第一單元運(yùn)算放大器及其應(yīng)用梅山培訓(xùn)中心陳禮明集成電路:

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；1.1運(yùn)算放大器1.1.1運(yùn)算放大器基本結(jié)構(gòu)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。UEE+UCC

u+uo

u–反相輸入端同相輸入端T3T4T5T1T2IS原理框圖輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)與uo反相與uo同相對(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。集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)（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。1.開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo無(wú)外加反饋回路的差模放大倍數(shù)。一般在105107之間。理想運(yùn)放的Auo為。2.共模抑制比KCMMR常用分貝作單位，一般100dB以上。1.1.2運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)3.最大輸出電壓UOPP能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。4.開(kāi)環(huán)差模電壓增益Auo運(yùn)放沒(méi)有接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。

Auo愈高，所構(gòu)成的運(yùn)算電路越穩(wěn)定，運(yùn)算精度也越高。8.共模輸入電壓范圍UICM運(yùn)放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運(yùn)放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。愈小愈好5.輸入失調(diào)電壓UIO6.輸入失調(diào)電流IIO7.輸入偏置電流IIB1.1.2運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1.1.3通用運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介μA741(F007)——1個(gè)運(yùn)放LM358——2個(gè)運(yùn)放LM324——4個(gè)運(yùn)放1.1.3通用運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介L(zhǎng)M311——1個(gè)集成比較器LM339——4個(gè)集成比較器運(yùn)算放大器外形圖

為滿(mǎn)足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運(yùn)放外，還有適應(yīng)不同需要的專(zhuān)用型集成運(yùn)放。它們?cè)谀承┘夹g(shù)指標(biāo)上比較突出。根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。1.1.4特殊類(lèi)型的運(yùn)算放大器高速型和寬帶型

用于寬頻帶放大器，高速A/D、D/A，高速數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)。這種運(yùn)放的單位增益帶寬和壓擺率的指標(biāo)均較高，用于小信號(hào)放大時(shí)，可注重fH或fc，用于高速大信號(hào)放大時(shí)，同時(shí)還應(yīng)注重SR。例如：CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

高輸入阻抗型

用于測(cè)量設(shè)備及采樣保持電路中。

例如：AD549

CF155/255/355

高精度(低漂移型）

用于精密儀表放大器，精密測(cè)試系統(tǒng)，精密傳感器信號(hào)變送器等。例如：OP177

CF714

大功率型

這種運(yùn)放的輸出功率可達(dá)1W以上，輸出電流可達(dá)幾個(gè)安培以上。例如：LM12

TP1465低功耗型

用于空間技術(shù)和生物科學(xué)研究中，工作于較低電壓下，工作電流微弱。例如：OP22正常工作靜態(tài)功耗可低至36

W。OP290在0.8

V電壓下工作，功耗為24W。CF7612在5

V電壓下工作，功耗為50W。通常是根據(jù)實(shí)際要求來(lái)選用運(yùn)算放大器。如測(cè)量放大器的輸人信號(hào)微弱它的第一級(jí)應(yīng)選用高輸入電阻、高共模抑制比、高開(kāi)環(huán)電壓放，大倍數(shù)、低失調(diào)電壓及低溫度漂移的運(yùn)算放大器。選好后，根據(jù)管腳圖和符號(hào)圖聯(lián)接外部電路，包括電源、外接偏置電阻、消振電路及調(diào)零電路等。2消振通常是外接RC消振電路或消振電容，用它來(lái)破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。是否已消振，可將輸入端接地，用示波器觀察輸出端有無(wú)自激振蕩。目前由于集成工藝水平的提高，運(yùn)算放大器內(nèi)部已有消振元件，毋須外部消振。1選用元件1.1.5運(yùn)算放大器使用時(shí)的主要事項(xiàng)3調(diào)零4保護(hù)調(diào)零時(shí)應(yīng)將電路接成閉環(huán)。調(diào)零分兩種，一種是在無(wú)輸入時(shí)調(diào)零，即將兩個(gè)輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。另一種是在有輸入時(shí)調(diào)零，即按已知輸入信號(hào)電壓計(jì)算輸出電壓，而后將實(shí)際值調(diào)整到計(jì)算值。1)輸入端保護(hù)3)電源保護(hù)2)輸出端保護(hù)5擴(kuò)大輸出電流1.2運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路運(yùn)放線(xiàn)性應(yīng)用

ri

大:幾十k

幾百k運(yùn)放的特點(diǎn)KCMRR很大

ro

?。簬资畮装?/p>

Auo很大:104107理想運(yùn)放：

ri

KCMRR

ro

0Auo

運(yùn)放符號(hào)：＋－u－u+uo－＋＋

u－

u+

uoAuo理想運(yùn)算放大器及其分析依據(jù)uiuo+UOM-UOMAuo越大，運(yùn)放的線(xiàn)性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線(xiàn)性范圍。uiuo_++Auo例：若UOM=12V，Auo=106，則|ui|<12V時(shí)，運(yùn)放處于線(xiàn)性區(qū)。線(xiàn)性放大區(qū)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)放的條件虛短路放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線(xiàn)性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。虛開(kāi)路運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)的特點(diǎn)理想運(yùn)放的符號(hào)_++u+u-u01.2.1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。方法：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)。i1=i2uo_++R2R1RPuii1i2虛短路虛開(kāi)路1、反相輸入結(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。平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱(chēng)性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2電位為0，虛地_++R2R1RPuii1i2反饋方式電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很??！2、同相輸入_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電阻高虛短路虛開(kāi)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。_++uiuo此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。3、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。例：電路如下圖所示，已知R1=10k，RF=50k。求：1.Auf、R2；2.若R1不變，要求Auf為–10，則RF

、R2應(yīng)為多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–負(fù)載電流的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。例2：負(fù)載浮地的電壓-電流的轉(zhuǎn)換電路1.能測(cè)量較小的電壓；2.輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小。流過(guò)電流表的電流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi11.2.2加減法運(yùn)算作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和按比例放大。類(lèi)型：同相求和和反相求和。方法：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)。1、反相求和運(yùn)算R12_++R2R11ui2uoRPui1加法運(yùn)算i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。2、同相求和運(yùn)算-R1RF++ui1uoR21R22ui2此電路如果以u(píng)+為輸入，則輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2注意：同相求和電路的各輸入信號(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛開(kāi)路）-R1RF++ui1uoR21R22ui2R′左圖也是同相求和運(yùn)算電路，如何求同相輸入端的電位？_++RFR1R2ui2uoR3ui1解出：減法運(yùn)算用疊加原理求解：_++R2R1R1ui2uoR2ui1例：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：求圖示電路中uo與ui1、ui2的關(guān)系。解：電路由第一級(jí)的同相比例運(yùn)算電路和第二級(jí)的減法運(yùn)算電路級(jí)聯(lián)而成。例試用兩級(jí)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)加減運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算關(guān)系：解

由題中給出的運(yùn)算關(guān)系可知ui3與uo反相，而ui1和ui2與uo同相，故可用反相加法運(yùn)算電路將ui1和ui2相加后，其和再與ui3反相相加，從而可使ui3反相一次，而ui1和ui2反相兩次。根據(jù)以上分析，可畫(huà)出實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算的電路圖，如圖所示。由圖可得：例：求圖示電路中uo與ui的關(guān)系。i1iFui-++RR2Cuo1.2.3

PID運(yùn)算積分運(yùn)算tui0tuo0輸入方波，輸出是三角波。積分器應(yīng)用tui0tuo0U-UomTM積分時(shí)限應(yīng)用舉例2：如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。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?.A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r(shí)間量。4.移相。u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：微分運(yùn)算電路中的運(yùn)放處于非線(xiàn)性狀態(tài)。++Auouo運(yùn)放電路中沒(méi)有負(fù)反饋，運(yùn)放處于非線(xiàn)性狀態(tài)。1.3.1

電壓比較器1.3運(yùn)算放大器在信號(hào)比較方面的應(yīng)用uoui0+Uom-UomUR傳輸特性UR：參考電壓ui：被比較信號(hào)

++uouiUR–特點(diǎn)：運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UR時(shí),uo=-Uom

1、ui從同相端輸入++uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui>UR時(shí),uo=-Uom

2、ui從反相端輸入uoui0+UOM-UOM++uoui3、過(guò)零比較器:(UR=0時(shí))++uouiuoui0+UOM-UOM++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom++uiuoui0+UZ-UZ電路改進(jìn)：用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。++uiuoUZRR′uoUZ電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上上門(mén)限電壓下門(mén)限電壓

電路中引入正反饋(1)提高了比較器的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門(mén)限電壓上。RF當(dāng)uo=+Uo(sat)，則當(dāng)uo

=–Uo(sat)，則門(mén)限電壓受輸出電壓的控制R2uoui++–R1+–+–－－1.3.2.滯回特性比較器上門(mén)限電壓U'+：ui逐漸增加時(shí)的門(mén)限電壓下門(mén)限電壓U"+：ui

逐漸減小時(shí)的門(mén)限電壓uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性u(píng)itOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)兩次跳變之間具有遲滯特性——滯回比較器RFR2uoui++–R1+–+–根據(jù)疊加原理，有改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動(dòng)?？梢?jiàn)：傳輸特性不再對(duì)稱(chēng)于縱軸，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)電壓傳輸特性當(dāng)參考電壓UR不等于零時(shí)定義：回差電壓與過(guò)零比較器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.改善了輸出波形在躍變時(shí)的陡度。2.回差提高了電路的抗干擾能力，U越大，抗干擾能力越強(qiáng)。結(jié)論：1.調(diào)節(jié)RF

或R2可以改變回差電壓的大小。2.改變UR可以改變上、下門(mén)限電壓，但不影回差電壓U。電壓比較器在數(shù)據(jù)檢測(cè)、自動(dòng)控制、超限控制報(bào)警和波形發(fā)生等電路中得到廣泛應(yīng)用。tuiUom-UomtuiUHUL例：遲滯比較器的輸入為正弦波時(shí)，畫(huà)出輸出的波形。－++uoRR2R1ui解：對(duì)圖（1）

上門(mén)限電壓

下門(mén)限電壓例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門(mén)限電壓。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）解：對(duì)圖（2）

例：電路如圖所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下門(mén)限電壓。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226圖(1)的電壓傳輸特性圖(2)的電壓傳輸特性u(píng)ouiO-661.335.331.4.1正弦波發(fā)生器自激振蕩條件起振過(guò)程：在無(wú)輸入信號(hào)（xi=0）時(shí)，電路中的噪擾電壓（如元件的熱噪聲、電路參數(shù)波動(dòng)引起的電壓、電流的變化、電源接通時(shí)引起的瞬變過(guò)程等）使放大器產(chǎn)生瞬間輸出x'o，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，得到瞬間輸入xd，再經(jīng)基本放大器放大，又在輸出端產(chǎn)生新的輸出信號(hào)x'o，如此反復(fù)。在無(wú)反饋或負(fù)反饋情況下，輸出x'o會(huì)逐漸減小，直到消失。但在正反饋情況下，x'o會(huì)很快增大，最后由于飽和等原因輸出穩(wěn)定在xo，并靠反饋永久保持下去。1.4運(yùn)算放大器在波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用起振時(shí)必須滿(mǎn)足：AF>1。正弦波振蕩器的基本組成部分：①基本放大電路②正反饋網(wǎng)絡(luò)③選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器的分類(lèi)：①RC正弦波振蕩器②LC正弦波振蕩器文氏電橋振蕩器放大器的電壓放大倍數(shù)為：反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。RC反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為：1）電路結(jié)構(gòu)上下限:1.4.2矩形波發(fā)生器當(dāng)uo

=+Uo(sat)時(shí)，電容充電，uC上升，電容放電，

uC下降，當(dāng)uC=UR

時(shí)，uo跳變成–Uo(sat)當(dāng)uC=–UR

時(shí)，uo跳變成+Uo(sat)

，電容又重新充電。放電2)工作原理RFCuC+–R1R2uo++–+–充電UR+–RFCu