第7章集成运算放大器及其应用c

1、第第3 3章章 目录目录1. 元器件参数的一致性和对称性好；元器件参数的一致性和对称性好；2. 二极管多用三极管的发射结代替；二极管多用三极管的发射结代替；3. 电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替， 电位器需外接；电位器需外接；4. 电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感 和变压器均需外接。和变压器均需外接。第第3 3章章 3 3 1 1集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。 1. 集成运放的内部电路结构框图集成

2、运放的内部电路结构框图输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器中间级中间级 电压放大器电压放大器偏置电路偏置电路 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成第第3 3章章 3 3 1 1uiuou+u2. 集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号输出端输出端反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端A信号传信号传输方向输方向第第3 3章章 3 3 1 1理想理想运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数实际实际运放开环运放开环电压放大倍数电压放大倍数RRB1C1uiuoTT12UCE11. 前、后级静态工作点的相互影响前、后级静

3、态工作点的相互影响当当 T2 接入后接入后, 有有UCE1 = UBE2 0.6V, 使使T1进入饱和进入饱和状态状态, T1的动的动态范围态范围很小。很小。解决办法：解决办法：提高提高VE2。(1)加入电阻加入电阻RE2+VCCE2RRC2第第3 3章章 3 3 2 2RRB1C1R C2uiuoTT12RUz z（2）在）在T2的发射极加入稳压管的发射极加入稳压管+VDz zCC第第3 3章章 3 3 2 2RRB1C1R E2uiuoTT12RC2VCC+（3）利用）利用NPN型管和型管和PNP型管进行电平移动型管进行电平移动第第3 3章章 3 3 2 22. 直流放大器的零点漂移直流放

4、大器的零点漂移tu0当放大器的输入电压当放大器的输入电压 ui = 0 时，其输出电压时，其输出电压uO往往不为往往不为常数，常数，称这种现象为放大称这种现象为放大器的器的零点漂移零点漂移。o第第3 3章章 3 3 2 2uRCRCRRBBuo1ui1i2uuo2oCCV共模输入共模输入ui1 = ui2差模输入差模输入ui1= ui21. .典型差动放大器典型差动放大器RPREEET1T2第第3 3章章 3 3 2 2RCRCRRRBBPuoCC+V1 双端输入双端输出方式双端输入双端输出方式T1REuiEEVui1ui22. 差动放大器的输入输出方式差动放大器的输入输出方式RRT2第第3

5、3章章 3 3 2 2RCRCRRRBBPo1uuo2CC+V（2）单端输入单端输出方式单端输入单端输出方式REEEuiT1T2第第3 3章章 3 3 2 2 1. 运算放大器的电压传输特性运算放大器的电压传输特性UOMUOMUOMUOMUimUim实际运放实际运放理想运放理想运放 uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u+ u uOui0uiuo+uiuO0第第3 3章章 3 3 3 3+iiui对于理想运放对于理想运放rid相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路uiiirid=对于理想运放对于理想运放 u u+相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路uOii 0Auo

6、ui 0,rid,2. 理想运放工作在线性区的分析依据理想运放工作在线性区的分析依据第第3 3章章 3 3 3 3+uo=uiu=u Auo+uiuO+ 在右图所示电路中，在右图所示电路中， 因为存在负反馈信号因为存在负反馈信号, 同同相输入端相输入端 不是不是“虚地虚地”！uiuo由由“虚断路虚断路”原则原则 ii = 0 , 有有 u+=0 u+ u = 0当当同相同相输入端接地时，输入端接地时，第第3 3章章 3 3 3 3uiuo由由“虚短路虚短路”原则原则注意注意“虚断路虚断路”原则原则uiiirid=对于理想运放对于理想运放相当于两输入端之间相当于两输入端之间 断路断路ii 0ri

7、d,3. 理想运放工作在非线性区的分析依据理想运放工作在非线性区的分析依据运放工作在运放工作在工作状态的必要条件：工作状态的必要条件：+iiuiriduO第第3 3章章 3 3 3 3+注意注意: u+ = u uiuoi1ifidRFR1R2虚断路虚断路 id 0虚地虚地uii1 = R1uif = oRFi1 ifRF引入深度负反馈引入深度负反馈uo = ui RF R1故有：故有：第第3 3章章 3 3 4 41. 反相比例运算电路反相比例运算电路uiuoi1ifRFR1R2虚地：虚地：ui1 = iR1反相比例运算电路反相比例运算电路R3R4设设: RFR4 , 求求AufR4R3R4

8、+uo= RF1代入代入 if = i1由由 RFR4 ,有：有： Auf = = R1RF(1+ )R4R3ui uo第第3 3章章 3 3 4 4uouo=R4R3R4+uo得得 uoif = RFRFRR1 12uiuo uo = 1+ u+RFR1 1uf = 1+ ui RF R1 12. 同相比例运算电路同相比例运算电路虚断路虚断路id 0虚短路虚短路uiu =+uou = fR1R1 RF+uu =+故有：故有：第第3 3章章 3 3 4 4uiuo同相跟随器uo = uiRFR若接入电阻若接入电阻R、RF，运算关系不变，运算关系不变第第3 3章章 3 3 4 43. 差动比例运

9、算电路差动比例运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析ui1i2uuo=uo+uo= 1+ ui2RFR1R2+R3R3- - ui1RFR1uO = - - ui1RFR1 1第第3 3章章 3 3 4 4uO = 1+ u+RFR1 = 1 + ui2RFR1R2+R3R3F1u o31. 反相加法运算电路反相加法运算电路Pui1 ui3ui2 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RFRFRFR1R2R3i1i2i3if3.4.2 第第3 3章章 3 3 4 42F211uo2. 同相加法运算电路同相加法运算电路23ui1ui2ui322RFR1

10、uO = 1+ + R + + + + R21R23ui3ui1R22ui2其中其中 R = R21 R22 R23 R 第第3 3章章 3 3 4 41. 差动比例运算电路差动比例运算电路uoRFR1R2R3 = 1+ ui2 uoRFR1R2 + R3R3- - ui1RFR13.4.3 减法运算电路减法运算电路ui2ui1差动比例运算差动比例运算是减法运算电是减法运算电路的一种形式路的一种形式第第3 3章章 3 3 4 4 11ui121 2. 两级反相输入减法运算电路两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第第3 3章章 3 3 4 4F2uo= ui1

11、 ui2 11RRRRRR 13 12F1F2F2ui1. 反相积分运算电路反相积分运算电路CFuo23.4.4 积分和微分运算电路积分和微分运算电路由虚断和虚地由虚断和虚地ui1 = iR1iC =i1iCuC duCdt CF iC = uO= uC可得可得= uo R1 CFuidt第第3 3章章 3 3 4 4uuOi 2. 反相微分运算电路反相微分运算电路C1 duidtuo= RF C1 uouiF由于微分和积分互为逆运算，由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。将电容与电阻位置对调即可。输出与输入输出与输入的关系式为的关系式为若输入为方波若输入为方波则输出波形为则输出

12、波形为第第3 3章章 3 3 4 4CF应用举例：应用举例：PID调节器调节器21uouiC1F输出与输入的输出与输入的关系式为关系式为第第3 3章章 3 3 4 4duiu = ( + ) + RFC1 + ui dt ouiRFR1R1CFC1CFdt1应用举例：应用举例：求解微分方程求解微分方程uouiN1N3N2dtduo5uo = 10ui10k 100k 100k 150k 50k 50k 0.1 F根据电路参数，所要根据电路参数，所要求解的微分方程为：求解的微分方程为：第第3 3章章 3 3 4 41. 对数运算电路对数运算电路21uou 0iT u o = UT ln ui i

13、R1 1 IS*3.4.5 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路uDiD Di1利用三极管发射结利用三极管发射结的指数特性的指数特性i1 1 =iD D =IS(e -1)uD DUT IS euD DUTuiR1 1=有有代入代入 uDu =O第第3 3章章 3 3 4 42. 反对数运算电路反对数运算电路FuoTuiuo = RF IS eui i /UT T由于反对数和由于反对数和对数互为逆运对数互为逆运算，将三极管算，将三极管与电阻的位置与电阻的位置对调即可。对调即可。输出与输入输出与输入的关系式为的关系式为第第3 3章章 3 3 4 43. 乘法和除法运算电路结构框图乘法和除法运

14、算电路结构框图lnln+ln-1lnx1lnx2lnx1+（lnx1x2 ）Kx1 x2乘法乘法除法除法lnx2x1x2lnx2lnlnlnx1-1lnlnx1lnx2（lnx1 /x2 ）Kx1x2x1x2第第3 3章章 3 3 4 4正反馈正反馈xd = xi + xf负反馈负反馈xd = xi xfA= xo / xdF= xf / xoAf = = xo xiA 1+ AFAFxoxixdxf 闭环放大倍数闭环放大倍数xi 总输入信号总输入信号xd 净输入信号净输入信号xf 反馈信号反馈信号开环放大倍数开环放大倍数反馈系数反馈系数xo 输出信号输出信号第第3 3章章 3 3 5 5FA

15、uiudufuoRLAFxoxixdxf在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相并联相并联, , xf与与uo成正比，为电压反馈；成正比，为电压反馈；信号信号 x均以电压均以电压 u 的形式出现的形式出现在放大器输入端在放大器输入端, ,信号以电压出现信号以电压出现, ,uf与与ud相串联相串联, ,为串联反馈；为串联反馈；ud= ui uf ui，为负反馈。，为负反馈。净输入电压净输入电压第第3 3章章 3 3 5 5FA框图框图例图例图同相比例运算同相比例运算RLuiudufuo第第3 3章章 3 3 5 5R2uiu oRLRFR1uoidiiifRLAF在放大器输入端在放大器输入端,

16、 , 信号以电流出现信号以电流出现, , if与与id相并联相并联, ,为并联反馈；为并联反馈；id = ii if ii ，为负反馈。，为负反馈。净输入电流净输入电流xoxixdxf在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相并联相并联, , xf与与uo成正比成正比, , 为电压反馈；为电压反馈；第第3 3章章 3 3 5 5AF框图框图例图例图反相比例运算反相比例运算RLuoidiiif第第3 3章章 3 3 5 5uiuoRFRLR2R1AFRLioAFud= ui uf ui ，为负反馈。为负反馈。净输入电净输入电压压, ,在放大器输入端在放大器输入端, ,信号以电压出现信号以电压出现, ,uf与与ud相串联相串联, ,为串联反馈；为串联反馈；在放大器输出端，在放大器输出端，F与与A相串联，相串联， xf与与 io成正比，为电流反馈；成正比，为电流反馈；xoxixdx