电工学-第10章集成运算放大器

1、电子技术电子技术 下一章下一章 返回主页返回主页 .210.1 集成电路集成电路 集成电路是集成电路是20 世纪世纪 60 年代发展起来的固体组年代发展起来的固体组件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成件。它是用微电子技术将元件、导线、电路集成在一块很小的半导体芯片上。在一块很小的半导体芯片上。 集成电路的发展进程：集成电路的发展进程： 1960 年：小规模集成电路年：小规模集成电路 SSI。 1966 年：中规模集成电路年：中规模集成电路 MSI。 1969 年：大规模集成电路年：大规模集成电路 LSI 。 1975 年：超大规模集成电路年：超大规模集成电路 VLSI 。.3 集成电路分

2、类集成电路分类 (1) 模拟电路模拟电路 处理模拟信号的电路。处理模拟信号的电路。 如集成功率放大器、集成运算放大器等。如集成功率放大器、集成运算放大器等。 (2) 数字电路数字电路 处理数字信号的电路。处理数字信号的电路。 如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。 集成电路芯片集成电路芯片.4特点：特点：输入级采用差分放大电路，输入级采用差分放大电路，KCMR 和和 ri 很高。很高。 中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。中间级采用多级共射电路，起电压放大作用。 输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路，输出级采用互补对称放大电路和共集放大电路，

3、ro 很小，带负载能力很强。很小，带负载能力很强。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。直接耦合的多级放大电路，电压放大倍数很高。 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。10.2 集成运算放大器的概述集成运算放大器的概述输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级 输入端输入端 输出端输出端 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成.5CF741 81723456集成运算放大器的图形符号、引脚和外部接线图集成运算放大器的图形符号、引脚和外部接线图 净输入电压净输入电压 运算放大器的符号运算放大器的符号 uD uuuO Ao 同相输入端同相输入端 反相输入端反相输入

4、端 输出端输出端 + UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO .6 uO= = f( (uD) )线性区线性区 uO = Ao uD = Ao ( uu)饱和区饱和区 正饱和电压：正饱和电压： uO =UOMUCC 负饱和电压：负饱和电压： uO =UOMUEE uDOuO负饱和区负饱和区正饱和区正饱和区线性线性区区UOM+UOM电压传输特性电压传输特性.7净输入净输入 信号信号xD D 输出信号输出信号 xO 输入信号输入信号 xI放大电路放大电路 Ao 比较环节比较环节 开环放大倍数：开环放大倍数： Ao = xoxD 闭环放大倍数：闭环放大倍数： Af =xo xI

5、 反馈系数：反馈系数： xFxo F =反馈信号反馈信号 xF 反馈电路反馈电路F反馈示意图反馈示意图.8 正反馈正反馈: xF 与与 xI 作用相同作用相同, 使使 xD 增加；增加； 负反馈负反馈: xF 与与 xI 作用相反作用相反, 使使 xD 减小。减小。 电流反馈：反馈信号取自输出电流，电流反馈：反馈信号取自输出电流，xF iO； 电压反馈：反馈信号取自输出电压，电压反馈：反馈信号取自输出电压，xF uO。 串联反馈串联反馈: xF 与与 xI 以串联的形式作用于净输入端；以串联的形式作用于净输入端； 并联反馈并联反馈: xF 与与 xI 以并联的形式作用于净输入端。以并联的形式作

6、用于净输入端。 .9 判断方法：瞬时极性法。判断方法：瞬时极性法。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD uO RFiF R1R2uI iI iD RL正反馈正反馈负反馈负反馈.10uO RFiF R1R2uI iI iD RL输出端短路法输出端短路法: 令令RL= 0，此时此时 uO=0， 若若 xF = 0 则为电压反馈，否则为电流反馈。则为电压反馈，否则为电流反馈。输出端开路法输出端开路法: 令令RL=，此时，此时 iO=0， 若若 xF = 0 则为电流反馈，否则为电压反馈。则为电流反馈，否则为电压反馈。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD 判断方

7、法判断方法 电压反馈电压反馈电流反馈电流反馈.11uO RFiF R1R2uI iI iD RL Ao RF RL R R1R2 uO uI串联反馈在输入端是以电压的形式出现的；串联反馈在输入端是以电压的形式出现的； 并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。 判断方法判断方法 并联反馈并联反馈串联反馈串联反馈.12 Xo/ XD1XF/ XD = xF AoFxI xD xO = Xo XDXF XD = XIXF Xo XI | Af | = | Ao |1| F | Ao | | Af | = 1 | F | | Af | 当当|F |Ao |1，称为深

8、度负反称为深度负反馈馈 | Af | 1 1若为深度负反馈若为深度负反馈, | F | Ao | 1 d | Af | | Af | d | Ao | | Ao | .14 例例 10.2.1 某放大电路的某放大电路的 | Ao | =1 000，由于某一，由于某一原因原因, 使其变化率为使其变化率为 ，若电路的反馈系，若电路的反馈系数数 | F | = 0.009，则闭环电压放大倍数的变化率？，则闭环电压放大倍数的变化率？= 2% 1 10.0091000 = 20% 解解 d| Ao| | Ao| 1 1| F | Ao| = d| Af | | Af | d| Ao| | Ao |= 2

9、0% .15 0.707 | Af| | Ao|未加入反馈后未加入反馈后 O f | A |0.707 | Ao| Bof1f2 Bff3 f4 加入反馈后加入反馈后 | Af | 加宽通频带加宽通频带.16 电压负反馈稳定电压负反馈稳定。 电流负反馈稳定电流负反馈稳定 无负反馈时无负反馈时有负反馈时有负反馈时ICiCO t UCC /RC ICiCO t UCC /RC 改善非线性失真改善非线性失真.17 串联反馈使串联反馈使增加。增加。 并联反馈并联反馈使使减小。减小。 电压负反馈使电压负反馈使减小。减小。 电流负反馈使电流负反馈使增加。增加。.18 开环电压放大倍数：开环电压放大倍数：A

10、o 开环输入电阻：开环输入电阻：ri 开环输出电阻：开环输出电阻：ro0 共模抑制比：共模抑制比：KCMR u uuO uD 理想运放的符号理想运放的符号 .19uO = UOMUCC (2) 当当 uu时，时， 即即 uD 0 OuOuD+UOMUOM 不加反馈时，稍有不加反馈时，稍有 uD 即进入饱和区。即进入饱和区。理想运算放大器理想运算放大器的电压传输特性的电压传输特性.20iD 反馈电路反馈电路 u uuO (1) Ao uOAouD = 0 u = u (2) ri uD riiD = 0 (3) ro0 uOL= uOC 故称为虚短路。故称为虚短路。 故称为虚开路。故称为虚开路。

11、 即输出电压不受负载的影响。即输出电压不受负载的影响。引入负反馈后的理想运放引入负反馈后的理想运放 .21Af u= u= 0 iD = 0 i1 = iF uIR1uO RF= =F 1uO = uI uuuO RFiF R1R2uI i1 iD 虚地虚地 反相比例运算电路反相比例运算电路.22 uO 与与 uI 成反相比例；成反相比例； uO 的大小只与的大小只与 R1 、 RF 的阻值和的阻值和 uI 有关。有关。若若 R1 = RF ，则，则 uO = uI 。 故称为反相器。故称为反相器。 R2为平衡电阻，为平衡电阻， R2 = R1RF 说明说明 F 1uO = uI 反相比例运算

12、电路反相比例运算电路uuuO RFiF R1R2uI i1 iD .23i1 iD uuuO RFiF R1R2uI Af RF R1 uO = ) uI ( 1 uO= RF iF R1 i1 uI = R1 i1 iF = i1同相比例运算电路同相比例运算电路.24 说明说明 uO 与与 uI 同相位，且同相位，且 Af1； uO 的大小只与的大小只与R1、RF 的阻值和的阻值和 uI 有关。有关。 若若 RF = 0, R1 = , R2 = 0 时时, uO = uI 称为电压跟随器称为电压跟随器 平衡电阻平衡电阻 R2 = R1RF 。uO uI 电压跟随器电压跟随器RF R1 uO

13、 = ) uI ( 1 i1 iD uuuO RFiF R1R2uI 同相比例运算电路同相比例运算电路.25 例例 10.5.1 应用运放来测量电阻的原理电路如图所示，应用运放来测量电阻的原理电路如图所示， 其中其中 uI =U = 10V，输出端接有满量程为输出端接有满量程为 5V 的电压表，被的电压表，被测电阻为测电阻为Rx。(1) 试找出被测电阻的阻值试找出被测电阻的阻值Rx与电压表读数之与电压表读数之间的关系；间的关系；(2)若使用的运放为若使用的运放为CF741型，为了扩大测量电阻型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表量程选为的范围，将电压表量程选为 50V是否有意义？是否有意义？解解

14、 (1) uO Rx R1uI U V 05V1M 10Vx 1uO = uI 1 uIx = uO 106 10 = uO =105 uO .26电压表读数电压表读数 uO V 12345被测电阻值被测电阻值 Rx 1052105310541055105所以所以: (2) 查附录可知，查附录可知，CF741 型集成运放的最大输出电压为型集成运放的最大输出电压为 13 V，超出此值时输入与输出不再有线性关系，超出此值时输入与输出不再有线性关系， 所以，选用所以，选用 50 V 量程的电压表是没有意义的。量程的电压表是没有意义的。 .27u= u = 0 uuuO RF iF R12 R2uI1

15、 iI1 iI2 uI2 R11 F 12 F 11 + uI2 ) uO=( uI1 当当 uI1 单独作用时单独作用时, uO1=F11uI1当当 uI2 单独作用时单独作用时, 根据叠加定理根据叠加定理: uO = uO1 uO2uO1=F12uI2 加法运算电路加法运算电路虚地虚地 .28当当 R11 = R12 = R1 时：时： 当当 R11 = R12 = RF 时：时： uO=(uI1 + uI2) ， 平衡电阻：平衡电阻： R2 = R11R12RF 。 说明说明 uuuO RF iF R12 R2uI1 iI1 iI2 uI2 R11 F 12 F 11 + uI2 ) u

16、O=( uI1 F 1 uO= (uI1 + uI2) 加法运算电路加法运算电路.29 当当 uI1 单独作用时单独作用时, uO1=F1uI1当当 uI2 单独作用时单独作用时, RF R1 uO2= (1 ) u R3R2R3u=uI2 = (1 RF R1 ) R3R2R3 uI2 uuuO RF R1 R2 uI2 uI1 R3 uuuO RF R1 R2 uI1 R3 uuuO RF R1 R2 uI2 R3 根据叠加定理根据叠加定理: uO = uO1 uO2 减法运算电路减法运算电路.30F 1 R3 R2R3 RFR1 = (1 ) uI2 uI1 uO = uO1uO2F 1

17、uO= (uI2uI1) 3 2 F 1 当当=时时,当当 R1= RF 时时, uO= uI2 uI1平衡电阻平衡电阻 R2R3= R1RF 。 说明说明 uuuO RF R1 R2 uI2 uI1 R3 R3 / R21R3 / R2 减法运算电路减法运算电路.31 例例 10.5.2 如图为两级运放组成的电路，如图为两级运放组成的电路，已知已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求，求 uO。uI1uI2uI3 + uO 30 k 30 k 30 k 10 k 10 k 10 k 10 k 10 k F1 12 F1 11uO1=( uI1 uI2 )第

18、一级为加法运算电路：第一级为加法运算电路： 解解第二级为减法运算电路：第二级为减法运算电路： R5R4 + R5RF2R3 (1 ) uI3 F23 uO1 uO= = 0.3 V= 0.6 V.32uuuO RF R2 uI iF C uCiC u+ = u = 0 iF = iC duCuO =RFC dtduIuO =RFC dtduC = CdtuORF OuO tOuItUI 当当 uI 为阶跃电压时为阶跃电压时, uO 为尖脉冲电压。为尖脉冲电压。 说明说明 平衡电阻平衡电阻 R2 = RF 。 微分运算电路微分运算电路虚地虚地 波形波形.33五、积分运算电路五、积分运算电路 u=

19、 u= 0 iI = iF1R1CuO = uI dt uCuuuO R1 R2 uI iF C iI duCdt C uIR1= =uO =uC 说明说明 当当 uI 为阶跃电压时为阶跃电压时, uO随时间线性积分到负饱随时间线性积分到负饱和值为止。和值为止。OuI UIttOuOUOM平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 。 积分运算电路积分运算电路波形波形虚地虚地 .34+UOM 电压传输特性电压传输特性 R R uI URUOMuOuIuOOURUOMR R uI URuO+UOMuIuOOUR 信号输入方式信号输入方式 .35 零电压比较器可以实现波形变换零电压比较器可以实现波形变换,

20、即可以即可以把正弦波变换为方波。把正弦波变换为方波。 当当UR =0 时，称为零电压比较器时，称为零电压比较器UOM t uIO t uO O UOM R R uI uO零电压比较器零电压比较器输出波形输出波形.36 例例 10.6.1 如图所示是利用运放组成的过温保护电如图所示是利用运放组成的过温保护电路，路，R3 是负温度系数的热敏电阻，温度升高时，阻值变是负温度系数的热敏电阻，温度升高时，阻值变小，小，KA 是继电器，要求该电路在温度超过上限值时，继是继电器，要求该电路在温度超过上限值时，继电器动作，自动切断加热电源。试分析该电路的工作原电器动作，自动切断加热电源。试分析该电路的工作原理

21、。理。解解 从图中可得：从图中可得：正常工作时，正常工作时， uIUR， uO =UOM 晶体管晶体管 T 截止，截止， KA 线圈不通电线圈不通电, KA 不会动作。不会动作。 uO R1 R2 uI UCC R4 R3 UR T KA R2R1R2 UR = UCC (2) R4R3R4uI =UCC (1).37当温度超过上限值时，当温度超过上限值时， R3 的阻值下降；的阻值下降；根据公式根据公式 (1) 可知可知 uI 增加，增加， 当当 uI UR 时，时， uO =UOM 晶体管晶体管 T 饱和导通，饱和导通， KA线圈通电线圈通电, KA产生动作，产生动作，切除加热电源，切除加

22、热电源，实现过温保护。实现过温保护。 uO R1 R2 uI UCC R4 R3 UR T KA .38+UOMUOM当当 uO= + UOM 时时, u+ = UH = RF R2 + RF UR + R2 R2 + RF UOM 当当 uO=UOM 时时, u+ = UL =RF R2 + RF UR R2 R2 + RF UOM O uO uIULUHuO+ _R1 R2uI UR RF 滞回电压比较器滞回电压比较器 电压传输特性电压传输特性 上限触发电压上限触发电压 下限触发电压下限触发电压 .39+UOMUOMOuO uIULUHuO+ _R1 R2uI UR Rf U= UH UL

23、 称为滞回宽度称为滞回宽度 改变改变 R2 和和 RF，可以改变，可以改变 U、UL、UH 。 电压传输特性电压传输特性 滞回电压比较器滞回电压比较器.40当当 uIUL 时时, uO1=UOM uO2=UOM 当当 uI UH 时时, uO1=UOM uO2=UOM 当当 UHuIUL 时时,uO1 = UOM uO2 = UOM uO= =UOM uO= =UOM uH uO2 uO1 D1 D2 uO uL uI uLuHuIuOO+ uOMuO= 0 双限电压比较器双限电压比较器电压传输特性电压传输特性.41AoF =1 Uo Ui Uf 放大电路放大电路 A0 反馈电路反馈电路 F正

24、弦波振荡器原理电路正弦波振荡器原理电路 uO R CC RFR1 R RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 Uf = F Uo Uo Ao Ui =反馈电路反馈电路 同相比同相比例电路例电路 .42反馈电压反馈电压 Uf 的相位要与输入电压的相位要与输入电压 Ui 的相位的相位 相同。相同。 即必须是正反馈。即必须是正反馈。 RC 串并联电路串并联电路 Uf =Ui UO R R CC =Uf Uo RXC 3j R2XC 1 =2Z并并 Z总总 (RjXC )R(jXC) R(jXC ) =.43Uf Uo R = XC = 2p pfnC 1 12p pR C fn =RXC 3j R2XC 1

25、 =2若满足若满足 Uf 和和 Ui 同相位同相位 =Uf Uo 13 振荡频率振荡频率 F = RC 串并联选频电路串并联选频电路 Uf =Ui Uo R R CC 改变改变 R、C 可以改变振荡频率。可以改变振荡频率。 .44 | Ao | = 3 =Uf Uo F = 13 反馈电压与输入电压大小相等。反馈电压与输入电压大小相等。 即即 | Ao| F | = 1。RFR1 1 = 3 F = 2R1 Uf= F Uo Uo Ao Ui = uO R R CC RF R1RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 .45RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 再反馈再反馈Ui = Uf = |F |Uo 2

26、 3. 振荡电路的组成振荡电路的组成 接通电源接通电源 Uo1 反馈反馈 Ui = Uf = | F |Uo1 放大放大 Uo2= | Ao | | F | Uo1 Uo1 再放大再放大Uo3 = | Ao | | F |Uo2 Uo2 起振的过程起振的过程 放大电路放大电路 正反馈电路正反馈电路 选频网络选频网络 反馈电路反馈电路 放大电路放大电路 uO R CC RFR1 R 选频电路选频电路 .46 才能起振才能起振 振荡稳定振荡稳定 不能起振不能起振 | Ao | F | 1 | Ao | F | = 1 | Ao | F |1 总之，起振过程是由总之，起振过程是由 | Ao | F | 1， 一直到一直到 | Ao | F | = 1， 达到稳定的过程。达到稳定的过程。 振荡波形振荡波形.47| Ao | = 3F = 2R1 振荡稳定时振荡稳定时: | Ao | F | = 1 | Ao | 3F 2R1 起振时起振时: | Ao | F | 1 F 为非线性电阻，为非线性电阻， 选择负温度系数的热敏变阻。选择负温度系数的热敏变阻。 uO R R CC RF R1RC 正弦波振荡器