电工与电子技术第三章 集成运算放大器及其应用

第三章集成运算放大器及其应用第一节直接耦合放大器第二节差动放大电路第三节集成放大器简介第四节集成运放在信号运算电路中的应用第五节放大电路中的负反馈第六节集成运放在信号处理方面的应用作业返回第一节直接耦合放大器级与级之间不经电抗元件而直接连接的方式，称为直接耦合。UCC零点漂移---当输入信号为零时，输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动，这种现象叫零点漂移。产生原因---温度变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等等。第一级产生的零漂对放大电路影响最大。各级工作点相互影响适于放大直流或变化缓慢的信号电压放大倍数为各级放大倍数之积零点漂移第二节差动放大电路基本差动放大电路典型差动放大电路具有恒流源的差动放大电路差动放大电路的输入输出方式一、基本差动放大电路电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成。1.抑制零点漂移的原理静态时，Ui1=Ui2=0，由于电路对称II2C1CUU2CE1CE0UUU2CE1CEORCRCRB1RB1ui1ui2RB2RB2ui＋UCCuoV1V2温度上升，引起两边电流变化II2C1CUU2CE1CE0UUU2CE1CEO由于电路对称，零漂被抑制。2.动态工作原理差模信号－－极性相反，幅值相同的信号。ui1=－ui2共模信号－－极性相同，幅值相同的信号。ui1=ui2差模输入（信号）2uuui2i1iII2C1CUU2CE1CEU2UUu1CE2CEΔ1CE0共模输入（干扰信号）0uuu2i1iiII2C1CUU2CE1CE0UUu2CE1CEO1i1CE1i1CEi1CEdu/Uu2/U2u/U2A0AC差动放大电路对差模信号有放大作用，对共模信号有抑制作用。KCMR是衡量放大信号的能力的技术指标。Ad:差模放大倍数；AC:共模放大倍数KCMR越大，抑制共模信号越强。AAKCdCMR共模抑制比（KCMR）第三节集成放大器简介集成运算放大器的特点集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的主要技术指标集成运算放大器的理想化模型集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点一、集成运算放大器的特点集成电路：将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成完整的能完成特定功能的电子电路。运算放大器：具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。二、集成运算放大器的简单介绍1.集成运放的组成差动输入级中间级输出级偏置电路输入输出抑制零漂，共模抑制比高低输出电阻，多采用射随器放大作用的主要单元提供各级静态电流2.集成运放的管脚图及符号F007管脚图F741（F007）12348765符号A---反相输入端B---同相输入端F---输出端AV－＋u+u－uoABF＋信号从反相输入端输入时，输出与输入相位相反。信号从同相输入端输入时，输出与输入相位相同。三、集成运算放大器的主要技术指标1.输入失调电压UiO当无输入信号时，为使输出的电压值为零，在输入端加入的补偿电压。其值越小越好（0.5～5mV）2.输入失调电流IiO输入电压为零时，流入放大器两个输入端的静态基极电流之差。IiO＝IB1－IB2其值越小越好（1nA~10nA）3.开环差模放大倍数Auo运放在开环时的差模放大倍数其值越高越好（104～107）5.最大输出电压Uopp输出不失真的最大输出电压值6.共模抑制比KCMR四、集成运算放大器的理想化模型实际运放u+u－uoriroAOUiuiAO很高，104ri很高，几十~几百KΩrO很低，几十~几百ΩKCMR很高理想运放u+u－uoAOUiuiAO＝∞ri=∞rO=0KCMR＝∞五、集成运算放大器的电压传输特性及其分析特点运算放大器的电压传输特性集成运放的输出电压uO与输入电压ui(u+－u－)之间的关系uO＝f(ui)称为集成运放的电压传输特性。uOui+UOM－UOMuO＝AOui=AO(u+－u－)ui|UiM|，运放工作在线性区线性区非线性区ui|UiM|，运放饱和，工作在非线性区线性区引入深度负反馈，可以使运放工作在线性区。∞－＋uo＋ud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。uOui+UOM－UOM理想运放的电压传输特性ui≠0，|uO|＝±UOM即u+≠u－时，运放处于非线性区。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。运算放大器的分析特点1.线性区集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。虚短uO＝AO（u＋－u－）AO≈∞u＋－u－≈uo／AO≈0u＋≈u－当u＋＝0（接地）u－≈u＋≈0称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。u+u－uoAOUiui虚断流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。∵ri≈∞I－≈I+≈02.非线性区在非线性区，虚短概念不成立，但虚断概念成立。u+I－uoAOUiu－I+第四节集成运放在信号运算电路中的应用分析线性区理想运放的两个概念基本运算电路一、分析线性区理想运放的两个概念虚短u＋≈u－I－≈I+≈0虚断u+I－uoAOUiu－I+二、基本运算电路比例电路∞－＋uo＋uiifi1R1R2Rf1.反相比例电路∵i+≈0（虚断）∴u+＝0u+≈u－≈0（虚地点）i1=ui／R1if=u－－uo=－uo／Rf∵i－≈i+＝0∴i1＝if即ui/R1=－uo/Rf1iouRRAffuuuo、ui符合比例关系，负号表示输出输入电压变化方向相反。电路中引入深度负反馈，闭环放大倍数Auf与运放的Au无关，仅与R1、Rf有关。R2－－平衡电阻同相端与地的等效电阻。其作用是保持输入级电路的对称性，以保持电路的静态平衡。R2＝R1//Rf当R1＝Rf时，uo＝－ui，该电路称为反相器。2.同相比例电路∞－＋uo＋ifi1uiR2R1Rf∵i+≈0（虚断）∴u+＝uiu+≈u－≈ui（虚短）i1=（0－ui）／R1if=(u－－uo)／Rf=(ui－uo)／Rf∵i－≈i+＝0∴i1＝if1iouRR1Affuu＋RR1ioiuuuf当Rf＝有限值时，R1＝∞∞－+uo＋uiR2－－平衡电阻R2＝R1//RfAuf=1→电路成为电压跟随器。uo＝ui此电路输入电阻大，输出电阻小。例：应用运放来测量电阻的电路如图，U＝10V，R1=1MΩ，输出端接电压表，被测电阻为Rx，试找出Rx与电压表读数uo之间的关系。Rx∞－＋＋R1－＋U－＋V解:此电路为反相比例电路1iouRRAxfuu－O56i1u10ou1010ouuRRx例：理想化运放组成的电路如图，试推算输出电压uo的表达式。∞－＋uo＋uiR1R3R2R4u+解:此电路为同相比例电路RR1120uuuui434RRRuui43412o)RRR()RR1(RR112i0uu判断这个等式、×√哈，verygood!加法运算电路uo∞－＋＋ui2ifi2R2RPRf0iiiiiif3210uuRuii111Ruii222Ruii333Ruiff0RuRuRuRuiiif3322110)(332211RuRuRuRuiiifoui3i3R3ui1i1R1RRRRf321若)(uuuu3i2i1ioRRRRRfP//////321平衡电阻在调节某一路信号的输入电阻的阻值时，不影响其它输入电压与输出电压的比例关系，调节方便。求和电路也可从同相端输入，但同相求和电路的共模输入电压较高，且不如反相求和电路调节方便。减法运算电路（差动运算电路）∞－＋uo＋ui2ifi1R1R2Rfui1R3)(011接地uuiiuRRRRRuifO232311))(1(接地）uuii22(0uRRuif1102uRRuRRRRRuuuifif112323102010))(1(利用叠加原理同相端输入ui1反相端输入当R1=R2=R3=Rf=R时，uo=ui2－ui1(减法器）)-(RR,RRRRi1i210123uuuff时当R2//R3=R1//Rf平衡条件例：已知RF＝4R1，求u0与ui1、ui2的关系式。A1－+＋ui1A2－＋uo＋ui2R1R2RFuo′解:A1为跟随器；A2为差放。uo′=ui1u)RR1(u2i1FouRRu)RR1(1i1F2i1Fuo＝5ui2－4ui1'uRRo1F例：如图，求uo与ui1、ui2的关系式。A1－+＋ui1A2－＋uo＋ui210KΩuo′10KΩ30KΩ10KΩ6KΩ解:)1030630(uuu2i1io''uuoo1010uuii2135A1为反向加法器；A2为反相比例电路。)35(21uuii例：如图，求uo。A1－+＋A3－＋uo＋100Kuo150K80K20KA2－+＋12K50K100K12K11K30K60Kuo2－0.3V0.4VA1：反相比例A2：同相比例A3：差动输入解：Vu2.1)3.0()2080(01Vu6.04.0121212)30601(02Vuuu2.1)(5010001020积分电路∞－＋uo＋uiiCi1RRPC（虚断）1iiCRuii1dtC1CCiudtuRCui10uuCOuituOt－UOMuo正比于ui的积分RRP平衡电阻延迟积分电路的应用uitUuOtT－U信号延迟时间T后，电压值达到U方波转化为三角波uituOt微分电路iR∞－＋＋uiRRPCiCuo（虚断）iiCRRuiORRudtudCC0dtudRCui0dtudCiCCuo正比于ui的微分uituOtRRP平衡电阻ORuu－例：电路如图，已知运放±UOMAX=±10V，输入信号波形如图，R＝1MΩ，C＝0.05μF，求输出波形。（电容初始能量为零）∞－＋＋uiRRPCuoui/vt/s1－1RC=1×106×0.05×10－6=0.05StRCtdtuRCuti20100u0=UOMAX＝－10=－20tt=0.5SuO/vt/s－100.5解:第六节集成运放在信号处理方面的应用电压比较器运放的非线性应用非线性应用电路具有两种类型，一类是运放本身工作在非线性状态，如开环或正反馈状态。另一类是运放本身工作在线性状态，由外部电路中引入了非线性元件，使输出与输入不再是线性关系。一、电压比较器过零比较器比较器是一种用来比较输入信号Ui和参考电压UR的电路。∞－＋＋uiRRPuouOui+UOM－UOMu+≠u－时，即ui≠0，uO＝±UOMui0正饱和uO＝+UOMui0负饱和uO＝－UOMuOui+UOM－UOM若ui为正弦波uituOt－UOM+UOMu0为方波关于UOM—饱和电压UOM→UCC任意电平比较器限幅措施∞－＋＋uiRRPuoUZui0正饱和uO＝+(UZ+UD)ui0负饱和uO＝－(UZ+UD)uOui+UZ－UZuiUR正饱和uO＝+UZuiUR负饱和uO＝－UZuOui+UZ－UZUR∞－＋＋uiR1R2uoUZUR常用集成比较器LM311电压比较器12348765+－+V+GNDV－比较器的特点及分析方法比较器中运放处于开环或正反馈状态，输入与输出之间成非线性关系，因此虚短等深度负反馈概念不再适用，仅在判断临界状态时才适用。uT=UR—临界电压，可称为门槛电平ui=UT时，u+=u－，uo=0在uiUT和uiUT两种不同情况下，比较器输出两个不同的电平（高、低），当ui变化经过UR时，输出发生跃变。比较器的分析应从输出跳变时所对应的输入电压值（即阀值电压值）来分析输入输出之间的关系。例：比较器电路如图，试画出电路传输特性曲线。稳压管正向导通电压0.7V。ui3V负饱