浙江工业大学现代电工学课件10集成运算放大器

1、集成运算放大器集成运算放大器-1-10 10 集成运算放大器集成运算放大器10.1 10.1 集成运放概述集成运放概述10.2 10.2 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈10.3 10.3 集成运放的基本运算电路集成运放的基本运算电路10.4 10.4 信号处理中常用的运算放大电路信号处理中常用的运算放大电路10.5 10.5 信号发生电路信号发生电路10.6 10.6 使用运放应注意的几个问题使用运放应注意的几个问题反回反回集成运算放大器集成运算放大器-2-集成运算放大器集成运算放大器-3-u-u0中间级中间级输出级输出级置置 路路 偏偏 电电u+ui输入级输入级 集成运放集成运放: 由

2、多级直接耦合放大电路构成由多级直接耦合放大电路构成, 具有高具有高开环开环放大倍数。放大倍数。 集成运放的组成框图集成运放的组成框图集成运算放大器集成运算放大器-4-1. 输入级输入级 u由差动放大电路构成由差动放大电路构成抑制共模干扰信号抑制共模干扰信号, ,放大差模有用信号放大差模有用信号u两个输入端两个输入端: : u- u- 反相输入端反相输入端, , u u+ +同相输入端同相输入端u输入阻抗高输入阻抗高2. 2. 中间级中间级 要求要求: : 足够大的电压放大倍数。足够大的电压放大倍数。3输出级输出级u互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路u带负载能力强带负载能力强(足够的输出功

3、率足够的输出功率P=VI)u输出电阻小输出电阻小集成运算放大器集成运算放大器-5-集成运放集成运放举例举例(A741单运放单运放)：2-反相输入端反相输入端3-同相输入端同相输入端4-负电源端负电源端 (-15V)7-正电源端正电源端 (+15V)1, 5-为外接调零电位器（为外接调零电位器（100k）6-为输出端为输出端8-为空脚。为空脚。A7411234 5678集成运算放大器集成运算放大器-6-集成电路的特点 在集成电路工艺中还难于制造电感元件和大容量在集成电路工艺中还难于制造电感元件和大容量电容，因此集成运放主要采用电容，因此集成运放主要采用直接耦合直接耦合。 运算放大器的输入级采用差

4、分放大电路，运算放大器的输入级采用差分放大电路，零漂小零漂小, ,抗干扰能力强抗干扰能力强；输入电阻大输入电阻大。 在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。在集成运算放大器中往往用晶体管恒流源代替电阻。 集成电路中的二极管都采用晶体管构成集成电路中的二极管都采用晶体管构成( (如基极与如基极与 集电极连在一起集电极连在一起) ) 采用双电源供电采用双电源供电集成运算放大器集成运算放大器-7-10.1.2 10.1.2 集成运放的主要参数集成运放的主要参数1开环差模电压放大倍数（开环电压增益）开环差模电压放大倍数（开环电压增益）Auo Auo越大，运算精度就越高。越大，运算精度就越高。 理

5、想情况为无穷大理想情况为无穷大.2开环差模输入电阻开环差模输入电阻rid 两个输入端加差模信号时的等效电阻。两个输入端加差模信号时的等效电阻。 一般一般rid为为3M左右或更高左右或更高(1000M以上以上)集成运算放大器集成运算放大器-8-3开环输出电阻开环输出电阻ro 开环开环(无外接反馈无外接反馈)时时, 输出级的输出电阻输出级的输出电阻 表征运放带负载的能力的指标表征运放带负载的能力的指标 越小越好，一般为越小越好，一般为600以下以下4最大输出电压最大输出电压UOM 额定负载额定负载 标称电源电压，不明显失真的最大标称电源电压，不明显失真的最大电压，称为最大输出电压电压，称为最大输出

6、电压 (略小于电源电压，如略小于电源电压，如13V）。）。集成运算放大器集成运算放大器-9-5输入失调电压输入失调电压Uio 为使输出电压为零，在输入端加一个补偿电压，为使输出电压为零，在输入端加一个补偿电压，该补偿电压称为输入失调电压该补偿电压称为输入失调电压Uio。6共模抑制比共模抑制比KCMR KCMR越大，抑制共模噪声的能力越强。越大，抑制共模噪声的能力越强。集成运算放大器集成运算放大器-10- 反相输入端uu 同相输入端信号传输方向ui输出端理想运放开环电压放大倍数ouAO1. 集成运放符号集成运放符号()ooiouA uA uu 差动输 入电压集成运算放大器集成运算放大器-11-2

7、. 电压传输特性uo0uiUOMUOM uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u u UiUi+线性区线性区uiUiUi+Ui+和uiUi- u-时，时，uo=UOMi-uO+ri+输出电压uo只有两种可能：当u+ u-时，时，uo= -UOM “虚断”的条件原则上仍成立， 即i-=i+ 0 “虚短” 不成立，为什么？u+ +u- 理想运放工作在非线性区的理想运放工作在非线性区的分析分析uiuO_+u-u+i+集成运算放大器集成运算放大器-16-集成运算放大器集成运算放大器-17-AoFxoxixd xfxi 输入信号输入信号xd 净输入信号净输入信号xo 输出信号输出信号xf 反

8、馈信号反馈信号无反馈无反馈有反馈方框图有反馈方框图Ao= xo / xd开环放大倍数开环放大倍数F= xf / xo反馈系数反馈系数负反馈负反馈xd = xi xf闭环放大倍数闭环放大倍数 xoAf = xi 正反馈正反馈xd = xi + xf集成运算放大器集成运算放大器-18-直流反馈：反馈信号中只含直流成分直流反馈：反馈信号中只含直流成分交流反馈：反馈信号中只含交流成分交流反馈：反馈信号中只含交流成分交、直流反馈：反馈信号中交、直流同时存在交、直流反馈：反馈信号中交、直流同时存在电压反馈电压反馈: : 反馈信号取自输出电压，与输出电压成正比反馈信号取自输出电压，与输出电压成正比电流反馈电

9、流反馈: : 反馈信号取自输出电流，与输出电流成正比反馈信号取自输出电流，与输出电流成正比串联反馈串联反馈: : 反馈信号表现为电压形式，与输入电压进行反馈信号表现为电压形式，与输入电压进行 比较，形成净输入电压比较，形成净输入电压并联反馈并联反馈: : 反馈信号表现为电流形式，与输入电流进行反馈信号表现为电流形式，与输入电流进行 比较，形成净输入电流。比较，形成净输入电流。集成运算放大器集成运算放大器-19-电压 串联 负反馈电压 并联 负反馈电流 并联 负反馈电流 串联 负反馈负反馈的类型负反馈的类型输出输出输入输入输出输出输入输入输出输出集成运算放大器集成运算放大器-20-输出端输出端:

10、 将将uo的全部或部分回送到输入端的全部或部分回送到输入端, , 为电压反馈；为电压反馈；输入端输入端: : 反馈信号反馈信号以电压形式出现以电压形式出现, ,实现电压比较实现电压比较为串联反馈为串联反馈；ud= ui uf 反馈信号反馈信号=0，则为电压反馈，否则为电流反馈则为电压反馈，否则为电流反馈.uo=0R1uf= oR1+Rfu电压反馈：电压反馈：RL跨接在输出端与地之间，电流反馈则不然跨接在输出端与地之间，电流反馈则不然集成运算放大器集成运算放大器-22-R1 1uouiR2 2+_+RLf fRuf+_-ud+反馈类型的判别反馈类型的判别 瞬时极性法瞬时极性法首先设输入电压的极性

11、首先设输入电压的极性在某一瞬时对地为正；在某一瞬时对地为正；最后分析同一瞬时净输入电压的增减最后分析同一瞬时净输入电压的增减 然后确定电路其余各点然后确定电路其余各点 的瞬时极性；的瞬时极性；由上述结果可知：引入反馈后使净输人电压减小，为负反馈。由上述结果可知：引入反馈后使净输人电压减小，为负反馈。因此本例为因此本例为 电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路ud= ui ufuiAO集成运算放大器集成运算放大器-23-在输入端在输入端, , 反馈反馈信号以电流出现信号以电流出现, , 实现电流比较实现电流比较为并联反馈为并联反馈；id = ii if ii ，为负反馈。为负反馈。净输入信号净输入

12、信号在输出端在输出端， if与与uo成正比成正比, , 为电压反馈为电压反馈；ifRLiuoRfR2R1ii反相输入电路反相输入电路_+uLuFA0uiuo+-+iiifii if idAOid集成运算放大器集成运算放大器-24-RLuiuoRfR2R1ii反相输入电路反相输入电路_+uLifu-if=u-_uoRf因为因为所以为电压反馈。所以为电压反馈。信号以电流出现信号以电流出现, , if与与ii相比较相比较, ,为并联反馈；为并联反馈； (输入反馈相同端，一般来说是并联输入反馈相同端，一般来说是并联）+_idid = ii if ii ，为负反馈为负反馈。净输入信号净输入信号本例为本例

13、为 电压并联负反馈电路电压并联负反馈电路-uoRf瞬时极性法瞬时极性法AO=id = ii if集成运算放大器集成运算放大器-25-ud= ui uf ui ，为负反馈为负反馈。净输入信号净输入信号在输入端在输入端, ,信号以电压信号以电压形式形式出现出现, ,uf与与ui相比较相比较, ,为串联反馈为串联反馈；在输出端，在输出端， uf f与与 io成正比，为电流反馈成正比，为电流反馈；i02 21 1Ludui+uLioFA0uiuduf+- ui uf +uf+AOu0集成运算放大器集成运算放大器-26-在放大器输入在放大器输入端端, , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与ii

14、相比较相比较, ,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在放大器输出端在放大器输出端， if与与 io成正比成正比，为电流反馈为电流反馈；FAoio+-+iiifii if idRL+iouLRfR3R1iiidifR2ui+-i3iLu0AO集成运算放大器集成运算放大器-27-RL+iouLRfR3R1iiidifR2ui+-i3iL各点的瞬时极性各点的瞬时极性u0各电流的实际方向各电流的实际方向id净输入电流净输入电流 id= ii if ii ，为负反馈为负反馈。R3+Rfif=ioR3,本例为本例为 电流并联负反馈电路电流并联负反馈电

15、路AO反馈信号以电流形式出现反馈信号以电流形式出现, 并联并联.RLuLRfR3if+-iio集成运算放大器集成运算放大器-28-1. 串并规律看输入串并规律看输入输入反馈不同端，一般来说是串联输入反馈不同端，一般来说是串联 uf输入反馈相同端，一般来说是并联输入反馈相同端，一般来说是并联 if2. 电压电流看输出电压电流看输出 uf (if) 直接直接与与uo成正比，电压反馈成正比，电压反馈 uf (if) 直接直接与与io 成正比，电流反馈成正比，电流反馈3. 正负规律看瞬时正负规律看瞬时 根据瞬时极性法，若净输入增加，则为正反馈根据瞬时极性法，若净输入增加，则为正反馈; 若净输若净输入减

16、少，则为负反馈。入减少，则为负反馈。集成运算放大器集成运算放大器-29- 例题例题 反馈类型的判别反馈类型的判别uiA1A2ufuoRFRL在输入端在输入端：ud =ui- uf11。其值愈大，负反馈作用愈。其值愈大，负反馈作用愈强，强，Af也就愈小。也就愈小。 引入负反馈后闭环放大倍数引入负反馈后闭环放大倍数 Af小于开环放大倍小于开环放大倍数数A Ao o . .闭环放大倍数闭环放大倍数反馈深度反馈深度:AoFxoxixdxf集成运算放大器集成运算放大器-34-AFxoxixdxf 2.2.提高放大倍数的稳定性提高放大倍数的稳定性设开环放大倍数的相对变化率为dA/AAf=A1+AF，对A求

17、导得dAfdA=11+AFAF(1+AF )2=1(1+AF)2，dAf=dA(1+AF )2dAfAf=dA/A(1+AF )21+AF=dAA.11+AF闭环放大倍数的相对变化率为 dAf/AfdAfAf=dAA1.1+AF集成运算放大器集成运算放大器-35-AFxoxixdxf 0.707AoAfffHAAfAo0.707AffHfBWf 1 AF BW加入负反馈使放大器加入负反馈使放大器的通频带展宽的通频带展宽0无负反馈无负反馈有负反馈有负反馈BWBWf运放直接耦合，频运放直接耦合，频率为零时频响曲线率为零时频响曲线仍平坦。仍平坦。集成运算放大器集成运算放大器-36-ufuiuiuo负

18、反馈负反馈改善了波形失真改善了波形失真A加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FAuoudud= ui集成运算放大器集成运算放大器-37-集成运算放大器集成运算放大器-38-集成运算放大器集成运算放大器-39-1、反相输入比例运算电路反相输入比例运算电路uiuoi1ifiRfR1R2Rf f引入负反馈引入负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈R1输入电阻输入电阻Rf反馈电阻反馈电阻R2平衡电阻平衡电阻R2= R1/ Rfi+集成运算放大器集成运算放大器-40-反相输入运算关系反相输入运算关系uiuoi1ifi-RfR1R2“虚断路虚断路” i-= 0uif = oRfi1 =ifAf = = uou

19、iRfR1反相比例系数反相比例系数 当当Rf=R1=R时时uoAf = = 1ui反相器反相器“虚地虚地”u-=u+=0uii1 = R1，ui R1u= oRfuo= - (Rf /R1)ui集成运算放大器集成运算放大器-41-1)输入电阻低反相比例器引入电压并联负反馈2)输出电阻低反相比例器的特点反相比例器的特点 uiuoi1i-RfR1R2if+阻抗匹配环节阻抗匹配环节集成运算放大器集成运算放大器-42-2、同相输入比例运算电路、同相输入比例运算电路uu = o -R1R1 Rf+u+u =-故有故有： Af = uoui = 1+ RfR1 1 同相输入比例系数同相输入比例系数id 0

20、=uiuu = o iR1R1 Rf+ = 1+ ui Rf R1 1uoRfR1R2ui1if同相比例运算电路uidu+u_oi集成运算放大器集成运算放大器-43-同相输入比例器的特点同相输入比例器的特点同相输入比例器属于同相输入比例器属于电压串联负反馈电压串联负反馈。1)1) 输入电阻高输入电阻高在理想运放的情况下，在理想运放的情况下，输入电阻：输入电阻：ri2)2) 输出电阻低输出电阻低在理想运放的情况下，在理想运放的情况下，ro0RfR1R2uoi1if同相比例运算电路同相比例运算电路ui+uduf集成运算放大器集成运算放大器-44-3. 电压跟随器电压跟随器当R1=, Rf=0时uo

21、 = ui同相跟随器同相跟随器uiR2uoRfR1R2uoi1if同相比例运算电路同相比例运算电路ui = 1+ ui Rf R1 1uo输入电阻高，输出电阻低输入电阻高，输出电阻低集成运算放大器集成运算放大器-45-fu obui1 ui3ui2 i1i2i3if132Rb=R1 / R2 / R3 / Rf 反相加法运算电路反相加法运算电路集成运算放大器集成运算放大器-46-ui1 fu obui3ui2 i1i2i3if132 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RfRfRfR1R2R3i-因i-= 0，故i1+i2+i3=if即ui1u-R1ui2u-R2+ui3u-R3

22、+uoRfu-=u_u_又 “虛地虛地”运算关系运算关系集成运算放大器集成运算放大器-47-其中其中 R = R21 R22 R uO = 1+ + R + + RfR1R21ui1R22ui2ui1u+R21+ +ui2u+R22 =u+Rf211uoui1ui222同相加法运算电路同相加法运算电路ui2ui1u+=R21R22+ +R21R22R1 1+ +1 1+ +1 1RfuO = 1+ + R1u+ui1ui2u+= R + + R21R221R集成运算放大器集成运算放大器-48- = 1+ ui2 uoRfR1R2 + R3R3- - ui1RfR110.3.3 差动运算差动运算

23、差动比例运算电路差动比例运算电路因i-= 0，u_=ui1_i1R1i1 =if=ui1_uoR1+ Rfui1=_.R1ui1_uoR1+ Rfui1ui2u+=ui2R3R2+ R3u_=u+uoR3RfR1R2i-u_u+ifi1u+集成运算放大器集成运算放大器-49-uoR1R2R3ui2ui1Rf = 1+ ui2 uoRfR1R2 + R3R3- - ui1RfR1当Rf=R1=R2=R3时u0 = ui2ui1减法运算电路减法运算电路集成运算放大器集成运算放大器-50-R 11ui121132212uof1uRRRRRRi2f2uo= ui1 ui2 13RRRRRR 11 12

24、f2f1f2 两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路uo1集成运算放大器集成运算放大器-51-R1 1uoi1uiCifR2i1=if ，uR1i1 = ,i因因 uN=0,uN11iNofiu111u -u =i dt =dt =udtCCRRC1oi1u =u dtR C集成运算放大器集成运算放大器-52- 输入为阶跃电压时积输入为阶跃电压时积分器的输出波形分器的输出波形 uidt= uo CR10totuootuiVR1 1uoi1uiCifR21=VV-t=-tRC 对对ui=-V积分积分输出输出uo斜率为正斜率为正集成运算放大器集成运算放大器-53-53ui-uooVut集

25、成运算放大器集成运算放大器-54-uuOiC duidtuo= Rf C 2 2f输入与输出输入与输出的关系式为的关系式为10.3.5 微分运算电路微分运算电路i1ifuN1iduiCdt1fiiNoffuui RifduR Cdt集成运算放大器集成运算放大器-55-uo若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出波形为ui duidtuo= Rf C 集成运算放大器集成运算放大器-56-应用举例：应用举例：PID调节器调节器Cf21uouiC1f依据虚断和虚短原则if = i1+ic1Cfuo = (if Rf + - ifdt)duiu = ( + ) + RfC1 + ui dt oRfR

26、1C1CfuidtR1Cf1ici1ifi1 =iC =C1 dui dtuiR1，0 -集成运算放大器集成运算放大器-57-HW10-1:10.2 (a), (c), (e)10.7 集成运算放大器集成运算放大器-58-集成运算放大器集成运算放大器-59- 计算机实时控制计算机实时控制: :u 非电量非电量=电信号电信号u 电信号是时间的连续函数电信号是时间的连续函数, ,又叫模拟信号又叫模拟信号u 模拟信号等周期采样模拟信号等周期采样: :离散间间信号离散间间信号u 离散时间信号需保持一段时间离散时间信号需保持一段时间, ,以转换为数字信以转换为数字信号号, ,该过程叫模数转换该过程叫模数

27、转换. .集成运算放大器集成运算放大器-60-uu高电平，高电平，S闭合，电路处于采样阶段闭合，电路处于采样阶段, ui对对C充电充电 uc=ui, uo=uc= uo=ui(电压跟随器电压跟随器) u u低电平，低电平，S断开，电路处于保持阶段断开，电路处于保持阶段, uo=uc (电容电容 无放电回路无放电回路)uiuou0t(b) 输入输出信号波形输入输出信号波形(a) 电路电路 uiuouc控制信号控制信号uCRS控制信号控制信号u集成运算放大器集成运算放大器-61-UOHUOLuiuo0-UDUR0uiuoUZR1R2RDzuOuiuRR1R2uouiuRUR 反相输入比较器反相输入

28、比较器 同相输入比较器同相输入比较器（开环、非线性）（开环、非线性）集成运算放大器集成运算放大器-62-R1R2UOHUOLttUOHUOL000uiuouOuiuoui集成运算放大器集成运算放大器-63-UZUZ URR1R2R2R3R1URDzUZ0uiuouOui 输入求和型任意电平比较器输入求和型任意电平比较器因为因为 u+ = 0设设 u- = 0，则有则有：uiR2+ UR R1=0转折电压转折电压：ui= URR2R1211212RRURRRuRuRi集成运算放大器集成运算放大器-64-10.4.3 10.4.3 有源滤波器有源滤波器u滤波器滤波器: 选频器选频器, 选出有用信号

29、，抑制无用的信号选出有用信号，抑制无用的信号.理解为放大电路理解为放大电路, 放大倍数是频率的函数放大倍数是频率的函数A(f) 抽象为系统抽象为系统, 通过有用信号，阻止无用信号通过有用信号，阻止无用信号u分类分类 按频率范围按频率范围: 低通、高通、带通及带阻滤波器低通、高通、带通及带阻滤波器 按是否有源：无源和有源按是否有源：无源和有源 无源：无源：R，C等无源器件构成（无放大作用，等无源器件构成（无放大作用， 总是衰减）总是衰减） 有源：运放有源：运放+R，C（有放大，效率高、频率（有放大，效率高、频率 响应特性好）响应特性好） 集成运算放大器集成运算放大器-65-以有源低通滤波器为例。

30、以有源低通滤波器为例。根据同相比例运算电路可得出根据同相比例运算电路可得出RF R2R1CiUCUOU.iiC111UUUUj Cj RCRj C.Fo1(1)RUURFF.o11uf.i01111RRURRAj RCUj0o112fRCRC或式中：式中：集成运算放大器集成运算放大器-66-电压放大倍数电压放大倍数Auf的幅值（模）为的幅值（模）为 F12011 ()ufRRA0Fuf10,1RAR 当时F101,2ufRRA当时集成运算放大器集成运算放大器-67- 0称为截止角频率称为截止角频率(3dB)，幅频特性如图，幅频特性如图10.4-6（b）所示。由图可见，有源低通滤波器允许）所示。

31、由图可见，有源低通滤波器允许低频段的信号通过，阻止高频段的信号通过。低频段的信号通过，阻止高频段的信号通过。图图10.4-6 有源低通滤波器有源低通滤波器 00| Auf | Auf0 |(b) 幅频特性幅频特性(a) 电路电路RF R2R1CCUOUiU集成运算放大器集成运算放大器-68-u信号发生器信号发生器: 指不需要外界输入信号而有指不需要外界输入信号而有稳定的输出稳定的输出(幅值和频率幅值和频率)的装置的装置u自激振荡自激振荡: 这种依靠电路自身条件而产生这种依靠电路自身条件而产生具有稳定的频率和幅值的输出信号的现象具有稳定的频率和幅值的输出信号的现象u组成组成: : 基于自激振荡原

32、理，利用运算放大器和基于自激振荡原理，利用运算放大器和R R、L L、C C元件构成的电路实现。元件构成的电路实现。u分类分类: : 信号发生器按产生的波形的不同可以分为信号发生器按产生的波形的不同可以分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器两类。正弦信号发生器和非正弦信号发生器两类。集成运算放大器集成运算放大器-69-不需要外部输入信号；不需要外部输入信号；必须在电路中引入必须在电路中引入足够强的正反馈足够强的正反馈, 形成所谓的自激振荡。形成所谓的自激振荡。波形产生电路包括正弦和非正弦波形产生电路包括正弦和非正弦( (如如方波、三角波方波、三角波) )波形产生电路。波形产生电路。波形产生电路的

33、共同特点：波形产生电路的共同特点：集成运算放大器集成运算放大器-70- 集成运算放大器集成运算放大器-71-集成运算放大器集成运算放大器-72-Ud12(1)(1)自激振荡的条件自激振荡的条件S S 在在 2: 2: 令令F=Uf / Uo. .所以产生自激振荡的条件为所以产生自激振荡的条件为: :.AF= .UoUd.UoUfS+Uf+-A=Uo / Ud.S S 在在 1: 1: Ud=Ui .-.Ui.Uo.因为因为: :Uf=Ud，.Uf=UiU=d d则输出电压保持不变。则输出电压保持不变。因此因此 AF=1集成运算放大器集成运算放大器-73-自激振荡的条件自激振荡的条件: :AF

34、= 1 幅度平衡条件：幅度平衡条件：相位平衡条件相位平衡条件: :AF = 1 A+ F = 2 k （k=0,1,2） 反馈信号与输入信号的大小相等反馈信号与输入信号的大小相等( (足够强的足够强的反馈量反馈量) )。反馈信号与输入信号同相，必须引入正反馈。反馈信号与输入信号同相，必须引入正反馈。反馈信号与输入信号大小相等，相位相同反馈信号与输入信号大小相等，相位相同集成运算放大器集成运算放大器-74-(2) (2) 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定振荡电路的起振振荡电路的起振: :选择某一频率的输出信号选择某一频率的输出信号(选频选频）电路由电路由等幅振荡等幅振荡|AF| = 1|AF|

35、1Ud12S+Uf+-.Ui.Uo.增幅振荡增幅振荡A/F非线性稳幅非线性稳幅Ui与与Uf同相位同相位(正反馈正反馈）反馈（反馈（F），放大（），放大（A）集成运算放大器集成运算放大器-75- 通过不断地通过不断地反馈反馈放大放大再反馈再反馈再再放大放大 ，使，使Uo不断增不断增大，一直到大，一直到M M点时，点时，才稳定下来。才稳定下来。自激振荡的建立和稳幅过程自激振荡的建立和稳幅过程正反馈正反馈集成运算放大器集成运算放大器-76-由上述讨论可知由上述讨论可知, 正弦波振荡电路应由以下部分组成正弦波振荡电路应由以下部分组成放大电路放大电路正反馈电路正反馈电路选频电路选频电路稳幅电路稳幅电路集

36、成运算放大器集成运算放大器-77-RfR1+uiRCCRuf =F uOFA=(1+Rf /R1)uo =A ui若若uf =ui, 则则AF=1, 满足自激振荡条件满足自激振荡条件.如何确定如何确定R, C, Rf , R1, 满足上述条件满足上述条件.希望具有选频功能集成运算放大器集成运算放大器-78- ( (1)1)电路组成电路组成RCCRRfR1放大电路放大电路（具有非线性负（具有非线性负反馈稳幅环节）反馈稳幅环节）文氏电桥正弦波振荡电路文氏电桥正弦波振荡电路uO+正反馈网络正反馈网络兼作选频网络兼作选频网络AF集成运算放大器集成运算放大器-79- ( (2)2)RC串并联网络的选频特

37、性串并联网络的选频特性Z1 = R +1jCjC1Z2 =R()R+1jC=R1+jRC.UfUO=.IZ2I(Z1+Z2).Z2Z1+Z2=R1+jRCR+1jC+R1+jRC=13+j(RC - -RCRC1).I+RCUo.Uf.CRZ1Z2F=集成运算放大器集成运算放大器-80-.UfUo.=11RC3+j (RC - - )当当: :1RCRC- -=0即即, ,或或R C= = 0 0=122RC= = 0 0 = =1时时.Uf fUo.与与 同相位同相位, , 即为正反馈即为正反馈；且且F达到最大值达到最大值。RC串并联选频网络串并联选频网络+RCU0.Uf.CRZ1Z2.IF

38、=.Uf fUo o.=1/3F=集成运算放大器集成运算放大器-81-即即 A3=F =Uf_Uo13_ f = 0,(3)(3)如何满足自激振荡条件如何满足自激振荡条件f0=12 RC起振时应满足起振时应满足: :Rf2R1RfR1）, A=（1+ A = 0为满足为满足AF = 1,= 1,A=3RfR1）=3 , （1+Rf=2R1ui u o1fCC+uf Z1Z2稳定时稳定时A=3集成运算放大器集成运算放大器-82-(4)(4)稳幅措施稳幅措施 特点特点： 利用二极管的非线性利用二极管的非线性自动调节反馈的强弱来维自动调节反馈的强弱来维持输出电压的恒定。持输出电压的恒定。UO二极管二

39、极管rDR |A|二极管灵敏度高二极管灵敏度高, 稳稳定性差，输出波形失定性差，输出波形失真较大真较大 二极管稳幅电路二极管稳幅电路u o1f2CCf1D2D1集成运算放大器集成运算放大器-83-UOTRTR |A|由于热敏电阻变化迟钝, 具有惯性，因此可获得失真较小的输出电压。特点：特点： 利用半导体热敏电阻的非利用半导体热敏电阻的非线性实现稳幅。线性实现稳幅。 热敏电阻稳幅电路热敏电阻稳幅电路uo1TCCHW10-2: 10.10, 10.18集成运算放大器集成运算放大器-84-1. 电路的组成电路的组成RRo DZR2uCuou+u-UZAoR1u+ H =R1R1+ R2UZUZR1R

40、1+ R2u+ L=CoZuU 1. 比较器比较器2. R2引入电压正反馈引入电压正反馈u+3. R引入电压负反馈引入电压负反馈u-，由于由于C的充放电，具有的充放电，具有延迟特性延迟特性集成运算放大器集成运算放大器-85-to t t1 时时:uC=UZ(R1R1+ R2UZ + UZ ）et- toRC t = t1 时时: uC= u+ H =R1R1+ R2UZ可得：T1= t1 t0=RC ln( 1+2R1R2)2R1R2 同理 T2= t2 t1=RC ln( 1+)2R1R2T= T2 + T1=2RC ln( 1+)T f0=12RC ln( 1+=2R1R21)uC=Uz

41、(Uz u+L)0ttRCe集成运算放大器集成运算放大器-86-3.3.占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器调节调节RP，使电使电容充电和放电的时容充电和放电的时间常数不相等，实间常数不相等，实现输出矩形波的占现输出矩形波的占空比可调，空比可调，而矩形而矩形波的周期不变波的周期不变。占空比占空比=T1/T =T1/(T1+T2)集成运算放大器集成运算放大器-87-10.5.3 10.5.3 三角波发生器三角波发生器 R1 R2 R3 R4 R5 R6 DZ uo uo1 A1 A2 CF A1: 同向输入过零比较器同向输入过零比较器A2: 积分器积分器uo1又是积分器的输入又是积分器的

42、输入ozRRuUuRRRuUR 211Zo12121,ozRRuUUuRRRuR 211Zo12121,R1 R2 UZ 0t UZ UZ u t1 t3 t5 uo uo1 R1 R2 UZ T 集成运算放大器集成运算放大器-88-当当uo下降到使下降到使u+1=0时，有时，有 uo1从从+UZ翻转为翻转为 UZ，uo线性上升。线性上升。 同理，当同理，当uo上升到使上升到使u+1=0时，有时，有uo1从从UZ翻转为翻转为+UZ，uo线性下降。线性下降。0t UZ UZ u t1 t3 t5 uo uo1 R1 R2 UZ R1 R2 UZ T A1输出的是矩形波电压输出的是矩形波电压uo1

43、，A2输出的是三角波电压输出的是三角波电压uO。2111Zo1212,ozRRuUuUuRRRR 2111Zo1212,ozRRuUuUuRRRR 集成运算放大器集成运算放大器-89-可以推出，三角波的周期和频率可以推出，三角波的周期和频率, 即即 R1 R2 R3 R4 R5 R6 DZ uo uo1 A1 A2 CF 2144FRfR R C1424FR R CTR集成运算放大器集成运算放大器-90-图图10.5-6 锯齿波发生器锯齿波发生器10.5.4 10.5.4 锯齿波发生器锯齿波发生器CF R1 R6 DZ uo1 DR4R3 R4 R2 R5 uo Uo1=UZ时，积分时间常数时

44、，积分时间常数=R4CF，T1T2当当uo1=+UZ时，时，D导通，积分时间常数导通，积分时间常数= 44F( R / / R )C 锯齿波电压在示波器、数字仪表电子设备中作为扫描之用。锯齿波电压在示波器、数字仪表电子设备中作为扫描之用。集成运算放大器集成运算放大器-91-10.6 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题1. 选用元件选用元件u 按其技术指标可分为按其技术指标可分为: 通用型通用型、高速型、高阻型、高速型、高阻型、低功耗型、大功率型、高精度型等低功耗型、大功率型、高精度型等u 按内部电路分为按内部电路分为: 双极型（由晶体管组成）和单双极型（由晶体管组成）

45、和单极型（由场效应管组成）；极型（由场效应管组成）；u 按每片中运放个数目可分为按每片中运放个数目可分为: 单运放、双运放和单运放、双运放和四运放。四运放。 例例 如输入信号是如输入信号是微弱的电压信号微弱的电压信号，第一级就选，第一级就选用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放大用高输入电阻、高共模抑制比、高开环电压放大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。集成运算放大器集成运算放大器-92-2. 消振消振 由于运算放大器内部晶体管的极间电容和由于运算放大器内部晶体管的极间电容和其他寄生参数的影响，很容易产生自激振荡，其他寄生参数的影响，很容易产

46、生自激振荡，破坏正常工作。破坏正常工作。 为此，在使用时要注意消振。通常是外接为此，在使用时要注意消振。通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激振荡的条件。振荡的条件。 是否已消振，可将输入端接是否已消振，可将输入端接“地地”，用示，用示波器观察输出端有无自激振荡。波器观察输出端有无自激振荡。集成运算放大器集成运算放大器-93-3. 调零调零 由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，由于运算放大器的内部参数不可能完全对称，以致当输入信号为零时，仍有输出信号。为此，以致当输入信号为零时，仍有输出信号。为此，在使用时要外接调零电路。在使用时要外接调

47、零电路。 调零时应将电路接成闭环，方法调零时应将电路接成闭环，方法:无输入时调零，即将两个输入端接无输入时调零，即将两个输入端接“地地”，调，调节调零电位器，使输出电压为零。节调零电位器，使输出电压为零。有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输有输入时调零，即按已知输入信号电压计算输出电压，而后将实际值调整到计算值。出电压，而后将实际值调整到计算值。集成运算放大器集成运算放大器-94-4. 保护保护(1)输入端保护输入端保护 当输入端静输入电压当输入端静输入电压ud不宜不宜过高，否则损坏输入过高，否则损坏输入级的晶体管。为此，在输入端接入反向并联的二极管，级的晶体管。为此，在输入端接入反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。将输入电压限制在二极管的正向压降以下。图图10.6-1 输入端保护输入端保护 uo R1 R2 ui D1 D2 RF 集成运算放大器集成运算放大器-95-(2) 输出端保护输出端保护 为了防止端出电压过为了防止端出电压过大，可利用稳压管来保护，大，可利用稳压管来保护，如图如图10.6-2所示，将两个稳压所示，将两个稳压管反向串联，将输出电压限管反向串联，将输出电压限制在（制在（-UZ, +UZ）的范围内。）的范围内。UZ是稳压管的稳定电压。是稳压管的稳定电压。图图10.6-2 输出端保护输出端保护uiRF - R