1、1,第17章 運(yùn)算放大器,2,第17章 運(yùn)算放大器,3. 運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn) 4. 信號(hào)的運(yùn)算電路 5. 有源濾波器,2.集成運(yùn)放的基本特性,1.集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),3,集成電路: 將整個(gè)電路的各個(gè)元件做在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上。,集成電路的優(yōu)點(diǎn)：,工作穩(wěn)定、使用方便、體積小、重量輕、功耗小。,集成電路的分類(lèi)：,模擬集成電路、數(shù)字集成電路；,小、中、大、超大規(guī)模集成電路；, ,集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),4,集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：,1. 電路元件制作在一個(gè)芯片上，元件參數(shù)偏差方向一致，溫度均一性好。,2. 電阻元件由硅半導(dǎo)體構(gòu)成，范圍在幾十到20千歐，精度低。高阻值電阻用三極管有源元件

2、代替或外接。,3. 幾十 pF 以下的小電容用PN結(jié)的結(jié)電容構(gòu)成、大電容要外接。,4. 二極管一般用三極管的發(fā)射結(jié)構(gòu)成。,5,一、集成運(yùn)放的典型結(jié)構(gòu),集成運(yùn)放的典型電路通常有三級(jí)放大電路組成,6,輸入級(jí)：差分放大（差動(dòng)放大器）電路,該級(jí)要求有低溫漂，高共模抑制比和高輸入電阻特性。,7,中間放大級(jí)：主要進(jìn)行電壓放大，要求它的電壓放大倍數(shù)高，一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。,8,輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式射極跟隨器結(jié)構(gòu),輸出級(jí)要求能驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，有一定的輸出電流和輸出電壓，因此，對(duì)該級(jí)要求其輸出電阻低。,9,二、集成運(yùn)放的主要特點(diǎn),2應(yīng)用集成運(yùn)算放大器時(shí)，需要知道幾個(gè)管腳的用途以及放大器的主要參數(shù)。,1在

3、理想條件下，集成運(yùn)算放大器可以看成一個(gè)電壓控制電壓源來(lái)等效（VCVS）。,10,運(yùn)算放大器外形圖,11,運(yùn)算放大器外形圖,12,-UEE,+UCC,u+,uo,u,反相 輸入端,同相 輸入端,原理框圖：,輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí),與uo反相,與uo同相,13,對(duì)輸入級(jí)的要求：盡量減小零點(diǎn)漂移,盡量提高 KCMRR , 輸入阻抗 ri 盡可能大。,對(duì)中間級(jí)的要求：足夠大的電壓放大倍數(shù)。,對(duì)輸出級(jí)的要求：主要提高帶負(fù)載能力，給出足夠的輸出電流io 。即輸出阻抗 ro小。,（1）采用四級(jí)以上的多級(jí)放大器，輸入級(jí)和第二級(jí)一般采用差動(dòng)放大器。 （2）輸入級(jí)常采用復(fù)合三極管或場(chǎng)效應(yīng)管，以減小輸入電流，增加輸

4、入電阻。 （3）輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式射極跟隨器，以進(jìn)行功率放大，提高帶負(fù)載的能力。,14,IC =IC1+ IC2 = 1 IB + 2(1+ 1 ) IB = 1 + 2(1+ 1 ) IB,為減小IB， 提高輸入電阻，T1、T2采用復(fù)合三極管, = IC / IB = 1 + 2(1+ 1 ) 1 2,15,第4級(jí)：互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)射極跟隨器,第3級(jí)：?jiǎn)喂芊糯笃?+,集成運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)（舉例）,極 性 判 斷,16,ri 大: 幾十k 幾百 k,1. 運(yùn)放的特點(diǎn)：,KCMRR 很大,ro ?。簬资?幾百,A uo 很大: 104 107,2. 運(yùn)放符號(hào)：,國(guó)際符號(hào),國(guó)內(nèi)符號(hào),集成運(yùn)放的基本特性,17

5、,一、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod,無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105 107之間。理想運(yùn)放的Aod為。,二、共模抑制比KCMMR,常用分貝作單位，一般100dB以上。,三、差模輸入電阻rid,ri1M, 有的可達(dá)100M以上。,四、輸出電阻ro,ro =幾-幾十。,3. 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo),18,五、最大共模輸入電壓UIcmax,六、最大差模輸入電壓UIdmax,七、-3dB帶寬fH,運(yùn)放是直流放大器， 也可放大低頻信號(hào)，不適用于高頻信號(hào)。,還有其他一些參數(shù)。不再一一介紹。,關(guān)于集成運(yùn)放的應(yīng)用下面分三個(gè)章節(jié)介紹。其中運(yùn)放都是作為理想運(yùn)放來(lái)處理。,19,Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，

6、必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。,例：若Ec=12V，Ao=106， 則|ui|12V時(shí)，運(yùn)放 處于線性區(qū)。,線性放大區(qū),運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn),20,21,由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱(chēng)其所謂的理想運(yùn)放。,理想運(yùn)放的條件,輸出電壓恒定，放大倍數(shù)與負(fù)載變化無(wú)關(guān)。帶負(fù)載能力極強(qiáng)。,運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),一、在分析信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)對(duì)運(yùn)放的處理,22,二、分析運(yùn)放組成的線性電路的基本原則,虛短路 虛斷路 放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。,23,1. 比例運(yùn)算電路,作用：將信號(hào)按比例放大。,類(lèi)型：同相比例放大和反相比例放大。,電路結(jié)構(gòu)：引入深度并聯(lián)

7、電壓負(fù)反饋或串聯(lián)電壓負(fù)反饋。這樣放大倍數(shù)與運(yùn)放本身無(wú)關(guān)，只與反饋系數(shù)即外部元件有關(guān)。,信號(hào)的運(yùn)算電路,24,i1= i2,1. 放大倍數(shù),虛短路,虛斷路,一、反相比例運(yùn)算電路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。,并聯(lián)電壓負(fù)反饋,25,1. 放大倍數(shù),一、反相比例運(yùn)算電路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。,并聯(lián)電壓負(fù)反饋,可以認(rèn)為:uo與ui間的關(guān)系只取決于R2與R1的比值,而與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān).,26,例題1. R1=10k , RF=20k , ui =-1V。求:uo ，RP應(yīng)為多大？,Au=-（RF/R1）=-20/10=-2 uo= Au ui=

8、(-2)(-1)=2V RP=R1/RF=10/20=6.7 k,27,2. 電路的輸入電阻,ri=R1,RP =R1 / R2,uo,為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。,28,4. 共模電壓,輸出電阻??；共模電壓為 0；“虛地”是反相輸入的特點(diǎn)。,3. 反饋方式,并聯(lián)電壓負(fù)反饋,輸出電阻很小， 輸入電阻也不大。,29,反相比例電路的特點(diǎn)：,1. 共模輸入電壓為0，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低。,2. 由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。接近恒壓源。,3. 由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小

9、，因此從信號(hào)源取的電流較大。對(duì)信號(hào)源要求較高。,5. 在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用 。,4.輸入和輸出反相。,30,二、同相比例運(yùn)算電路,u-= u+= ui,反饋方式：串聯(lián)電壓負(fù)反饋。輸入電阻高。,虛短路,虛斷路,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。,虛斷路,31,二、同相比例運(yùn)算電路,反饋方式：串聯(lián)電壓負(fù)反饋。輸入電阻高。,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。,可以認(rèn)為:uo與ui間的關(guān)系與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān),精度和穩(wěn)定性都很高.,32,二、同相比例運(yùn)算電路,這就是電壓跟隨器,33,此電路是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元

10、件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,三、電壓跟隨器,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。,34,同相比例電路的特點(diǎn)：,3. 共模輸入電壓為ui，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。,1. 由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。,2. 由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。,4.輸入與輸出同相，放大倍數(shù)大于等于 1。,35,例題2. Rf=10k , RF=20k , ui =-1V。求:uo ，RP應(yīng)為多大？,uo= Au ui=(3)(-1)=-3V RP=Rf/RF =10/20=6.7 k,36,例題3. R

11、1=10k , R2=20k , ui 1=-1V， ui 2=1V 。求:uo,37,例題3. 若ui1=sin t V， ui 2=1V ，求:uo,uo1= ui1= sin t V,uo2= ui2(1+R2/R1)=3V,38,2. 加減運(yùn)算電路,作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和或之差按比例放大。,類(lèi)型：同相求和與反相求和。,電路結(jié)構(gòu)：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。,39,一、反相求和運(yùn)算,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,40,虛地,41,二、同相求和運(yùn)算,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端

12、的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,42,先求 u+ 與輸出關(guān)系 ，則有：,u+ 與 ui1 和 ui2 的關(guān)系如何？,流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛斷路）,疊加定理,43,左圖也是同相求和運(yùn)算電路，如何求同相輸入端的電位？,提示： 1. 虛斷路：流入同相端的電流為0。 2. 結(jié)點(diǎn)電壓法求u+。,44,解出：,三 減法運(yùn)算電路：雙端輸入差動(dòng)放大器,疊加定理,45,差動(dòng)放大器放大了兩個(gè)信號(hào)的差，可實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。,該電路的特點(diǎn)是： 由于采用雙端差動(dòng)輸入， 故具有高共模抑制比； 但是由于有并聯(lián)負(fù)反饋存在， 故它的輸入電阻不高。,46,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,多輸入信號(hào),47

13、,虛短路,虛斷路,虛斷路,由結(jié)點(diǎn)電壓式,48,例：設(shè)計(jì)一個(gè)加減運(yùn)算電路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 畫(huà)電路。,系數(shù)為負(fù)的信號(hào)從反相端輸入，系數(shù)為正的信號(hào)從同相端輸入。,49,(2) 求各電阻值。,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,用結(jié)點(diǎn)電壓法,50,優(yōu)點(diǎn)：元件少，成本低。,缺點(diǎn)：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的調(diào)整計(jì)算不方便。,單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路,改進(jìn)：采用雙運(yùn)放電路。,51,四、雙運(yùn)放的加減運(yùn)算電路,52,例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為-5V+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將

14、其變化范圍變?yōu)?+5V。,uo = 0.5ui+2.5 （ V）,實(shí)現(xiàn)此功能 的方法很多,53,uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,54,1. 它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小 。,2. 關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。,3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。,比例運(yùn)算電路與加減運(yùn)算電路小結(jié),55,3. 微分運(yùn)算電路與積分運(yùn)算電路,u= u+= 0,一、微分運(yùn)算（反相）,此電路穩(wěn)定性差,實(shí)際中很少應(yīng)用,56,二、積分運(yùn)算（反相）,由于是反相故為負(fù),RC稱(chēng)為積分時(shí)間常數(shù),57,U,積分時(shí)限,如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流

15、電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。,恒流充電，故積分效果好。 幾乎線性，不是指數(shù)充電。,58,反相積分器：如果ui =-U=-3V，畫(huà)出uo的波形圖。,設(shè)Uom=15V,U=3V, R=10k ,C=1F,59,輸入方波，輸出是三角波。,例,也可以構(gòu)作同相微分和同相積分電路，則輸出為正，輸入與輸出同相。,60,其他一些運(yùn)算電路：對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路、乘法與除法運(yùn)算電路等，由于課時(shí)的限制，不作為講授內(nèi)容。,積分電路的主要用途：,1. 在電子開(kāi)關(guān)中用于延遲。 2. 波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?3. A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r(shí)間量。 4. 移相。,61,運(yùn)算電路要求,1. 熟記各

16、種單運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。 2. 掌握簡(jiǎn)單基本運(yùn)算電路的級(jí)聯(lián)組合的計(jì)算。 3. 會(huì)用 “虛斷路(ii=0)”和“虛短路(u+=u) ”分析給定運(yùn)算電路的 放大倍數(shù)。,62,運(yùn)放的非線性應(yīng)用,1.概述 2. 電壓比較器,63,電壓比較器,64,非線性應(yīng)用：是指運(yùn)放處于非線性工作狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)。此時(shí)，輸出與輸入 uo=f( ui ) 是非線性函數(shù)關(guān)系。,運(yùn)放組成非線性電路主要 有以下兩種形式：,1。運(yùn)放處于開(kāi)環(huán),概述,65,2。運(yùn)放電路中有正反饋。,由于線性與非線性運(yùn)放電路的分析方法不同，所以分析前，必須首先確定運(yùn)放是否工作在線性區(qū)。,66,確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無(wú)負(fù)反饋。,若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)； 若無(wú)負(fù)反饋，或有正反饋，則運(yùn)放工 作在非線性區(qū)。,處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)：,1. 虛短路不成立。 2. 輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。 3. 輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。,67,一、過(guò)零比較器: (UR =0時(shí)),電壓比較器,傳輸特性曲線,Ui0則輸出為正，反之為負(fù)。,Ui 0則輸出為正，反之為負(fù)。,68,UR,當(dāng)ui UR時(shí) , u