中国矿业大学电工课件第16章集成运算放大器

1、1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；2. 二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；16. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。uiuo u+ u输出端输出端反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端A信号传信号传输方向

2、输方向理想理想运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数实际实际运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数 ui = u u+或或 ui = u+ u uuO+u+671011 92313 58+15V15VRPRCFC3C1反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端调零调零电位器电位器校正网络校正网络正电源正电源负电源负电源输出端输出端uO6uu+7823145+15V15VRP A741RRB1C1uiuoTT12+VCCRE2RC2fAu0放大变化缓慢的甚低频放大变化缓慢的甚低频“直流信号直流信号”，应采用直接耦合方式，应采用直接耦合方式，即用导线将前、后两级联接起来，称为即用导线将前、后两级

3、联接起来，称为“直流放大器直流放大器 ”，其频率，其频率特性如右下图。特性如右下图。当当 T2 接入后接入后, 有有UCE1 = UBE2 0.6V, 使使T1进入饱和进入饱和状态，状态，T1 输出电压的动态范围输出电压的动态范围很小很小。解决办法：解决办法：提高提高VE2。(1)加入电阻加入电阻RE2RB1RC1uiuoTT21UCE1+VCCRE2RC2 RRB1C1R C2uiuoTT12RUz z（2）在）在T2的发射极加入稳压管的发射极加入稳压管DZ+VCCDZRB1RC1RE2uiuoT1T2RC2（3）利用）利用NPN型三极管和型三极管和PNP型三极管型三极管 进行电平移动。进行

4、电平移动。+VCCtu0当放大器的输入电压当放大器的输入电压 ui = 0 时，其输出电压时，其输出电压uO 往往会随着时间往往会随着时间变化，而不是保持变化，而不是保持常数，称这种现象常数，称这种现象为放大器的为放大器的 。oRCui1uo2RPREEET1T2ui2RCRBRBuo1uo+VCC长尾长尾电路电路RP：调零电位器调零电位器RE：共模负反馈电阻共模负反馈电阻EE：负电源，提供静态偏置负电源，提供静态偏置 和电阻和电阻RE上的直流压降上的直流压降Tuo=VC1VC2 = 0IB1IC1VC1IB2IC2VC2设零漂为温漂设零漂为温漂RCRPREVEET1T2RCRBRB+UCCI

5、B1IB22IE由对称性由对称性 IB1= IB2 = IBICICIB = RB+(1+( + 2RE RP2 VEE UBE RP 105 )2. 开环差模输入电阻开环差模输入电阻 rid； ( rid 105 )16. 开环输出电阻开环输出电阻 ro； ( ro 105 )6. 通频带通频带 BW1. 通用型运放通用型运放 从从1969年以来，共发展了四代。年以来，共发展了四代。2. 专用型运放专用型运放 分为低功耗、高输入阻抗、高精度等类型。分为低功耗、高输入阻抗、高精度等类型。16. 运放的发展运放的发展1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo 2. 开环差模输入电阻开环差模输

6、入电阻 rid 16. 开环输出电阻开环输出电阻 ro 04. 共模抑制比共模抑制比 KCMRR 5. 通频带通频带 BW 运放的理想化模型是一组理想化的参数，是运放的理想化模型是一组理想化的参数，是将实际运放等效为理想运放的条件。将实际运放等效为理想运放的条件。等效为理想运放，将使分析和计算大大简化。等效为理想运放，将使分析和计算大大简化。将实际运放将实际运放UOMUOMUOMUOMUimUim实际运放实际运放理想运放理想运放 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uoui0ui uo+uiuo0+iiui对于理想运放对于理想运放rid相当于两输入端之间相当于两输入端之

7、间短路短路uiii = rid对于理想运放对于理想运放 u u+相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路uo有有 ii 0Auo ui 0rid“虚短路虚短路”原则原则(2)“虚断路虚断路”原则原则(1)+uiuo+ui = u u+ = Auouo 当反相输入端接地当反相输入端接地时时, 因为存在负反馈信号因为存在负反馈信号, 同同相输入端相输入端 (3) “虚地虚地”的概念的概念由由“虚断路虚断路”原则原则 ii = 0 , 有有 u+= 0 u_ u+ = 0当同相输入端接地时，当同相输入端接地时，由由“虚短路虚短路”原则原则注意注意R1RFR2R1RFR2uouiuoui“虚断路虚

8、断路”原则原则uiiirid=对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间 断路断路运放工作在运放工作在工作状态的必要条件：工作状态的必要条件：+iiuiriduo+ 注意注意: “虚短路虚短路”原则原则 有有 ii 0riduoi1ifidRFR1R2由虚断路由虚断路 id 0由虚地由虚地uii1 = R1 uoif = RFi1= id + if if加上深度负反馈加上深度负反馈uo uiRFR1得输出与输入关系得输出与输入关系ui1. 输出电压与输入电压反相输出电压与输入电压反相2. 比例系数为比例系数为 RF / R1 uoi1ifidRFR1R2uo uiRFR1ui

9、 Auf = = R1RFui uo 闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数平衡电阻平衡电阻R2 = R1/Rf若取若取 R1 = Rf 电路成为反相器电路成为反相器uo uiAuf = 1放大倍数放大倍数ui1 = iR1uoi1ifRFR1R2虚地：虚地：R3R4设设: RFR4 , 求求AufR4R3R4+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uo uouo =R4R3+ R4uo得得 uoif = RFuiRFR1R2uo = 1 u+RF R1 1 uf = 1 uiRF R1由虚断路由虚断路id 0由虚短路由虚短

10、路有有 u+ = ui u= uf = uoR1R1+ RF故有故有 u+ u uiuo由分压关系由分压关系闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数 平衡电阻平衡电阻uiuouo = uiRFR若接入电阻若接入电阻 R、RF，运算关系不变，运算关系不变uoRFR1R2R3ui1i2uuo = uo + uouO = - - ui1RFR1 uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3ui2ui1uoRFR1R2R3uo = uo + uoui2ui1平衡电阻平衡电阻 在改变比例系数在改变比例系数时，将涉及电路中时，将涉及电路中所有电阻参数，故所有电阻参数，故调整比较困难。调整

11、比较困难。反相输入反相输入 2. 同相输入同相输入16. 差动输入差动输入再代入再代入KCL方程，导出方程，导出uo与与ui的关系的关系再代入方程再代入方程u+= u- - ，导出，导出uo与与ui的关系的关系利用虚地原则，导出利用虚地原则，导出ui、uo与电流的关系，与电流的关系，利用虚断路原则，导出利用虚断路原则，导出ui与与u+的关系，的关系，uo与与u- -的关系的关系利用叠加原理，分别求反相输入的输出分量利用叠加原理，分别求反相输入的输出分量uo 和同相输入的输出分量和同相输入的输出分量uo在输出端叠加在输出端叠加 uo= uo + uououi1 ui3ui2 i1i2i3ifRR

12、FR1R2R3i1 + i2 + i3= if虚断路虚断路 id = 0得得 KCL方程方程 ui1i1 = R1 uoif = RF ui2i2 = R2 ui3i3 = R3由虚地由虚地平衡电阻平衡电阻 R = R1 R2 R3 RFui1ui2ui3RF R1 uO = 1+ R + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 Ruo代入代入 u+= uu- = uf = uoR1R1+ RFu+= R21R23 ui3ui1R22ui2 + + R21R23R22 + + + 1111R可得可得由弥尔曼定理由弥尔曼定理RFRR1R21R22R23u

13、oRFR1R2R3 uo = 1 + ui2RFR1R2 + R3R3 ui1RFR1ui1ui2差动比例运算差动比例运算是减法运算电是减法运算电路的一种形式路的一种形式 11ui12113A2A1uoF1uRRRR12RRR22i2F2= uoui1 ui2 11RRRR RR 13 12F1F2F2 uo1 uo1= ui1 RF1 R11uiCFuo由虚断路和虚地由虚断路和虚地uiiC = i1 = R1i1iCuC duC dt iC = CF uo = uC可得可得R1R2uo = R1 CFui dt1由电容的伏安关系由电容的伏安关系R1uiCFuououi若输入为方波若输入为方波

14、则输出波形为则输出波形为R2i1iCuCuo = R1 CFui dt1uoC1uoui由于微分和积分互为逆运算，由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。将电容与电阻位置对调即可。输出与输入输出与输入的关系式为的关系式为若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为uiRFRCFuouiC1输出与输入的关系式为输出与输入的关系式为dui uo = ( + ) ui + RFC1 + ui dt RFR1R1CFC1CFdt1iC1ifiR1uRFuCFi1R1i1 = iC1+ iR1= + C1duiuiR1dt推导输出与输入的关系式推导输出与输入的关系式 uo= uRF +

15、uCF= if RF + if dtCF1代入代入 i1 = if ，并整理并整理R2RFR1R2RFui1uO = (1 + )(ui2 ui1)RFR2R1RPRFuoRN1N2N3ui2R1R1RPABRRFuo2uo1实验二实验二 单管电压放大器单管电压放大器+RCRSusC1C2RLRB2RB1RE1RE2+VCC+CE实验内容：实验内容：2. 测量不同条件下的电压放大倍数测量不同条件下的电压放大倍数Au , 学会使用晶体管电压表；学会使用晶体管电压表；16. 测量饱和与截止失真波形测量饱和与截止失真波形, 学会使用示波器学会使用示波器, 并能消除失真。并能消除失真。1. 调整和测量

16、静态值调整和测量静态值VC ,VB , VE , 学会使用万用表的学会使用万用表的 V 档；档；调节调节RB1 , 使使V实验二实验二 单管电压放大器单管电压放大器实验内容：实验内容：正反馈正反馈xd = xi + xf负反馈负反馈xd = xi xfA= xo / xdF= xf / xo1Af = = xo xiA 1+ AFAFxoxixdxf 闭环放大倍数闭环放大倍数xi 总输入信号总输入信号xd 净输入信号净输入信号xf 反馈信号反馈信号开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数xo 输出信号输出信号 A 1+ AF xo / xdxd xfxd xd负反馈负反馈xd = xi xfA

17、= xo / xdF= xf / xoAFxoxixdxf 闭环放大倍数闭环放大倍数开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数 xo xiAf xoxd+xf1+ AF 反馈深度反馈深度当当 1+ AF 1 时，时，Af AFA F 1AF 环路增益环路增益（即深度负反馈）（即深度负反馈）FAuiudufuoAFxoxixdxf在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相并联相并联, , xf与与uo成正比，为电压反馈；成正比，为电压反馈；信号信号 x 均以电压均以电压 u 的形式出现的形式出现在放大器输入端在放大器输入端, ,信号以电压出现信号以电压出现, ,uf与与ud相串联相串联, ,为串联

18、反馈；为串联反馈；ud= ui uf ui ，为负馈。为负馈。净输入电压净输入电压RLFA框图框图例图例图同相比例运算同相比例运算RLuiudufuoR2uiRLRFR1 udufuouoidiiifRLAF在放大器输入端在放大器输入端, , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与id相并联相并联, ,为并联反馈；为并联反馈；id = ii if ii ，为负反馈。为负反馈。净输入电流净输入电流xoxixdxf在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相并联相并联, , xf与与uo成正比成正比, , 为电压反馈；为电压反馈；AF框图框图例图例图反相比例运算反相比例运算RLuoidiiif

19、uiuoRFRLR2R1idifiiAFRLioAFud= ui uf ui ，为负反馈。为负反馈。净输入电净输入电压压, ,在放大器输入端在放大器输入端, ,信号以电压出现信号以电压出现, ,uf与与ud相串联相串联, ,为串联反馈；为串联反馈；在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相串联，相串联， xf与与 io成正比，为电流反馈；成正比，为电流反馈；xoxixdxfuiudufuoAF框图框图例图例图电压控制电流源电压控制电流源RLuiudufuoioR1R2RLuiuoioudufAFiouoRLAF在放大器输入端在放大器输入端, , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与id

20、相并联相并联, ,为并联反馈；为并联反馈； id= ii if riuiiiriidif开环开环ri = uiid闭环闭环rif = = uiiiuiid +if if =AFid= 0DZu+ = u由此可求出电压比较器的门限电压由此可求出电压比较器的门限电压UT对过零比较器对过零比较器 门限电压门限电压 UT = 0 0u+ u 时，时，uo 0 ；输出端不接输出端不接 DZ时时， uo = UOM输出端接输出端接 DZ 限幅时限幅时， uo = UZu+ u 时，时，uo 0 ；对电压比较器对电压比较器 门限电压门限电压 UT = UR R2R3R1URDZUZUZUZ URR1R20u

21、iuououiUT = URR1R2门限电平：门限电平：UZR2R3R1URtt-UZ URR1R2UZ-UZUT 设设 UR 0DZUZUT = URR1R2门限电平：门限电平：000uiuouiuouOuiR1R2R3RFUZ-UZUT2UT10uiuououiUZDZUT1 = UZR2R2+RFUT2 = UZR2R2+RFR1R2uouiR3RFUZ-UZUT2UT1t UT1UT20t UZ-UZUZ00uiuououiDZuouiUZ-UZ0UT2UT1URR1R2uOuiR3RFURUZDZ UT1 = UZR2+RFR2+ URR2+RFRF UT2 = UZR2+RF R2

22、+ URR2+RFRFUR = URR2+RFRF U = UZR2+RF2R2uouiUZ-UZ0UT2UT1URUT1 = UZR2+RFR2+ URR2+RFRFUT2 = UZR2+RF R2+ URR2+RFRFUR = URR2+RFRF U = UZR2+RF2R2(1) 回差回差 U与与R2、RF和和 UZ有关；有关；(2) 门限门限UT 与与UR有关有关, U与与UR 无关；无关；(3) 当当UR = 0 时时, 电压滞回比较器电压滞回比较器 过零滞回比较器。过零滞回比较器。当当S合于合于1时，时， ui =ud当当S合于合于2后，如果满足：后，如果满足：uf = ui =

23、ud则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。反馈系数反馈系数因为因为:开环电压放大倍数开环电压放大倍数所以自激振荡的条件是所以自激振荡的条件是:uo12uiudufAFSUoAF = =1_UdUf_UoF =Uf_Uo = UdUfA= Uo_Ud自激振荡的条件自激振荡的条件:反馈电压反馈电压 Uf 与输入电压与输入电压Ud同相同相, 为正反馈，为正反馈，(n=0,1, 2 )反馈电压反馈电压与输入电压的大小相等，与输入电压的大小相等， Uf = Ud 即即即即UoAF = =1_UdUf_Uo = A+ F = 2n _ _UoUf=1UdUoAF = (3) 选频网络：决定了振荡频率选频

24、网络：决定了振荡频率 f0 的高低的高低(1) 放大电路放大电路(2) 正反馈网络正反馈网络三极管放大器、差动放大器和运放等三极管放大器、差动放大器和运放等电阻电阻 R、电感、电感 L、电容、电容C 和变压器等和变压器等RC电路、电路、LC电路和石英晶体等电路和石英晶体等由此构成由此构成RC振荡器、振荡器、LC振荡器、振荡器、和石英晶体振荡器等和石英晶体振荡器等uoR2uiuR1RFRCCRuf同相比例运算电路同相比例运算电路选频电路选频电路RFR1A = ( 1 + )其电压放大倍数为其电压放大倍数为是由集成运放构成的是由集成运放构成的同相比例运算电路。同相比例运算电路。由由RC串并联电路组

25、成，串并联电路组成，它也是正反馈电路。它也是正反馈电路。RCCRU1(j )U2(j )+式中式中 ( ) = arctg3 RC RC1U2(j )U1(j )= ( ) RC=321+ 2 RC1设设 0=RC1则则1j 03 + 0频率特性频率特性 00 ( ) 01/30 /20 /20 /2 ( ) /2 00130.707/3 0 1 2U1U2=13 = 0o=321+ 2 0 0 0 ( ) = arctg3 0 R1RFRCCRufuouot0uff0=12 RC F = 0,RFR1）, A =（1+ A = 0为了满足为了满足AF.=1, A=3RFR1）=3 , （1+

26、RF=2R1起振时应满足起振时应满足RF2R1=F =Uf_Uo13_R1RFRCCRufuo用具有负温度系数的用具有负温度系数的热敏电阻热敏电阻 RT代替代替 RF。RTuf 如果如果 选用选用 具具有正温度系数的热敏有正温度系数的热敏电阻，应接在何处？电阻，应接在何处？用具有正温度系数的用具有正温度系数的热敏电阻热敏电阻 RT代替代替 R1。R1RFRCCRufuoD1RFD2Ruf 实际的振荡电路常实际的振荡电路常采用反并联的二极管采用反并联的二极管作为稳幅电路。作为稳幅电路。 当当Uom较小时较小时, D截止，电阻截止，电阻R作为反作为反馈电阻的一部分；馈电阻的一部分； 当当Uom较大时较大时, D导通导通, 电阻电阻R / RD R改变了反馈的强弱，改变了反馈的强弱，实现了自动稳幅。实现了自动稳幅。f0=12 RCRRR1R1C1C2C3C4C5C1C2C3C4C5改变改变 R或或 C 的数值的数值均可调节输出电压均可调节输出电压的频率的频率f01. 判断相位条件判断相位条件: 是否引入正反馈是否引入正反馈 = A+ F=2n 2. 判断幅值条件：将判断幅值条件：将 f = f0 带入带入 AF 的表达式的表达式AF 1则电路能产