第四章集成運(yùn)算放大器差分輸入級(jí)中間放大級(jí)輸出級(jí)ui+_u0

集成運(yùn)放的型號(hào)和種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但它們的基本組成部分相同，如下圖所示：運(yùn)放的輸入級(jí)。利用差分電路的對(duì)稱特性可提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能。中間級(jí)的主要作用是提高電壓增益。一般由多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)常用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。

集成運(yùn)放內(nèi)部主要有上述三個(gè)部分，其外部還常接有偏置電路，以便向各級(jí)提供合適的工作電流。4.1.1集成運(yùn)算放大器組成μA741集成運(yùn)放的8個(gè)管腳排列圖如下：μA74112438765調(diào)零端反相輸入端同相輸入端負(fù)電源端調(diào)零端輸出端正電源端空腳4.1.2μA741集成運(yùn)放反相輸入端μA741集成運(yùn)放圖形符號(hào)∞＋＋－U0U+U-μA741集成運(yùn)放外部接線圖同相輸入端－12V＋12V輸出端子調(diào)零電位器管腳1和5分別與調(diào)零電位器的兩個(gè)固定端相連調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳4相連∞＋－6513724＋(1)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0

其數(shù)值很高，一般約為104~107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U＋和U－之間的關(guān)系。(2)差模輸入電阻ri運(yùn)放的差動(dòng)輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。(3)閉環(huán)輸出電阻r0

由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。

指運(yùn)放兩個(gè)輸入端能承受的最大共模信號(hào)電壓。超出這個(gè)電壓時(shí)，運(yùn)放的輸入級(jí)將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。(4)最大共模輸入電壓Uicmax4.1.3.集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)

為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，同時(shí)又能滿足實(shí)際工程的需要，常把集成運(yùn)放理想化，集成運(yùn)放的理想化參數(shù)為：①開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0=∞②差模輸入電阻ri=∞③輸出電阻r0=0④共模抑制比KCMR=∞4.1.4.理想集成運(yùn)放及其傳輸特性集成運(yùn)放的電壓傳輸特性理想特性＋U0Mui(mV)0u0(V)線性區(qū)實(shí)際特性－U0M集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系飽和區(qū)

可以看出，當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)(+U0M~－U0M)時(shí)，其實(shí)際特性與理想特性非常接近；由于集成運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)相當(dāng)高，即使輸入電壓很小，也足以讓運(yùn)放工作在飽和狀態(tài)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)由因Au0=∞，所以可導(dǎo)出運(yùn)放工作在線性區(qū)差模輸入電壓等于零，說(shuō)明，即理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電位相等。

兩點(diǎn)等電位相當(dāng)于短路。理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并沒(méi)有真正短接，但卻具有短接的現(xiàn)象稱為“虛短”。

又由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻ri=∞，所以i+=i-=0這種現(xiàn)象稱為“虛斷”?！疤摱獭焙汀疤摂唷笔沁\(yùn)放工作在線性區(qū)的兩個(gè)重要結(jié)論。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)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，uo

=–

Uo

(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性u(píng)o

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)飽和區(qū)O

集成運(yùn)放的應(yīng)用分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。1.集成運(yùn)放的線性應(yīng)用負(fù)號(hào)說(shuō)明輸入輸出反相由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”由圖可知所以u(píng)+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u－=u+=0整理后可得輸出與輸入的比例值4.2集成運(yùn)放的應(yīng)用(1)反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路中，R2是平衡電阻，其值應(yīng)選擇符合(2)同相比例運(yùn)算電路由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=ui由圖可知所以u(píng)+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u－=u+=ui整理后可得輸出與輸入的比例值

顯然同相比例運(yùn)算電路的輸出必然大于輸入。為提高電路的對(duì)稱性，與反相比例運(yùn)算電路相同，R2=R1//RF電壓跟隨器uo

+)ＲfＲ12=－(ＲfＲ11ui1ui2▲若R11=R12=R1，則：uo=－ＲfＲ1(ui1+ui2)▲若R11=R12=Rf

，則：uo=－(ui1+ui2)▲平衡電阻:

R2=R11//

R12//Rf返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)uo∞－++△R12RfR2R11ui1ui2加法運(yùn)算電路(3)加法運(yùn)算電路

同相加法運(yùn)算電路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–動(dòng)畫(huà)(4)減法運(yùn)算電路R3uo∞－++△R1RfR2ui1ui2返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)減法運(yùn)算電路RfR1)u0=(1+R3R2+R3ui2－ui1ＲfＲ1▲平衡電阻:

R2//

R3=R1//Rf

［例1］兩級(jí)運(yùn)算電路如圖所示。試推導(dǎo)uo

與ui1、ui2、ui3的運(yùn)算關(guān)系；(2)若:R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=

R6=Rf2=10kΩ，

ui1=0.1V，ui2=0.2V，ui3=0.3V，求uo

的值。uo′∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3+

uo

－［解］(1)uo′=－(Ｒf1Ｒ1ui1+Ｒf1Ｒ2ui2)第一級(jí)運(yùn)算為加法運(yùn)算：返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)

例1的電路uo=Rf2R4)(1+R6R5+R6ui3=－uo′Ｒf2Ｒ4Rf2R4)(1+R6R5+R6ui3Ｒf1Ｒ1ui1+Ｒf1Ｒ2ui2)+Ｒf2Ｒ4((2)uo=ui3+ui2+ui1=(0.3+0.2+0.1)V=0.6V∞－++△R2Rf1R3R1ui1ui2R6∞－++△R4Rf2R5ui3+

uo

－uo′返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)

例1的電路例2：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。解：電路由第一級(jí)的反相器和第二級(jí)的加法運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)而成。例3：求圖示電路中uo與ui的關(guān)系。(5)微分運(yùn)算電路+uC－u－=u+=0(虛短)uC

=uiif=i1i1=CduCdtif=－uoRfuo

=－Rf

Cduidt▲平衡電阻:

R2=Rf0uit0uot(b)波形返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)圖10.5.8微分運(yùn)算電路及其階躍響應(yīng)波形(a)電路Ui=Cduidt微分時(shí)間常數(shù)uo∞－++△CuiRfu－u+R2i1if

［例4］已知輸入ui

的波形如圖所示，試畫(huà)出輸出uo

的波形。設(shè)5Rf

C＜tp

。［解］uo

=－Rf

Cduidttui0+Uitptuo0t1t2uo∞－++△CuiRfR2返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)(6)積分運(yùn)算uo∞－++△CuiR1u－u+R2i1if+uC－u－

=u+=0uC

=u－－uo

=－uoif=i1

i1=uiR1if=CduCdt

=－Cduodtuo

=－∫ui

dt1R1C積分時(shí)間常數(shù)▲平衡電阻:0uit0uot－Ui

t1R1C－UOMR2=R1返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)(b)波形圖10.5.8積分運(yùn)算電路及其階躍響應(yīng)波形(a)電路Ui例5輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0i1∞＋＋－uiR1URR2u0單門限電壓比較器

單門限電壓比較器只有一個(gè)門限電平，當(dāng)輸入電壓達(dá)到此門限值時(shí)，輸出狀態(tài)立即發(fā)生跳變。

電壓比較器廣泛應(yīng)用于模/數(shù)接口、電平檢測(cè)及波形變換等領(lǐng)域中。uiu00＋U0M－U0MUR

門限電平值4.2.3集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電壓傳輸特性–Uo(sat)+Uo(sat)運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

時(shí)，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR時(shí)，uo

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo

=–

Uo

(sat)可見(jiàn)，在ui

=UR處輸出電壓uo

發(fā)生躍變。參考電壓動(dòng)畫(huà)電壓比較器應(yīng)用實(shí)例

利用電壓比較器可以把正弦波變換成方波。UR=0∞＋＋－uiu0

由于門限電壓等于0，因此為過(guò)零電壓比較器。ui0tu00t＋UCM－UCM

輸入電壓只要到達(dá)門限電壓值，輸出電壓即可發(fā)生跳變。過(guò)零電壓比較器滯回比較器

滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，傳輸過(guò)程中：當(dāng)輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時(shí)，兩種情況下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”曲線的形狀。電路及曲線圖如下所示：UB∞＋＋－uiR1R4u0R3R2DZ－UOM+U0MUB1UB2當(dāng)ui等于或大于UB1時(shí)abcdefu0ui0

門限電平值當(dāng)ui小等于或小于UB2時(shí)

滯回比較器可