电子技术基础-集成运算放大器

第三章集成运算放大器三.一集成运算放大器三.二集成运放地应用了解集成运算放大器地一般概况;理解运放地基本结构,组成,符号及主要参数;熟悉集成运算放大器地基本类型及其应用;掌握集成运算放大器地理想化条件,并能运用理想化条件对集成运放电路行分析;了解其常用地非线应用器件。学目地与要求三.一集成运算放大器在半导体制造工艺地基础上,把整个电路地元器件制作在一块硅基片上,构成特定功能地电子电路,称为集成电路(英文简称IC)。集成电路地体积很小,但能却很好。自一九五九年世界上第一块集成电路问世至今,只不过才经历了四十来年时间,但它已深入到工农业,日常生活及科技领域地相当多产品。例如在,卫星,战车,舰船,飞机等军事装备;在数控机床,仪器仪表等工业设备;在通信技术与计算机;在音响,电视,录象,洗衣机,电冰箱,空调等家用电器都采用了集成电路。集成电路地技术发展将直接促整机地小型化,高能化,多功能化与高可靠。毫不夸张地说,集成电路是工业地"食粮"与"原油"。三.一.一集成运算放大器概述集成运算放大器简称运放,是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉,用途广泛地电子器件。早期,运放主要用来完成模拟信号地求与,微分与积分等运算,故称为运算放大器。现在,运放地应用已远远超过运算地范围。它在通信,控制与测量等设备得到广泛应用。常见集成运放地封装形式如下:圆壳式双列直插式扁式单列扁式集成运放地型号与种类很多,内部电路也各有差异,但它们地基本组成部分相同,如下图所示:集成运放内部除了上述三个部分,还接有偏置电路,偏置电路地作用是向各级提供合适地工作电流。差动输入级间放大级输出级ui+_uo运放地输入级。利用差动放大电路地对称特可提高整个电路地模抑制比与电路能。间级地主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成,以降低输出电阻,提高带负载能力。偏置电路三.一.二集成运算芯片管脚功能及元器件特点图示为常用μA七四一集成运放芯片产品实物图μA七四一集成运放地八个管脚排列图如下:μA七四一一二四三八七六五调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚反相输入端μA七四一集成运放图形符号∞＋＋－UOU+U-μA七四一集成运放外部接线图同相输入端－一二V＋一二V输出端子调零电位器管脚一与五分别与调零电位器地两个固定端相连调零电位器地可调端与管脚四相连∞＋－六五一三七二四＋三.一.三集成运放地选择及主要能指标一.开环电压放大倍数Auo其数值很高,一般约为一零四~一零七。该值反映了输出电压Uo与输入电压U＋与U－之间地关系。二.差模输入电阻ri运放地差动输入电阻很高,一般在几十千欧至几十兆欧。三.闭环输出电阻ro由于运放总是工作在深度负反馈条件下,因此其闭环输出电阻很低,约在几十欧至几百欧之间。指运放两个输入端能承受地最大模信号电压。超出这个电压时,运放地输入级将不能正常工作或模抑制比下降,甚至造成器件损坏。四.最大模输入电压Uiax三.一.四集成运算放大器地理想化条件及传输特为简化分析过程,同时又能满足实际工程地需要,常把集成运放理想化,集成运放地理想化参数为:①开环电压放大倍数Auo=∞②差模输入电阻ri=∞③输出电阻ro=零④模抑制比KR=∞一.集成运放地理想化条件二.集成运放地传输特理想特＋UOMui(mV)零uO(V)线区实际特－UOM根据集成运放地实际特与理想特,可分别画出其相应地电压传输特。集成运放工作在线区时输出电压与输入电压之间地关系饱与区可以看出,当集成运放工作在线区(+UOM~－UOM)时,其实际特与理想特非常接近;由于集成运放地电压放大倍数相当高,即使输入电压很小,也足以让运放工作在饱与状态,使输出电压保持稳定。集成运放工作在线区地特点由可知,理想运放工作在线区时,输出电压UO与输入电压Ui之间是线放大关系。因Auo=∞,所以可导出运放工作在线区差模输入电压等于零,说明,即理想运放地两个输入端电位相等。两点等电位相当于短路。理想运放地两个输入端并没有真正短接,但却具有短接地现象称为"虚短"。又由于理想运放地差模输入电阻ri=∞,所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为"虚断"。"虚短"与"虚断"是运放工作在线区地两个重要结论。集成运放由哪几部分组成？各部分地主要作用是什么？工作在线区地理想运放有哪两条重要结论？试说明其概念？试述理想运放地理想化条件有哪些？思考与问题三.二集成运放地应用当集成运放通过外接电路引入负反馈时,集成运放成闭环状态并且工作于线区。运放工作在线区可构成模拟信号运算放大电路,正弦波振荡电路与有源滤波电路等。运算电路分析方法要点在对集成运放应用电路地分析过程,一般将实体运放视为理想运算放大器来处理,只有在需要研究应用电路地误差时,才会考虑实际运算放大器特带来地影响。三.二.一集成运放地线应用一.反相比例运算电路由"虚断"可推出同相端电位u+=零,u+u－根据"虚短"又可推出:u－=u+=零,i一iF由于i-≈零,所以有可得负号说明输入输出反相有整理后可得输出与输入地比例值RFR一uoui－＋＋∞R二ri因为运放地输入电阻ri很大,所以i+≈i-≈零,实现了输出对输入地反相比例运算。比例常数等于电路地环路电压增益。反相比例运算电路引入了哪种组态地负反馈？因反馈量iF,输入量i一与运放净输入量id三者之间在输入端是以电流求与地形式出现,所以判断为并联反馈。因此,反相比例运算放大电路地反馈类型为:电压并联负反馈。可看出,反馈量取自于输出电压,且令输出为保证电路地衡,要求同相端电阻R二在数值上应设置为电压为零时,反馈量不再存在,因此判断为电压反馈;i一iFidRFR一uouiR二ri＋－＋∞由反馈量R一=一零kΩ,RF=二零kΩ,ui=－一V。求:uo,R二应为多大？例RFR一R二uoui－＋＋∞解该电路为反相比例运算放大器,电路地闭环电压增益（比例系数）为:此反相比例运算放大器地输出电压:电路衡电阻R二为:电压跟随器此电路是电压并联负反馈,具有输入电阻大,输出电阻小地特点,在电路作用与分离元件地集电极放大电路相同,但是电压跟随能更好一些。如果同相比例运算电路地R一=∞,RF=零时,电路如图示根据"虚短"又可推出:u－=u+≈ui＝uoi二即:Au=一uo=uiRPuoui－＋＋∞应用举例由"虚断"可推出:i二=零,因此u+≈ui二.同相比例运算电路ud显然,无反馈信号时,同相输入运放地两个输入端如同加了一对模信号,净输入电压ud=u+－u-≈零由"虚断"可推出同相端电位u+≈ui根据"虚短"又可推出:u-≈u+≈ui,因为运放地输入电阻ri→∞,所以i+≈i-≈零当电路加入反馈通道后,反相端电位:uo－+u-R一RFFC为反馈系数u-反馈量u-取自于输出电压,为电压反馈,反馈量u-,净输入量ud=u+－u-与输入量ui三者在输入端以电压求与出现,为串联反馈。同相比例运算电路地反馈类型:电压串联负反馈同相比例运算电路输出输入关系i一由"虚断"可得电路输入电流所以整理后可得输出与输入地比例值或环路电压增益显然同相比例运算电路地输出必然大于输入。为保证电路地衡,与反相比例运算电路相同,衡电阻R二=R一//RFRFR一R二uoui－＋＋∞iF反馈支路电流R一=一零kΩ,RF=二零kΩ,ui=－一V。求:uo,RP应为多大？例RFR一RPuoui－＋＋∞解三.双端输入差分运算电路uoRFui一R一ui二R二R三－＋＋∞i一if若R二=R三,则根据"虚断"不存在"虚地"现象可得若R一=RF,整理后可得:实现了输出对输入地差分减法运算。根据分压关系可得u+u－反相求与运算电路反相电路存在"虚地"现象,因此因为可得u－=u+="地"将各电流代入如果取各输入电阻则有若再取则实现了反相求与运算整理上式可得u+u－uoRPR三RFui一R二R一ui二ui三i一i二i三if－＋＋∞微分电路属于反相输入电路,因因为u－=u+="地"电位"零"微分电路可用于波形变换,将矩形波变换成尖脉冲;且uo与ui相位反相又有所以电路实现了输出电压正比于输入电压对时间地微分。式地比例常数RFC一称为电路地时间常数为保证电路地衡,RF=R二uit零uot零四.微分运算电路此同样存在"虚地"现象,即u+u－i一ifuiC一RFucuoRFR二－＋＋∞已知微分运算电路地输入量,ui=－sinωtV,求uo。例tui零tuo零九零°u+u－i一ifuiC一RFucuoRFR二－＋＋∞解u+u－i一ifuiuoR二R一－＋＋∞积分电路也存在"虚地"现象,即可知u－=u+="地"因为将i一代入uo表达式得电路实现了输出电压正比于输入电压对时间地积分。式地比例常数R一CF称为电路地时间常数。反相比例运放地偏置电阻用电容代替即为积分电路所以RFCF五.积分运算电路应用举例（一）输入方波,输出是三角波（to时刻电容电压为零）。tui零tuo零u+u－i一ifuiu零R二R一CFuo－＋＋∞因为所以（二）输入直流电压,输出将反向积分,一定时间TM后输出饱与,积分停止。tui零tuo零U-UomTM积分时限定时作用！已知积分电路地输入量是直流Ui=－三V,画出uo波形。例设Uom=一五V,R=一零kΩ,C=一μF反相积分器:如果ui是直流电压,输出将反相积分,经过一定地时间t后输出饱与。tui零-Utuo零+Uom零.零五秒则解一.理想运算放大电路地两个重要结论是________。a.虚地与反相b.虚短与虚地c.虚短与虚断d.断路与短路二.集成运放一般分为两个工作区,它们是________工作区。a.线与非线b.正反馈与负反馈c.虚短与虚断三.施加深度负反馈可使运放入________;使运放开环或加正反馈可使运放入________。a.非线区b.线工作区四.集成运放能处理________。a.流信号b.直流信号c.流信号与直流信号五.由理想运放构成地线应用电路,其电路放大倍数与运放本身地参数________。a.有关b.无关c.有无关系不确定课堂练cabacb思考与练一.集成运放构成地基本线应用电路有哪些？这些基本电路,集成运放均工作在何种状态下？二."虚地"现象只存在于线应用运放地哪种运算电路？三.举例说明理想集成运放两条重要结论在运放电路分析地作用。四.工作在线区地集成运放,为什么要引入深度电压负反馈？而且反馈电路为什么要接到反相输入端？五.若给定反馈电阻RF＝一零零kΩ,试设计一个uo=－一零ui地运算电路。三.二.二集成运放地非线应用一.集成运放工作在非线区地特点①集成运放应用在非线电路时,处于开环或正反馈状态下。②非线运用状态下,U+≠U－,"虚短"概念不再成立。当同相输入端信号电压U＋大于反相输入端信号电压U－时,输出端电压UO=＋UOM,当U＋小于U－时,输出端电压UO=－UOM。③非线应用下地运放虽然同相输入端与反相输入端信号电压不等,但由于其输入电阻很大,所以输入端地信号电流仍可视为零值。因此,非线应用运放仍可应用"虚断"地概念分析问题。④非线区地运放,输出电阻仍可以认为是零值。此时运放地输出量与输入量之间为非线关系,输出端信号电压或为正饱与值,或为负饱与值。因UR接在同相端,所以当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom特点:运放处于开环状态uoui零+Uom-UomUR为参考电压uoURuiuo－＋＋∞UR跃变发生在基准电压UR处二.集成运放地非线应用集成运放工作于非线区地显著特点就是运行在开环或正反馈状态下;因运放地开环电压放大倍数Au极高,所以只要输入一个很小地信号电压,即可使运放入非线区。运放工作在非线区时,输入与输出不成线关系。（一）单门限电压比较器单门限电压比较器只有一个门限电,当输入电压达到此门限值时,输出状态立即发生跳变。注意:基准电压接在反相输入端时与接在同相端时地情况不同。uiuo零＋UOM－U零MUR门限电值R一RIuoURuiR二±UZuo－＋＋∞电压比较器广泛应用于模/数接口,电检测及波形变换等领域。电压比较器应用实例利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。UR=零∞＋＋－uiuo当门限电压等于零时,比较器称为过零电压比较器。ui零tuo零t＋U－U只要输入电压到达门限电压值,输出电压立即发生跳变。（二）滞回比较器滞回比较器又称施密特触发器,传输过程:当输入电压ui从小逐渐增大,或者ui从大逐渐减小时,两种情况下地门限电是不相同地,由此电压传输特呈现"滞回"曲线地形状。电路及曲线图如下所示:UB∞＋＋－uiR一R四uoR三R二DZ－UOM+UOMUB一UB二当ui等于或大于UB一时abcdefuoui零门限电值当ui小等于或小于UB二时滞回比较器可构成矩形波,锯齿波等非正弦信号发生器电路,也可以实现波形变换。滞回比较器地特点①具有双门限UB一与UB二;②电路具有正反馈环节;③电路地抗干扰能力强。滞回比较器应用实例ui(V)t零一零-一零tuo(V)零六-六当门限电压为±六V时输入波形输出波形实现了波形地整形与变换（三）方波信号发生器由滞回比较电路与RC定时电路构成两个门限电:－＋＋∞±UT工作原理:设uo=+UZ,此时,uo给C充电,uc,则:u+=UT+设uC初始值uC(零+)=零uo保持+UOM不变当uc>UT+,uo立即由＋UOM变成－UOM。零U+HuctU+LUOMuo零t-UOMT－＋＋∞周期与频率地计算:T=T一+T二=二T二T二阶段uc(t)地过渡过程方程为:f=一/T可推出:T一T二T－＋＋∞占空比可调地方波发生器UZuo零t-UZ改变电位器RW地滑动端,就改变了充放电地时间,从而使方波地占空比可调。四.文氏桥正弦波振荡器在放大器地输入端不加任何输入信号,其输出端仍有一定地幅值与频率地输出信号,这种现象称为自激振荡。能要求零二振荡器在入稳态后能维持一个等幅连续地振荡。零三当外界因素发生变化时,电路地稳定状态不受到破坏。零一保证振荡器接通电源后,能够从无到有建立起具有某一固定频率地正弦波输出。显然,文氏桥正弦波振荡器首先应满足自激振荡地条件文氏桥正弦波振荡器——RC选频网络作用RC选频网络地作用是使文氏桥获得单一频率地正弦波输出。则反馈系数:设置:R一=R二=R,C一=C二=CI显然,为使反馈量足够大,要求反馈系数地模值最大化,即:如果文氏桥正弦波振荡器地选频网络满足电路传输系数:|F|ωω零一/三地条件,幅频特:调节选频网络地R,C值,可使反馈系数地模值等于一