电子技术-chapter3 第3章 集成运算放大器及其应用

1、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一

2、页uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 = 0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号共模信号 需要抑制需要抑制下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信号差模信号 是有用信号是有用信

3、号下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV + 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页+Uuoui1RCRPT1RBRCui2RERB+TEE+稳定静

4、态工作点，限制每个管子的漂移。稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。上的压降，以获得合适的工作点。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页（Common Mode Rejection Ratio)CdCMRAAK ) (lg20(dB)CdCMR分贝AAK 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压输出电压 若电路不完全对称，则若电路不完全对称，则 Ac 0，实际输出电压实际输出电压 即共模信号对输出有影

5、响即共模信号对输出有影响 。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。一种模拟集成电路。Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dBuo+Auou+u。 。+UCCUEE 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页+UCCUEEuu+输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输

6、入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。共发射极放大电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.2.2 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的

7、主要参数1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。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。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。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。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失

8、调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1. 理想运算放大器理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页例例：|A|=300

9、，|F|=0.01。7501. 030013001 f AFAA则则：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 则则：下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页Auiufuduo大大略小略小略大略大略小略小略大略大 uoAF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波ui下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页BWFABW)1(of 无负反馈无负反馈f|Au|下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页中频放大倍数中频放大倍数 |A0| =10，反馈系数，反馈系数 |F| = 0.0199001010001100

10、01 00f.FAAA 则则：在原上限、下限频率处在原上限、下限频率处68770701707000LHf.FA.A.A 、70709630990687fLHf.AA 、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页uiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiur uf+bbeiu 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页FArr0ifi1 ifbbeiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：

11、ibeifiur iiibube+下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页o0of)1(rFAr FArr0oof1 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进器件等构成闭环

12、电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。实现不同的运算。下一页下一页总目

13、录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1i1Ruui FofRuui （1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，输入、以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地输出的另一端均为地( )。（2）电压放大倍数）电压放大倍数因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0，称反相输入端称反相输入端“虚虚地地” 反相输入的重要反相输入的重要特点特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RF动画动画

14、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页i1FouRRu 1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈输入信号和反馈信号加在输入信号和反馈信号加在同一输入端同一输入端并联反馈并联反馈反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页例：例：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求：求：1. Auf 、R2 ； 2. 若若 R1不变，要求不变

15、，要求Auf为为 10，则，则RF 、 R2 应为应为 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页oF11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui i1Fo)1(uRRu （1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数

16、）电压放大倍数1Fiof1RRuuAu uoRFuiR2R1+ 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地电阻相同，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFu+u下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 输入信号和反馈信号分别输入信号和反馈信号分别加两个输入端加两个输入端串联反馈串联反馈反馈电路直接从输反馈电路直接从输出端引出出端引出电压反馈电压反馈 1Fiof1RRuuAu i1Fo)1(uRRu 反馈信号使净输入反馈信号使净输入信号减小信号减小负反馈负反馈uoRFuiR2R1+ 动

17、画动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例：例：下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页11LRuii 1xGRUI 1iRu 下一页下一页总目录总目录

18、 章目录章目录返回返回上一页上一页因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故故得得 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if 动画动画)(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2单独作用时单独作用时 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F o)1(uRRRRRu 1i2i1i2

19、i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+动画动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页方法方法2：2i2i1i1i1i2i1i2iuRRRuRRRu uRRu)1(1Fou+)(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu 思考思考u+=?ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)(1 (2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2

20、uoRFui1Ri2Ri1+ R2+)(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则则：R2 / R3 = R1 / RF输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量常用做测量放大电路放大电路)1(1i1F2i3231FouRRuRRRRRu 1F

21、11io1i RRRuuu 1R1i uuu 动画动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCt

22、t d1 ooiF10tutuCRtt 动画动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页uitOF1iOM0CRUUt 积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间Uo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui = Ui 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号

23、衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 01F1Fioj11j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故：下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 可见，电路使频率大于可见

24、，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路

25、（A/D）之之前前。由于。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保

26、持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大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判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字

27、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技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页uo u+ u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区O下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页电压传输特性电压传输特性阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压动画动画下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页ui

28、tOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性uiuoOUR下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR电压传输特性电压传输特性uiuoOUR下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOU

29、ROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页URuouiR2+ R1+tuituo+Uo(sat)Uo(sat)下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页RF UU门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制R2uoui+ R1+ iuu oF 2 2uRRRu当当 uo = + Uo(sat)， 则则 )(o(sat)F 2 2U

30、RRRUu当当 uo = Uo(sat)， 则则)(o(sat)F 2 2 URRRUu 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U电压传输特性电压传输特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+ R1+下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页)(o(sat)F 2 2RF 2FRURRRURRRu 可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴， UU +URRFR2uoui+ R1+ U U下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页o(sat)F 2 2 2URRRUUU 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页V2V6201010 U V 2V6201010 U下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020