第11章運(yùn)算放大器第11章運(yùn)算放大器11.1運(yùn)算放大器的簡單介紹11.2放大電路中的負(fù)反饋11.3運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用11.4運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用第11章運(yùn)算放大器分立電路是由各種單個(gè)元件連接起來的電子電路。集成電路特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低。集成電路分類

集成電路是把整個(gè)電路的各個(gè)元件以及相互之間的連接同時(shí)制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)不可分的整體。按集成度按導(dǎo)電類型按功能小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬第11章運(yùn)算放大器集成運(yùn)放是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。用于模擬運(yùn)算、信號(hào)處理、信號(hào)測(cè)量、波形轉(zhuǎn)換、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。本章主要討論分析運(yùn)算放大器的依據(jù)及其在信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理、波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用，并介紹放大電路中的負(fù)反饋。11.1運(yùn)算放大器的簡單介紹11.1.1集成運(yùn)放的組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸入端輸出端偏置電路輸入級(jí)—差分放大器輸出級(jí)—射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器偏置電路—由鏡像恒流源等電路組成運(yùn)算放大器的符號(hào)反相輸入端uO+–+u–u+同相輸入端信號(hào)傳輸方向輸出端+–+Auo理想運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)實(shí)際運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)11.1.2主要參數(shù)1．最大輸出電壓UOPP2．開環(huán)電壓Auo3．輸入失調(diào)電壓UIO4．輸入失調(diào)電流IIO5．輸入偏置電流IIB6．共模輸入電壓范圍UICM1.開環(huán)電壓放大倍數(shù)2.開環(huán)輸入電阻3.開環(huán)輸出電阻4.共模抑制比

由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問題大大簡化,為此,后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)

在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)線性區(qū)：uo=Auo(u+–u–)非線性區(qū)：u+>u–時(shí)，uo=+Uo(sat)u+<u–時(shí)，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––2.電壓傳輸特性u(píng)o=f(ui)+Uo(sat)

u+–u–uo–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O理想運(yùn)算放大器圖形符號(hào)3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o=Auo(u+–u–)所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性

Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。++∞uou–u+i+i––

u+–u–uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O4.理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–時(shí)，uo=+Uo(sat)

u+<u–時(shí)，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)11.2放大電路中的負(fù)反饋凡是將放大電路(或某個(gè)系統(tǒng))輸出信號(hào)的一部分或全部經(jīng)某種電路(反饋網(wǎng)絡(luò))引回到輸入端，稱為反饋。11.2.1反饋的基本概念如果反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)增加，稱為正反饋。如果反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小，稱為負(fù)反饋。無負(fù)反饋放大電路方框圖AxIxO11.2.1反饋的基本概念帶有負(fù)反饋放大電路的方框圖AxIxOFxF+–xD基本放大電路反饋電路比較環(huán)節(jié)xI—輸入信號(hào)xO—輸出信號(hào)xF

—反饋信號(hào)xD

—凈輸入信號(hào)凈輸入信號(hào)xD=xI

xF反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小，則為負(fù)反饋。反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)增大，則為正反饋。11.3運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用1．反相輸入11.3.1比例運(yùn)算由運(yùn)放工作在線性區(qū)的依據(jù)可列出由此得出閉環(huán)電壓放大倍數(shù)平衡電阻若

R1=RF則uO=uIiFR1R2uORFiIuI+–+–+–+R2=R1//RF2．同相輸入11.3.1比例運(yùn)算由運(yùn)放工作在線性區(qū)的依據(jù)可列出由此得出閉環(huán)電壓放大倍數(shù)若R1=則或RF=0ifR1R2uORFiiuI+–+–+–+[例1]

求圖中uO

的大小[解]

此圖為一電壓跟隨器。電源

+15V經(jīng)兩個(gè)

15k

的電阻分壓后，在同相輸入端得到

+7.5V的輸入電壓。故

uO

=+7.5V可見只與電源電壓和分壓電阻有關(guān)其精度和穩(wěn)定性較高，可作為基準(zhǔn)電壓15k－＋uO∞+－+15k7.5k+15V[例

2]此圖所示的兩級(jí)運(yùn)算電路中，R1=50k，RF=100k

。若輸入電壓

uI=1V，試求輸出電壓uO，并說明輸入級(jí)的作用。[解]A1

是電壓跟隨器uO1=uI=1VA2

為反相比例運(yùn)算電路∞+－+∞+－+－＋uO－＋uIA1R1uO1RFR1A2R211.3.2加法運(yùn)算由圖可列出由上列各式可得當(dāng)R11=R12=R1

時(shí)，則上式為平衡電阻R2=R11//R12//RFuOifR12R2RFii2uI2+–R11iI1uI1+–+11.3.3減法運(yùn)算如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，則為差分輸入。因?yàn)閡

u+

，故上列兩式可得由圖可列出iFR1R2uORFiIuI1+–R3+–uI2+–+–+11.3.3減法運(yùn)算當(dāng)R1=R2

，和RF=R3

時(shí)平衡電阻

R2=R11//R12//RF則上式為當(dāng)RF=R1

時(shí)，則得可見，輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓的差值成正比，故可進(jìn)行減法運(yùn)算。ifR1R2uoRFiiui1+–R3+–ui2+–+–+[例4]

如圖所示，兩級(jí)運(yùn)算電路試求

uO。[解]前級(jí)A1

是加法運(yùn)算電路uO1=

(0.20.4)V=0.2V后級(jí)A2是減法運(yùn)算電路uO=(0.60.2)V=0.8V∞+－+∞+－+－＋uOA1RuO1RRA2R3R3R3RR0.2V－0.4V－0.6V11.3.4積分運(yùn)算用電容代替反相比例運(yùn)算電路中的RF，就成為積分運(yùn)算電路。ifR1R2uORFiiuI+–+–+–+iFuC+–CF由于反相輸入，u0故上式表明輸出電壓正比于輸入電壓的積分，式中的負(fù)號(hào)表示兩者反相。R1CF

稱為積分時(shí)間常數(shù)。11.3.4積分運(yùn)算uOR1R2CFuI+–+–uC+–+–+iFiI當(dāng)uI

為階躍電壓時(shí)，則

uO隨時(shí)間線性增長，最后達(dá)到負(fù)飽和值。uOOtuIOt11.3.5微分運(yùn)算uORFR2C1uI+–+–uC+–+–+iFiI微分運(yùn)算是積分的逆運(yùn)算，將積分電路反相輸入端的電阻與反饋電容位置對(duì)調(diào)，就成為微分電路。由圖可列出故即輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的一次微分成正比。uORFR2C1uI+–+–uC+–+–+iFiI11.3.5微分運(yùn)算UituOOtuIO注意：由于此電路工作時(shí)穩(wěn)定性不高，故實(shí)際中很少應(yīng)用。當(dāng)ui

為階躍電壓時(shí)

uo

為尖脈沖電壓。11.4.2電壓比較器電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號(hào)與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時(shí)產(chǎn)生躍變，由此判別輸入信號(hào)的大小和極性。電壓比較器用于自動(dòng)控制、波形變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換及越限報(bào)警等。集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器時(shí)，多處于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。11.4運(yùn)算放大器在信號(hào)處理方面的應(yīng)用將運(yùn)放任一輸入端加上輸入信號(hào)。而另一輸入端加入?yún)⒖茧妷?，即可?gòu)成電壓比較器，如圖示。電壓傳輸特性11.4.2電壓比較器uI

為輸入電壓，UR

為參考電壓當(dāng)uI>UR

時(shí)，uO=–Uo(sat)uI

UR

時(shí)，uO=+Uo(sat)uI

=UR

時(shí)，uO

發(fā)生躍變uOR1R2uI+–+–UR+–+–+uOoUo(sat)–Uo(sat)uRuI+當(dāng)UR=0時(shí)，即輸入電壓和零電平比較，稱為過零比較器。電壓傳輸特性

11.4.2電壓比較器uOOUo(sat)–Uo(sat)uO若圖中ui

為正弦波，畫出uO

的波形。OtR1R2ui–+–UR–+–++uOOtUo(sat)–Uo(sat)uI在輸出端與地之間接一個(gè)雙向穩(wěn)壓管，即可把輸出電壓限制在某一特定值，以和接在數(shù)字電路的電平匹配。電壓傳輸特性11.4.2電壓比較器Uo(sat)–Uo(sat)UZ–UZuORR1R2+–+DZuI+–+–uO限幅電壓比較器OuI電壓傳輸特性u(píng)OOUo(sat)–Uo(sat)[例2]

電路如圖所示，ui

是一正弦電壓，畫出uO

的波形。OtUo(sat)–Uo(sat)R1R2uiuO+–+CDRLR[解]

運(yùn)放為同相輸入過零電壓比較器。uOOtOtOt–Uo(sat)Uo(sat)各電壓波形如右圖所示。11.5運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用1．自激振蕩的條件11.5.1RC正弦波振蕩電路電路中無外加輸入電壓，而在輸出端有一定頻率和幅度的信號(hào)輸出，稱這種現(xiàn)象為電路的自激振蕩。S當(dāng)S合于1時(shí)，開環(huán)電壓放大倍數(shù)則輸出電壓保持不變。反饋系數(shù)又所以自激振蕩的條件是：2F+uf-若當(dāng)S合于2時(shí)，Auduiuo1+-+-+-11.5.1RC正弦波振蕩電路(1)

相位條件：即(2)

幅度條件：即

=A+F=2n(n=0，1，2，)自激振蕩的條件：反饋電壓與輸入電壓的大小相等；幅度特性Uom=f(Ufm)反饋特性Ufm=FUomUimUom1Ufm1Uom2A自激振蕩的建立過程2．振蕩的建立和穩(wěn)定振蕩建立時(shí)應(yīng)滿足：即SAuduiuo12FUfmUomO微小的擾動(dòng)起始信號(hào)不斷通過放大反饋再放大再反饋，使Uom

不斷增大，一直到達(dá)交點(diǎn)A時(shí)，穩(wěn)定下來。振蕩穩(wěn)定不能振蕩+-+-+-+uf-(2)選頻電路同相比例運(yùn)算電路選頻電路其電壓放大倍數(shù)為(1)放大電路由集成運(yùn)放構(gòu)成的同相比例運(yùn)算電路。由RC串并聯(lián)電路組成，它也是正反饋電路。uo+–+–+RFR1u+3．RC正弦波振蕩電路ui+–CRRC·3．RC正弦波振蕩電路若要與同相，上式分母的虛部應(yīng)為零這時(shí)同相比例運(yùn)算的電壓放大倍數(shù)為可見，當(dāng)RF=2R1

時(shí)，|Au|=3|AuF|=1即uo+–+–+RFR1u+ui+–CRRC·uo3．RC正弦波振蕩電路在特定頻率

ui和uo

同相，即RC串并聯(lián)電路具有正反饋和選頻作用，ui

和uo

為正弦波。時(shí)，|AuF|=1電路將等幅振蕩；若RF<2R1，則|AuF|<1電路將不能等幅振蕩；若RF>2R1，則|Au|>3|AuF|>1電路起振后，振幅越來至飽和；所以，振蕩時(shí)應(yīng)滿足RF=2R1。起振時(shí)應(yīng)滿足|Au|>3即

RF>2R1。若RF=2R1，則|Au|=3+–+–+RFR1u+ui+