输入端输入，所以，称为反相输入。Rf—反馈电阻R2—平衡电阻用于消除静态基极电流对输出电压的影响R2=R1∥Rf运放在信号运算方面的应用001uuuiiffofofiiRuRuuiRuRuui1111RRuuAfioufifouRRu1ouiufu2R1RfR1ifi当R1=Rf时1ufAiouu反馈类型电压并联负反馈反相器与运放本身的参数无关，保证了比例运算的精度和稳定性。输入电阻降低，输出电阻降低。•同相比例运算ouiufu2R1RfR1ifiiifuuuuuii1foifofiiRuuRuuiRuRui1110ifouRRu)1(1)1(1RRuuAfiouf反馈类型电压串联负反馈输入电阻增高，输出电阻降低。duouiufu2R1RfR1ifi)1(1RRuuAfioufouiufu2R1R1ifiouiufu2RfRfi1)1(fioufRuuA1)01(1RuuAiouf电压跟随器反相比例加法运算i13ui3uo∞++-ifR13R2Rfi12R12i11R11ui2ui1加法电路在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路131211fiiii)(313212111oifififuRRuRRuRRufofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR当时，fRR1再若，则)(3211oiiifuuuRRu)(321oiiiuuuuuuii0减法（差动）运算当运放的两个输入端都加入信号时称为差动输入，如图。2323iuRRRu11111RuuRuuiiifofofRuuRuuiuRRuRRufifo)1(1112323111))(1(ififouRRRRRuRRufRRRR321)(121iifouuRRuuuii0ou2iufu2R1RfR1ifi1iu3R积分运算如果将反馈电阻换成电容，则比例运算电路就变成了积分电路。如图：ouiufu2R1RfC1ificuuuii00u11RuiiifdtuCRdtiCuuifffco111iu0iUt0out)(0satU负号表示输出与输入反相当ui为阶跃信号时tCRUufio1最后达到负的饱和值右图是在控制和测量系统中常用的比例-积分调节器（PI调节器）：)1(11odtuCRuRRuiFiFui1uo∞++-R2CFi1R1PI调节器ifucRF可视为反相比例运算和积分运算的叠加。与前面学过的RC积分电路相比，运放所构成的有源积分电路其积分曲线的线性度较好。这是因为充电电流基本恒定。11fRUiii微分运算微分运算是积分运算的逆运算，所以，如果将输入电阻换成电容，则比例运算电路就变成了微分电路。1Couiufu2RfR1ifiuuii00uudtduCiiif11dtduCRiRuifffo1当ui为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压—输出电压与输入电压的一次微分成正比。iu0iUt0out下图是在控制系统中使调节过程加速的比例—微分调节器（PD调节器）。iu0iUt0outPD调节器uiuo++-R2C1iciRRFif∞R1iFiFRFFuRRdtduCRiiRiRu11cfo)(-++-++-++R123-++-++-++2R1u0U2=2V23U1=1V2R2R2R2R2Ru02u01例题分析例1：理想运放构成的电路如图所示，求输出u0解：VUu2201VURRuf2)1(1102VuuRRuf021)1(020110例2：理想运放构成的电路如图所示，求输出电压与输入电压的关系。∞RRRF∞RRRC∞uiR1R1RF∞RRFRA1A2u0u01ucic解：iFiFFFuRRuuRRuRRRRu101011101R)1(001uudtduRCucc0010udtduRCuRRuiFdtuRCRRuiF10iFuRRdtduRC10•运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及信号比较等处理工作。•电压比较器•有源滤波器•采样保持电路运放在信号处理方面的应用5.3集成运放的非线性应用电压比较器ouiuRU)()(0satoosatooUuuuUuuuii0RUouiu)(satoU)(satoU该电路是对输入电压ui进行比较和鉴别的电路，是集成运放非线性应用的基本电路。集成运放工作在开环或正反馈状态。工作原理（1）UR为参考电压，加在同相输入端。输入电压ui加在反相输入端。（3）其电压传输特性如图所示:（2）当uiUR时，输出电压uo=+U(sat）;当uiUR时,输出电压uo=-U(sat）。如果输入信号是正弦信号:RU0iutou)(satoU)(satoU0t0RUouiu)(satoU)(satoU调节UR的大小,可以改变输出波形正负半周的宽度。如果UR=0,则构成过零比较器。)()(0satoosatooUuuuUuuuiiouiuRU过零比较器:0ouiu)(satoU)(satoU传输特性0iutou)(satoU)(satoU0t如果想限制输出电压的大小,可以在输出端接双向稳压管。0ouiuzUzUouiu电路ZD滞回比较器:在许多应用电路中,要求电压比较器的传输特性具有滞回特性。这样，在输入信号为变化缓慢的信号或信号幅值较小时，可以消除干扰对输出电压的影响。传输特性电路的构成ouiufR1R2R3RfuuZD0ouiuzUzUthLuthHu电路特点R2和Rf组成正反馈电路，输出电压必为高、低两种电平。同时正反馈的引入，也加快了电压比较器状态的翻转。工作过程分析0:iuIfZoUuiiuuZoUuiiuuZfthHURRRU22022ZfthLURRRUZoUu0ouiuzUzUthLuthHuouiufR1R2R3RfuuZD可见：输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化，所以叫滞回比较器。0iutZfURRR22ZfURRR22ZUouZU0t有源滤波器•滤波器是一种选频电路。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。•将RC组成的无源滤波器再接到运放器的同相输入端而构成有源滤波器（因运放器是有源器件），其性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。•在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波器有源低通滤波器电路的组成ouiufR1RCRCu工作原理RCjUUCjRCjUUiiC111URRUfo)1(10111111jRRRCjRRUUffioRC10——截止角频率0010111)(jARCjRRUUjTuffi电路的频率特性200)(1|)(|)(ufAjTA0arctan)(画出其幅频、相频特性为：0)(|||)(|00ufAjT4-)(2|||)(|000ufAjT2-)(0|)(|jT||0ufA||210ufA0000)(42001)(jAjTuf有源高通滤波器ouiufR1RCR工作原理RCjUUCjRRUUiiR111URRUfo)1(101111111jRRRCjRRUUffioRC1000101111)(jARCjRRUUjTuffi200)(1|||)(|)(ufAjTA幅频特性和相频特性如下：0arctan)