电工学-第10章集成运算放大器-精品文档资料整理

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1、电子技术电子技术 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页 高等教育出版社高等教育出版社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

2、VLSI。3 集成电路分类集成电路分类 (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高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社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

3、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，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反相反相输入端输入端 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 运算放大器的符号运算放大器的符号 uD

4、uuuO Ao 同相同相输入端输入端 输出端输出端+UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO uD uuuO(a)国标符号国标符号(b)IEC符号符号高等教育出版社高等教育出版社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区线性区UOM+UOM电压传输特性电压传输特性高等教育出版社高等教育出版社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

5、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 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F10.3 反馈的基本概念反馈的基本概念反馈示意图反馈示意图高等教育出版社高等教育出版社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

6、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。以并联的形式作用于净输入端。高等教育出版社高等教育出版社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高等教育出版社高等教育出版社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=

7、，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 判断方法判断方法 电压反馈电压反馈电流反馈电流反馈高等教育出版社高等教育出版社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高等教育出版社高等教育出版社12 Xo/XD1XF/XD=xF AoF

8、xI 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|高等教育出版社高等教育出版社14 例例 10.3.1 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

9、|=d|Af|Af|d|Ao|Ao|=20%高等教育出版社高等教育出版社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高等教育出版社高等教育出版社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高等教育出版社高等教育出版社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

10、馈使电流负反馈使增加。增加。高等教育出版社高等教育出版社1810.4 理想运算放大器理想运算放大器 开环电压放大倍数：开环电压放大倍数：Ao 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 高等教育出版社高等教育出版社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高等教育出版社高等教育出版社20iD 反馈电路反馈电路 u uu

11、O (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。故称为虚断路。故称为虚断路。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 高等教育出版社高等教育出版社2110.5 基本运算电路基本运算电路Af u=u=0 iD=0 i1=iF uIR1uO RF=RF R1uO=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高等教育出版社高等教育出版社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

12、、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 反相比例运算电路反相比例运算电路uuuO RFiF R1R2uI i1 iD 高等教育出版社高等教育出版社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高等教育出版社高等教育出版社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

13、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=)uI(1 i1 iD uuuO RFiF R1R2uI 同相比例运算电路同相比例运算电路高等教育出版社高等教育出版社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

14、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 (1)uO Rx R1uI U V 05V1M 10V Rx R1uO=uI R1 uIRx=uO 106 10=uO =105 uO 高等教育出版社高等教育出版社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

15、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。高等教育出版社高等教育出版社27u=u=0 uuuO RF iF R12 R2uI1 iI1 iI2 uI2 R11 RF R12 RF R11+uI2)uO=(uI1 当当 uI1 单独作用时单独作用时,uO1=RF R11uI1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=RF R12uI2 加法运算电路加法运算电路虚地虚地 高等教育出版社高等教育出版社28当当 R11=R12=R1 时：时：当当

16、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)uO=(uI1 F 1 uO=(uI1+uI2)加法运算电路加法运算电路高等教育出版社高等教育出版社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 uu

17、uO 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高等教育出版社高等教育出版社30F 1 R3 R2R3 RFR1=(1 )uI2 uI1 uO=uO1uO2F 1uO=(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高等教育出版社高等教育出版社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，

18、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高等教育出版社高等教育出版社32uuuO RF R2 uI iF C uCiC u+=u=0 iF=iC duCuO=RFC dtduIuO=RFC dtduC =CdtuORF OuO tOuItUI 当当 uI

19、 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 波形波形高等教育出版社高等教育出版社33五、五、积分运算电路积分运算电路 u=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 高等教育出版社高等教育出版社3410.6

20、电压比较器电压比较器+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 高等教育出版社高等教育出版社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,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高等教育出版社高等教育出版社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，

21、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。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)高等教育出版社高

22、等教育出版社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 高等教育出版社高等教育出版社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

23、 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 高等教育出版社高等教育出版社39+UOMUOMOuO uIULUHuO+_R1 R2uI UR Rf U=UH UL 称为滞称为滞回宽度回宽度 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高等教育出版社高等教育出版社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

24、=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高等教育出版社高等教育出版社41AoF=1 10.7 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路Uo Ui Uf 放大电路放大电路 A0 反馈电路反馈电路 F正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 高等教育出版社高等教育出版社42反馈电压反馈电压 Uf 的相位要与输入电压

25、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)=高等教育出版社高等教育出版社43Uf Uo R=XC=2p pfnC 1 12p pR C fn=RXC 3j R2XC 1 =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。高等教育出版社高

26、等教育出版社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 高等教育出版社高等教育出版社45RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 再反馈再反馈Ui=Uf=|F|Uo 2 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

27、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 高等教育出版社高等教育出版社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。振荡波形振荡波形高等教育出版社高等教育出版社47|Ao|=3RF=2R1 振荡稳定时振荡稳定时:|Ao|F|=1|Ao|3RF 2R1 起振时起振时:|Ao|F|1 RF 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

28、系数的热敏变阻。uO R R CC RF R1RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 高等教育出版社高等教育出版社48*10.8 有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种选频电路。滤波器是一种选频电路。按电路组成分为：按电路组成分为：无源滤波电路：由无源元件无源滤波电路：由无源元件 R、L、C 组成组成 的滤波器。的滤波器。有源滤波电路：含有放大电路的滤波器。有源滤波电路：含有放大电路的滤波器。按频率范围分为：按频率范围分为：低通、高通、带通和带阻滤波器等。低通、高通、带通和带阻滤波器等。高等教育出版社高等教育出版社49在在 RC 回路回路 中中 根据同相比例运算电路根据同相比例运算电路 RF R1=(1

29、)CRF R1 R U=UC=RjXC Ui jXC1j RC Ui=Uo=(1RF R1 )U+1j RC UiUo Ui 低通滤波器低通滤波器 高等教育出版社高等教育出版社501j RC =RF R1 1 当当 =0=时时,RC 1 称为截止角频率称为截止角频率。RF R1 1|Au|=1(RC)2|Am|Au|=12RFR1（1 ）=12 幅频特性幅频特性 0|Au|1 O2|Am|Am|当当=0 时，时，|Au|=RFR1 1|Am|=Au=Uo Ui 频率小于频率小于 0 的信号可以通过。的信号可以通过。高等教育出版社高等教育出版社51在在 RC 回路中：回路中：根据同相比例运算电路

30、，可得根据同相比例运算电路，可得 R jXC=Ui U+R=Ui1j RC1Ui1j RC1RF R1=(1 )RF R1 Uo=)U+(1 CRF R1 R Uo Ui 高通滤波器高通滤波器 高等教育出版社高等教育出版社52Ui=UoRf R1 1 1j RC 1RC 1 其中其中 0=Au=幅频特性幅频特性 0 T(j )Am OAm 2 1 RF R1 1|Au|=1()2 RC1当当=时，时，|Au|=|Am|Am|当当 =0 时，时，|Au|=2RFR1=1 频率大于频率大于 0 的信号可以通过。的信号可以通过。高等教育出版社高等教育出版社5310.9 应用实例应用实例 将集成运算放

31、大器与磁电式直流电流表头将集成运算放大器与磁电式直流电流表头（如下图示）相结合，可构成内阻大于（如下图示）相结合，可构成内阻大于10M V的直流电压表和内阻小于的直流电压表和内阻小于1 的直流微安表。的直流微安表。磁电式直流电流表头磁电式直流电流表头高等教育出版社高等教育出版社54直流电压表的原理电路直流电压表的原理电路 RF R R Uo Ux V高等教育出版社高等教育出版社分压器分压器55扩大量程的同相输入式直流电压表的实际电路扩大量程的同相输入式直流电压表的实际电路高等教育出版社高等教育出版社56当输入电压当输入电压Ux=50mV时：时：11225mVxRUURR输出电压输出电压UO为：

32、为：FO(1)6 25 150mVRUUR 此时电压表达到满量程，表示被测电压此时电压表达到满量程，表示被测电压的大小为的大小为50mV。高等教育出版社高等教育出版社57当输入电压当输入电压Ux=50V时：时：1313456730.54.550 100.54.5954002000750025mVxRRUURRRRRR 可见，此时可见，此时U+仍不超过仍不超过25mV，输出电，输出电压压UO仍为仍为150mV达到满量程，表示被测电达到满量程，表示被测电压的大小为压的大小为50V。该电压表的量程为该电压表的量程为050V。高等教育出版社高等教育出版社58该电流表的内阻该电流表的内阻RI很小，约为很

33、小，约为直流电流表原理电路直流电流表原理电路RM Ix m mAIF MIO1RRA表头内阻表头内阻 高等教育出版社高等教育出版社59 表头电流表头电流I与被测与被测电流电流Ix的关系为：的关系为：高灵敏度直流电流表电路高灵敏度直流电流表电路RM Ix m mAI1 R1 R2 I 12(1)xRIIR 利用运放和利用运放和100A表头构成的直流电流表，表头构成的直流电流表，只要参数选取得当，可实现量程为只要参数选取得当，可实现量程为10A、内阻小于内阻小于1 的高精度微安表。的高精度微安表。高等教育出版社高等教育出版社 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页 高等教育出版社高等教育出版社