1、第二章 集成運(yùn)放及基本應(yīng)用2.1 理想運(yùn)放的概念理想運(yùn)放的概念2.2 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路2.3 求和電路求和電路2.4 積分和微分電路積分和微分電路2.5 對(duì)數(shù)和指數(shù)電路對(duì)數(shù)和指數(shù)電路2.6 乘法和除法電路乘法和除法電路2.7 有源濾波器有源濾波器2.8 電壓比較器電壓比較器教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容2.1.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Aod = ；輸出電阻輸出電阻 ro = 0；共模抑制比共模抑制比 KCMR = ；差模輸入電阻差模輸入電阻 rid = ；UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB =

2、 0；- - 3 dB 帶寬帶寬 fH = ，等等。等等。2.1理想運(yùn)放的概念理想運(yùn)放的概念2.1.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即即)(odO- - - - uuAu- -u uOu- -i i+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1. 理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零0)(odO - - - Auuu即即- - uu“虛短虛短”“虛短虛短”是指在是指在分析運(yùn)算放大分析運(yùn)算放大器處于線性狀器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩態(tài)時(shí)，可

3、把兩輸入端視為等輸入端視為等電位，這一特電位，這一特性稱為虛假短性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩顯然不能將兩輸入端真正短輸入端真正短路。路。2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于由于 rid = ，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即0 - - ii“虛斷虛斷”2.1.3理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)傳輸特性傳輸特性+UOPPuOu+- -u- -O- -UOPP理想特性理想特性2.1.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)0)( - - - - idruui“虛斷虛斷”是指在分析運(yùn)放處是指在

4、分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡(jiǎn)一特性稱為虛假開路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。入端真正斷路。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng)當(dāng) u+ u- - 時(shí)時(shí)，uO = + UOPP當(dāng)當(dāng) u+ u- - 時(shí)時(shí), uO = - - UOPP1. uO 的值只有兩種可能的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，在非線性區(qū)內(nèi)，( (u+ - - u- -) )可能很大，即可能很大，即 u+ u- -。 “虛地虛地”不存在不存在2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流等

5、于零0 - - ii2.1.3 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)實(shí)際運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放 Aod ，當(dāng)當(dāng) u+ 與與 u- - 差值比較小時(shí)，仍有差值比較小時(shí)，仍有 Aod (u+ - - u- - )UOPP，運(yùn)放工作在線性區(qū)。運(yùn)放工作在線性區(qū)。例如：例如：LM741 的的 Uopp = 14 V，Aod 2 105 ，線線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍V70102V 145odOPP - - - AUuuuOu+- -u- -O實(shí)際特性實(shí)際特性非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)但線性區(qū)范圍很小。但線性區(qū)范圍很小。2.1.3 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)

6、理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)分析運(yùn)算放大電路的基本依據(jù)分析運(yùn)算放大電路的基本依據(jù)運(yùn)放工作在運(yùn)放工作在線性區(qū)，線性區(qū)，即工作即工作深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋。 當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念是成立的，的概念是成立的， “ “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是分析各種運(yùn)放構(gòu)成的線性電路是分析各種運(yùn)放構(gòu)成的線性電路的基本出發(fā)點(diǎn)和基本依據(jù)。大家在理解的的基本出發(fā)點(diǎn)和基本依據(jù)。大家在理解的基礎(chǔ)上要基礎(chǔ)上要牢牢記住牢牢記住。理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn): :虛短虛短: : u+=u- （ Aod ） (理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零理

7、想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零)虛斷虛斷: : i+ = i- = 0 ( rid） ( (理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流等于零）比例運(yùn)算電路的作用：比例運(yùn)算電路的作用：將信號(hào)按比例放大。將信號(hào)按比例放大。2.2 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路為使差動(dòng)放大電路參為使差動(dòng)放大電路參數(shù)對(duì)稱，選數(shù)對(duì)稱，選R2R1/RFR2稱為平衡電阻。稱為平衡電阻。深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛短：虛短：虛斷：虛斷：FoIRuRu- - 11RRuuAFIouf- - 1RRif Ii1RuI fiu=u+=0 (虛地虛地）i+=i=01RuuI- - -FoRuu - - -FoRu- - fIii 當(dāng)當(dāng) R1 RF 時(shí)時(shí)

8、，Auf = - -1單位增益倒相器單位增益倒相器電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋R2R1/RF深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛短：虛短：u+=u虛斷：虛斷：i+=i=0 - -uu+=uIIoFuuRRR 111111RRRRRuuAFFIouf oFuRRR 11電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋同相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)同相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)1）不存在不存在“虛地虛地”，集成運(yùn)放輸入端可能具有較高，集成運(yùn)放輸入端可能具有較高的共模輸入電壓；的共模輸入電壓；2)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) Auf 1; 當(dāng)當(dāng)RF =0時(shí)時(shí)，Auf =1,此時(shí)此時(shí)稱為稱為電壓跟隨器電壓跟隨器。3 3）輸入電阻高，若在理想運(yùn)輸入電阻高，若在

9、理想運(yùn)放條件下，放條件下，R Rifif;輸出電阻輸出電阻很低。很低。滿足滿足 R1=R1 RF=RF深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛短：虛短： u=u+虛斷：虛斷：i+=i= 0 - -u uIFFuRRR 1oFuRRR 11IFFuRRR 1IFFoFIFFuRRRuRRRuRRR 1111IFFoFIFFuRRRuRRRuRRR 1111 - - IIoufuuuA1RRF- -12RRif 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）不存在不存在“虛地虛地”。2）對(duì)元件的對(duì)稱性要求較高，輸入電阻不夠高。對(duì)元件的對(duì)稱性要求較高，輸入電阻不夠高。 應(yīng)變、溫度等物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量時(shí)，應(yīng)變、溫度等物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量時(shí)

10、，獲得的獲得的信號(hào)電壓變化量常常很小信號(hào)電壓變化量常常很小，而，而共模電壓卻很共模電壓卻很高高，所以傳感器后面的數(shù)據(jù)放大器必須具有很高的，所以傳感器后面的數(shù)據(jù)放大器必須具有很高的共模抑制比，同時(shí)要求有較高的輸入電阻，以免對(duì)共模抑制比，同時(shí)要求有較高的輸入電阻，以免對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器（儀用放大器）傳感器產(chǎn)生影響。三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器（儀用放大器）是目前應(yīng)用比較廣泛的電路之一。是目前應(yīng)用比較廣泛的電路之一。2132)21(IouRRu 在在 R2R3、R4R5、R6R7，精確匹配時(shí)，可得精確匹配時(shí)，可得A1、A2為同相比例運(yùn)算電路。為同相比例運(yùn)算電路。電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其漂移和失電路結(jié)構(gòu)對(duì)

11、稱，其漂移和失調(diào)都有相互抵消的作用調(diào)都有相互抵消的作用A3為差分比為差分比例運(yùn)算電路例運(yùn)算電路1121)21(IouRRu F21121122/2/RRRRRR ou)(2146oouuRR- - -)(21(211246IIuuRRRR- - - - IuRRRR)21(1246 - - iRidodRFA)1 ( 2 idodRARRR)21 ( 2211 )21(1246RRRRAuf-例例 求求Auf 和和 Rif解：解：深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛斷虛斷 i+i0 i1i2虛短虛短 uu+0 （虛地虛地） 3i)/(423RRRuuo - - -)/(423RRRuo - - 2i24423i

12、RRRi 3424iRRR )/(4232442RRRuiRRRo - - 2423442)/(iRRRRRRuo - - 1112RuRuuiiII - - - - 1423442)/(RuRRRRRRuIo - - 14323241424332414242342)(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRuuAIouf - - - - - - 1RRAFuf- - 對(duì)比：對(duì)比：可得：可得：43232RRRRRRF 輸入電阻：輸入電阻：Rif=R1 為了用低值電阻實(shí)現(xiàn)高電壓增益的比例運(yùn)算，常用為了用低值電阻實(shí)現(xiàn)高電壓增益的比例運(yùn)算，常用T型網(wǎng)絡(luò)代替型網(wǎng)絡(luò)代替RF2.3 求和運(yùn)算電路（加

13、法電路）求和運(yùn)算電路（加法電路）RR1/R2/R3/RF深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛斷：虛斷：i+=i-=0 iF = i1+i2+i3虛短：虛短：u-=u+=0 （虛地虛地）332211RuRuRuRuIIIFo - -FoRuu - - -11RuuI- - - 22RuuI- - - 33RuuI- - - 若若R1=R2=R3=R, 則則)(321IIIFouuuRRu - - )(332211IFIFIFouRRuRRuRRu - - 例：例： uo=-3uI1-10uI2-0.53uI3解解：已知已知 uo=-3uI1-10uI2-0.53uI3 對(duì)比對(duì)比 )(332211IFIFIFouR

14、RuRRuRRu - - 可得：可得： RF/R1=3 , RF/R2=10 , RF/R3=0.53選選 RF=100k 則則R1=RF/3=33.3k R2=RF/10=10k R3=RF/0.53=188.7k R=R1/R2/R3/RF=6.88k 選取精密電阻選取精密電阻例例 子子深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛斷：虛斷：i+=i-=0RuRuuRuuRuuIII - - - - - - 332211332211IIIuRRuRRuRRu )/(321RRRRR 虛短：虛短：u+=u- - uRRuFo)1(1 uRRF)1(1當(dāng)調(diào)節(jié)某一回路的電阻時(shí)，會(huì)影響其他輸入與輸出當(dāng)調(diào)節(jié)某一回路的電阻時(shí)，會(huì)

15、影響其他輸入與輸出的關(guān)系，估算和調(diào)試過(guò)程麻煩；不的關(guān)系，估算和調(diào)試過(guò)程麻煩；不“虛地虛地”，共模輸，共模輸入電壓較高。實(shí)際應(yīng)用不如反相求和電路廣泛。入電壓較高。實(shí)際應(yīng)用不如反相求和電路廣泛。1111IfouRRu- - )(232122IfofouRRuRRu - - - - - 23211122IfIffuRRuRRRR - - - 11122232IffIfuRRRRuRR若若 Rf1 = R1, Rf2 = R2= R3 則則 uo=(uI2uI1 ) = uI1uI2反相比例反相比例運(yùn)算電路運(yùn)算電路反相求反相求和電路和電路2.4 積分和微分電路積分和微分電路虛斷：虛斷：i-=i+=0c

16、ouu- - 一、電路分析一、電路分析dtiCucc 1虛地：虛地：u-=0 uo=uciI=iCiI = uI /RiC = uI / R - - dtiCc1 - - dtuRCI1dtRuCI - - 1二、輸入輸出波形二、輸入輸出波形（一）輸入電壓為矩形波（一）輸入電壓為矩形波（二）輸入電壓為正弦（二）輸入電壓為正弦波波t0 t 0 時(shí)，根據(jù)集時(shí)，根據(jù)集成運(yùn)放反相輸入端成運(yùn)放反相輸入端“虛虛地地”及及“虛斷虛斷”的特點(diǎn)，的特點(diǎn)，可得：可得：TTUuUuIIiIBEeeSSI TUuRRIRiRiuIeSIO- - - - - - 可見(jiàn)，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)?？梢?jiàn)，輸出電壓正比于

17、輸入電壓的指數(shù)。2.6 乘法和除法電路乘法和除法電路對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路求求和和電電路路指數(shù)電路指數(shù)電路uI1uI2lnuI1lnuI2lnuI1 +lnuI2uo=uI1uI2對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路減減法法電電路路指數(shù)電路指數(shù)電路uI1uI2lnuI1lnuI2lnuI1 lnuI221IIouuu I2I1 O=uuKu平方運(yùn)算電路平方運(yùn)算電路2O=IuKu除法運(yùn)算電路除法運(yùn)算電路虛短虛短 u+=u-=0虛斷虛斷 i+=i-=0i1=i2222O111RuKuRuRuoII-I2I112OuuKRRu-2.7有源濾波器有源濾波器2.7.1濾波電路的作用和分類濾波電路的

18、作用和分類作用：選頻。作用：選頻。分類：分類： 低通濾波器、低通濾波器、f0fuAlg20O通通阻阻fuAlg20f0O通通阻阻f1fuAlg20O通通通通 阻阻f2fuAlg20O通通阻阻阻阻f1f2高通濾波器、高通濾波器、 帶通濾波器帶通濾波器和帶阻濾波器。和帶阻濾波器。2.7.2低通濾波器低通濾波器( (LPF) )無(wú)源低通濾波器：無(wú)源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為電壓放大倍數(shù)為0ioj11ffUUAu RCf 210通帶截止頻率通帶截止頻率由對(duì)數(shù)幅頻特性知，具有由對(duì)數(shù)幅頻特性知，具有“低通低通”的特性。的特性。電路缺點(diǎn)：電路缺點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)低，只有電壓放大倍數(shù)低，只有，且?guī)ж?fù)載能力差。，

19、且?guī)ж?fù)載能力差。解決辦法解決辦法：利用集成運(yùn)放與：利用集成運(yùn)放與 RC 電路組成有源濾波器。電路組成有源濾波器。一階低通有源濾波器：一階低通有源濾波器：0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)1Fp1RRAu 通帶電壓放大倍數(shù)通帶電壓放大倍數(shù)可見(jiàn)：一階低通有源濾波器與無(wú)源低通濾波器的可見(jiàn)：一階低通有源濾波器與無(wú)源低通濾波器的通帶截通帶截止頻率相同止頻率相同；但；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高通帶電壓放大倍數(shù)得到提高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：一階低通有源濾波器在一階低通有源濾波器在 f f f f 0 0 時(shí)，濾波特性時(shí)，濾波特性不理想。對(duì)數(shù)幅頻特性下降速度為不理想。對(duì)數(shù)幅頻特

20、性下降速度為 - -20 dB / 十倍頻。十倍頻。 解決辦法解決辦法：采用二階低通有源濾波器。：采用二階低通有源濾波器。2.7.2低通濾波器低通濾波器( (LPF) )0.1dB/plg20AuAu-40-20-00ff11020dB/十倍頻十倍頻40dB/十倍頻十倍頻一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：理想特性理想特性2.7.2低通濾波器低通濾波器( (LPF) )2.8電壓比較器電壓比較器電壓比較器將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)電壓比較器將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。行比較，輸出只

21、有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。狀態(tài)或引入正反饋。分類：過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限分類：過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。比較器。2.8.1過(guò)零比較器過(guò)零比較器簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器由于理想運(yùn)放的開環(huán)差模增由于理想運(yùn)放的開環(huán)差模增益為無(wú)窮大，所以益為無(wú)窮大，所以當(dāng)當(dāng) uI 0 時(shí)，時(shí)，uO = - - UOPP ；過(guò)零比較器的傳輸特性為：過(guò)零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOpp- -UOppOUOPP 為集成運(yùn)放的最大輸為集成運(yùn)放的最大輸出電壓

22、。出電壓。閾值電壓閾值電壓：當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱恚寒?dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。一種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向擊設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的的穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為穩(wěn)定電壓為 UZ UOppuIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ當(dāng)當(dāng) uI 0 時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管被時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，反向擊穿，uO = - - UZ ；8.2.1過(guò)零比較器過(guò)零比較器2.8.2單限比較器單限比較器單限比較器有一個(gè)門限電單限比較器有一個(gè)門限電平，

23、當(dāng)輸入電壓等于此門限平，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。發(fā)生跳變。REF21TURRuUI-當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓 uI 變化，使反相輸變化，使反相輸入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR- -過(guò)零比較器是門限電平為零的過(guò)零比較器是門限電平為零的單限比較器。單限比較器。單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。一給定電平。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：抗干擾能力差。：抗干擾能

24、力差。解決辦法解決辦法：采用具有滯回：采用具有滯回傳輸特性的比較器。傳輸特性的比較器。2.8.2單限比較器單限比較器2.8.3滯回比較器滯回比較器UREF 為參考電壓；輸為參考電壓；輸出電壓出電壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ；uI 為輸入電壓。為輸入電壓。當(dāng)當(dāng) u+ = u- - 時(shí)，輸出電壓的時(shí)，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。狀態(tài)發(fā)生跳變。OF22REFF2FuRRRURRRu 比較器有兩個(gè)不同的門限電平，比較器有兩個(gè)不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +若若 uO= - - UZ ，當(dāng)當(dāng) uI 逐漸減小時(shí)，使逐漸減小時(shí)，使 uO 由由 - -UZ 跳變跳變?yōu)闉?UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT-