Chapter7集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用2主要內(nèi)容集成運(yùn)算放大器放大電路中的負(fù)反饋集成運(yùn)算放大器的線(xiàn)性應(yīng)用正弦波振蕩器集成運(yùn)算放大器的非線(xiàn)性應(yīng)用3

集成電路是60年代初期發(fā)展起來(lái)的。

采用半導(dǎo)體制造工藝，在一小塊硅的單晶片上制作具有特定功能的電子線(xiàn)路。集成電路分為：模擬集成電路與數(shù)字集成電路。

在模擬集成電路中，運(yùn)算放大器（早期用于模擬計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算）發(fā)展最早，應(yīng)用最廣泛。

隨著集成技術(shù)與集成工藝的迅速發(fā)展，其他類(lèi)型的模擬集成電路也取得了非常大的進(jìn)展，如混頻器、調(diào)制器、寬帶放大器、高頻放大器、功率放大器、電壓比較器、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器等。4§7.1集成運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器。它是模擬集成電路最重要的一種類(lèi)型，廣泛應(yīng)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。

運(yùn)算放大器的組成運(yùn)算放大器的符號(hào)與主要參數(shù)理想運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器分類(lèi)（了解）5一、集成運(yùn)算放大器組成中間級(jí)輸入級(jí)偏置電路輸出級(jí)ui+ui集成運(yùn)算放大器是一個(gè)高增益直接耦合放大電路。采用具有兩個(gè)輸入端子的差動(dòng)放大電路提供增益，通常是共射組態(tài)的放大電路由有較強(qiáng)帶負(fù)載能力的互補(bǔ)推挽電路組成多數(shù)由恒流源電路組成61.零點(diǎn)漂移問(wèn)題零點(diǎn)：輸入信號(hào)為零時(shí)的輸出電壓(不一定為零)

零點(diǎn)漂移：對(duì)于實(shí)際放大器，當(dāng)放大電路沒(méi)有外加信號(hào)時(shí)，輸出端有緩慢變化的電壓輸出。（1）產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因：主要是溫度對(duì)三極管的影響，因而也叫溫漂。（2）零點(diǎn)漂移的危害：漂移電壓無(wú)法與正常要放大信號(hào)區(qū)別，使放大電路無(wú)法正常工作。（3）解決方法：輸入級(jí)一般采用高性能的差動(dòng)放大電路，來(lái)克服溫度帶來(lái)的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。72.差動(dòng)放大電路抑制零點(diǎn)漂移的原理靜態(tài)時(shí)：ui1=ui2=0，電路兩邊是完全對(duì)稱(chēng)的。IC1=I

C2=I

CU

O1=U

O2=U

C=V

CC―I

C·R

C

UO=U

O1－U

O2=0當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)ΔIC1=ΔIC2，ΔU

O1=ΔU

O2，輸出電壓的漂移ΔUo=ΔU

O1-ΔU

O2=0，從而抑制了零點(diǎn)漂移。

8二、集成運(yùn)算放大器的符號(hào)與主要參數(shù)uou–u++–+Auo1.運(yùn)算放大器的符號(hào)信號(hào)傳輸方向?qū)嶋H運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)輸出端同相輸入端反相輸入端簡(jiǎn)易畫(huà)法同相端輸入信號(hào)，輸出與輸入信號(hào)同相；反相端輸入信號(hào)，輸出與輸入信號(hào)反相。92.運(yùn)算放大器的主要參數(shù)uou–u++–+Auo（1）差模電壓放大倍數(shù)Ad，即Auo就是無(wú)外加反饋時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。Auo越大，電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。一般為104～107。（2）共模電壓放大倍數(shù)Ac

反映集成運(yùn)放抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運(yùn)放Ac應(yīng)接近于零。差模信號(hào)共模信號(hào)10（4）差模輸入電阻rid差模信號(hào)作用下集成運(yùn)放的輸入電阻。一般比較大。uou–u++–+Auo（3）共模抑制比KCMR。綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于80dB。11（1）通用型性能指標(biāo)適合一般性使用，其特點(diǎn)是電源電壓適應(yīng)范圍廣，允許有較大的輸入電壓等，如CF741等。（2）低功耗型靜態(tài)功耗≤2mW，如XF253等。（3）高精度型失調(diào)電壓溫度系數(shù)在1μV／℃左右，能保證組成的電路對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，如CF75、CF7650等。（4）高阻型輸入電阻可達(dá)1012Ω，如F55系列等。還有寬帶型、高壓型等等。3.運(yùn)算放大器的分類(lèi)（了解）12三、集成運(yùn)放的電壓傳輸特性、理想模型和分析依據(jù)1.

電壓傳輸特性實(shí)際運(yùn)放電壓傳輸特性u(píng)oOUO(sat)–UO(sat)Uim–Uim線(xiàn)性區(qū)正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)

若Auo=106±UO(sat)=±15V則±UIM=±0.015mV很小運(yùn)放要工作在線(xiàn)性區(qū)必須有負(fù)反饋uou–u++–+Auo132.

理想運(yùn)放模型1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)

2）開(kāi)環(huán)差模輸入電阻3）開(kāi)環(huán)輸出電阻4）共模抑制比在分析運(yùn)算放大器的電路時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般將它看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件：uou–u++–+電路符號(hào)電壓傳輸特性u(píng)oOUO(sat)–UO(sat)143.

分析運(yùn)放電路的依據(jù)運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的依據(jù)

相當(dāng)于兩輸入端之間短路，但又未真正短路，故稱(chēng)

“虛短”

。

相當(dāng)于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱(chēng)“虛斷”。2）i+＝i–01）u+u–

且uo為有限值，∴

u+u–uou–u++–+∴

i+＝i–015uoOUO(sat)–UO(sat)不再成立非線(xiàn)性區(qū)

非線(xiàn)性區(qū)

所以當(dāng)依然成立運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的依據(jù)當(dāng)時(shí)，Uo發(fā)生躍變uou–u++–+時(shí)，2）i+＝i–01）u+u–當(dāng)16§7.2放大電路中的負(fù)反饋一、反饋的基本概念

將放大電路輸出信號(hào)（電壓或電流）的一部分或全部通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)回送到輸入端，并參與對(duì)信號(hào)放大的控制過(guò)程稱(chēng)反饋。A無(wú)反饋放大電路方框圖1.

反饋的定義17有反饋放大電路的方框圖

—

輸入信號(hào)

—

凈輸入信號(hào)—

反饋信號(hào)—

輸出信號(hào)若三者同相，電路為負(fù)反饋。則F+–A反饋電路基本放大電路比較環(huán)節(jié)若電路為正反饋。判別方法：瞬時(shí)極性法18①用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。

凈輸入信號(hào)為負(fù)反饋

凈輸入信號(hào)為負(fù)反饋用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。iiifid19反饋量取自輸出電壓為電壓反饋，取自輸出電流為電流反饋；反饋量以電流形式與輸入信號(hào)比較為并聯(lián)反饋；反饋量以電壓形式與輸入信號(hào)比較為串聯(lián)反饋。在輸入端電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。2.

反饋的類(lèi)型F+–A在輸出端

根據(jù)反饋電路與基本放大電路在輸入、輸出端的連接方式不同，負(fù)反饋有以下四種類(lèi)型。20輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在不同的輸入端，為串聯(lián)反饋。在輸入端的判斷方法如下：iiifid②輸入信號(hào)和反饋信號(hào)均加在同一端，為并聯(lián)反饋。21在輸出端判斷方法如下：

(輸出短路法):若輸出端負(fù)載短路,反饋信號(hào)為零，此反饋為電壓反饋；若反饋信號(hào)不為零，則為電流反饋。簡(jiǎn)易判別法:反饋信號(hào)直接從輸出端引出,為電壓反饋；從負(fù)載電阻RL靠近“地”端引出，是電流反饋。電壓電壓電流電流iOiO22二、負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)1.電壓串聯(lián)負(fù)反饋用電位的瞬時(shí)極性法判別反饋的正、負(fù)。

凈輸入信號(hào)為負(fù)反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。

uf與ui在輸入端以電壓形式作串聯(lián)比較，故為串聯(lián)反饋。

反饋組態(tài)判別232.電壓并聯(lián)負(fù)反饋

用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。

凈輸入信號(hào)為負(fù)反饋反饋信號(hào)取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反饋。

if與ii在輸入端以電流形式作并聯(lián)比較，故為并聯(lián)反饋。

反饋組態(tài)判別243.電流串聯(lián)負(fù)反饋

用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。

凈輸入信號(hào)為負(fù)反饋反饋信號(hào)取自輸出電流，并與之成正比，故為電流反饋。

uf與ui在輸入端以電壓形式作串聯(lián)比較，故為串聯(lián)反饋。

反饋組態(tài)判別254.電流并聯(lián)負(fù)反饋

用電位的瞬時(shí)極性判別反饋的正、負(fù)。

凈輸入信號(hào)為負(fù)反饋反饋信號(hào)取自輸出電流，并與之成正比，故為電流反饋。

if與ii在輸入端以電流形式作并聯(lián)比較，故為并聯(lián)反饋。

反饋組態(tài)判別26電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋27例6.1指出反饋環(huán)節(jié)與反饋類(lèi)型。解:(了解)反饋環(huán)節(jié)：Rf電流并聯(lián)負(fù)反饋28反饋環(huán)節(jié)：A2和R3電壓并聯(lián)負(fù)反饋29三、負(fù)反饋對(duì)放大電路工作的影響1.提高放大電路的穩(wěn)定性

開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)反饋系數(shù)引入負(fù)反饋后凈輸入信號(hào)引入負(fù)反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)當(dāng)A趨于無(wú)窮時(shí)

可見(jiàn)，引入負(fù)反饋后，放大倍數(shù)降低了，而放大倍數(shù)的穩(wěn)定性卻提高了。F+–A深度負(fù)反饋30負(fù)反饋改善了波形失真2.改善非線(xiàn)性失真加入負(fù)反饋無(wú)負(fù)反饋Auuiuo大小uf略大略小ufuduouiF+–Au略小略大ud接近正弦波采用電壓負(fù)反饋則穩(wěn)定輸出電壓，采用電流負(fù)反饋則穩(wěn)定輸出電流。313.對(duì)放大電路輸入電阻和輸出電阻的影響（1）對(duì)輸入電阻的影響（a）串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻（b）并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻32（2）對(duì)輸出電阻的影響（a）電壓負(fù)反饋減小輸出電阻（b）電流負(fù)反饋增大輸出電阻33思考題：為了分別實(shí)現(xiàn)：

(a)穩(wěn)定輸出電壓；(b)穩(wěn)定輸出電流；

(c)提高輸入電阻；(d)降低輸出電阻。應(yīng)引入哪種類(lèi)型的負(fù)反饋？答：

(a)電壓負(fù)反饋；

(b)電流負(fù)反饋；

(c)串聯(lián)負(fù)反饋；

(d)電壓負(fù)反饋。P184思考與練習(xí)6.2.334§7.3集成運(yùn)算放大器的線(xiàn)性應(yīng)用6.3.1比例運(yùn)算電路6.3.2加法運(yùn)算6.3.3減法運(yùn)算6.3.4積分運(yùn)算6.3.5微分運(yùn)算35一、比例運(yùn)算電路ifii1.反向比例由運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的依據(jù)可列出由此得出閉環(huán)電壓放大倍數(shù)平衡電阻則虛短虛斷稱(chēng)為反相器虛地362.同相比例可列出由此得出閉環(huán)電壓放大倍數(shù)若則或由運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的依據(jù)ifi1稱(chēng)為電壓跟隨器37二、加法運(yùn)算由上列各式可得當(dāng)時(shí)，則上式為平衡電阻ifii1ii238三、減法運(yùn)算由疊加定理ui1單獨(dú)作用ui2單獨(dú)作用39當(dāng)時(shí)，平衡電阻和則上式為當(dāng)時(shí)，則得

可見(jiàn)，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。ifii40例6.2求圖示電路的輸出電壓及反饋電阻的最佳值？（圖中，R1=R2=R）

解：41例6.3試用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)以下計(jì)算關(guān)系：可利用2級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)上式。1）將ui1與ui2通過(guò)A1反相求和，得uo1=（0.2ui1+1.3ui2）2）將A1的輸出uo1與ui3通過(guò)A2反相求和，得uo=（

uo1+10ui3）=0.2ui1+1.3ui210ui3uo=0.2ui1

+

1.3ui2

10ui3解：42uo1=（0.2ui1+1.3ui2）uo=（

uo1+10ui3）若選Rf1=20kΩ，則若選Rf2=100kΩ，則并由此得43例6.4結(jié)論：（1）可作為恒流源電路使用（2）當(dāng)想要獲得高電壓放大倍數(shù)時(shí)，可增大Rf。圖示電路中，Rf>>R，求uR、

iO及uO？解：ifii∵Rf>>R44四、積分運(yùn)算

用電容代替反相比例運(yùn)算電路中的RF，即為積分運(yùn)算電路。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。R1C

稱(chēng)為積分時(shí)間常數(shù)。uC+–ifii45當(dāng)ui為階躍電壓時(shí)，則uo隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)，uootuiot最后達(dá)到負(fù)飽和值。積分飽和Ui46uC+–五、微分運(yùn)算故即輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的一次微分成正比。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。ifii47Uituootuio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。487.5正弦波振蕩器

正弦波振蕩電路用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號(hào)。它的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。常用的正弦波振蕩器LC振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC振蕩電路:輸出功率小、頻率低。

應(yīng)用：無(wú)線(xiàn)電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號(hào)發(fā)生器、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)等。491Su7.5.1自激振蕩定義：放大電路在無(wú)輸入信號(hào)的情況下，就能輸出一定頻率和幅值的交流信號(hào)的現(xiàn)象。開(kāi)關(guān)合在“1”為

無(wú)反饋放大電路21Su開(kāi)關(guān)合在“2”為

有反饋放大電路

開(kāi)關(guān)合在“2”時(shí),反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。去掉ui仍有穩(wěn)定的輸出電壓uo。自激振蕩狀態(tài)2501、自激振蕩的條件自激振蕩的條件21Su51(1)幅度條件：(2)相位條件：n是整數(shù)自激振蕩的條件522、起振及穩(wěn)幅振蕩的過(guò)程設(shè)：Uo

是振蕩電路輸出電壓的幅度，

B是要求達(dá)到的輸出電壓幅度。起振時(shí)Uo

0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo

=BSu53起振過(guò)程中Uo

<B，要求AuF

>

1，穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo

=B，要求AuF

=

1，

從AuF

>

1到AuF

=

1，就是自激振蕩建立的過(guò)程?？墒馆敵鲭妷旱姆炔粩嘣龃?。使輸出電壓的幅度得以穩(wěn)定。起始信號(hào)的產(chǎn)生：在電源接通時(shí)，會(huì)在電路中激起一個(gè)微小的擾動(dòng)信號(hào)，它是個(gè)非正弦信號(hào)，含有一系列頻率不同的正弦分量。通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻。Su543、正弦波振蕩電路的組成(1)放大電路:

放大信號(hào)。(2)反饋網(wǎng)絡(luò):

必須是正反饋，反饋信號(hào)即是

放大電路的輸入信號(hào)。(3)選頻網(wǎng)絡(luò):

保證輸出為單一頻率的正弦波。(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié):

使電路能從AuF

>1，過(guò)渡到AuF

=1，從而達(dá)到穩(wěn)幅振蕩。557.5.2RC正弦波振蕩器RC選頻網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)同相比例電路放大信號(hào)正反饋信號(hào)uf是uo的一部分，用uf作為輸入信號(hào)選出單一頻率的信號(hào)進(jìn)行放大1.電路結(jié)構(gòu)uf–+R++∞R2R1C

RC–uO

–+56式中

：R++∞R2R1CRC–uO

–+uf–+根據(jù)相位條件：又放大電路是同相放大器:（*式）將代入*式得57R++∞R2R1CRC–uO

–+RC橋式振蕩器的振蕩頻率為為了滿(mǎn)足自激振蕩的起振幅度條件起振條件穩(wěn)定振蕩58帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路實(shí)例1

熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線(xiàn)性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。

在起振時(shí)，由于uO很小，流過(guò)RF的電流也很小，于是發(fā)熱少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強(qiáng)，uO增大，流過(guò)RF

的電流也增大，RF受熱而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1時(shí)，穩(wěn)定于A(yíng)uF=1，

振蕩穩(wěn)定。半導(dǎo)體熱敏電阻R++∞RFR1CRC–uO

–+59半導(dǎo)體熱敏電阻

穩(wěn)幅過(guò)程：

思考：

若熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，應(yīng)接在何處？uotRFAuR++∞RFR1CRC–uO

–+60帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路實(shí)例2IDUD振蕩幅度較小時(shí)正向電阻大振蕩幅度較大時(shí)正向電阻小

利用二極管的正向伏安特性的非線(xiàn)性自動(dòng)穩(wěn)幅。R++∞RF2R1CRC–uO

–+D1D2RF1穩(wěn)幅環(huán)節(jié)61

圖示電路中，RF分為兩部分。在RF1上正反并聯(lián)兩個(gè)二極管，它們?cè)谳敵鲭妷簎O的正負(fù)半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初，由于uo幅值很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開(kāi)路此時(shí)，RF>2R1。而后，隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定。R++∞RF2R1CRC–uO

–+D1D2RF162§7.6集成運(yùn)算放大器的非線(xiàn)性應(yīng)用

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)輸出產(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。

——電壓比較器

集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器時(shí)，多處于開(kāi)環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線(xiàn)性區(qū)。637.6.1單門(mén)限電壓比較器

單門(mén)限比較器只有一個(gè)門(mén)限電壓，當(dāng)輸入電壓越過(guò)該門(mén)限電壓時(shí)，輸出電壓發(fā)生跳變。1、過(guò)零比較器1）工作原理當(dāng)ui≤0時(shí)，uo=+Uom；當(dāng)ui≥0時(shí)，uo=Uom；運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作。ui與u+相比較。波形變換642）門(mén)限電壓

當(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)時(shí)相對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱(chēng)門(mén)限電壓UT。門(mén)限電壓