1、12.1 集成運算放大器集成運算放大器把整個電路的各個元件以及相互之把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個間的聯(lián)接同時制造在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分的整體。不可分的整體。體積小、外部接線少、功耗低、體積小、外部接線少、功耗低、可靠性高、靈活性高、價格低。可靠性高、靈活性高、價格低。 具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。用于模擬運算、信號處理、測的直接耦合放大器。用于模擬運算、信號處理、測量技術(shù)、自動控制等領(lǐng)域。量技術(shù)、自動控制等領(lǐng)域。輸入級：輸入級： 差動放大器，減少零點漂移、提高輸入阻抗。差動放大器，減少零點漂移、提高

2、輸入阻抗。輸出級：輸出級： 射極輸出器或互補對稱功率放大器，提高射極輸出器或互補對稱功率放大器，提高 帶載能力。帶載能力。偏置電路：偏置電路： 為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點。為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點。偏置電路偏置電路輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級中間級：中間級： 電壓放大。電壓放大。反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸出端輸出端+ u+uuo反相輸反相輸入端入端同相輸同相輸入端入端輸出端輸出端+623 7415+15V-15V10k 1k 當當輸入信號輸入信號為零時，為零時，輸出為零。輸出為零。8為空腳為空腳2. . 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 U IO使使UO= 0，輸

3、入端施加的補償電壓，輸入端施加的補償電壓幾毫伏幾毫伏3. . 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIOUO = 0 時，輸入級兩輸入端時，輸入級兩輸入端的靜態(tài)電流之差。的靜態(tài)電流之差。1 nA 0.1 A1. . 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Aud104 1074. .差模輸入電阻差模輸入電阻 r id輸出電阻輸出電阻 ro幾百千歐幾百千歐 幾兆歐幾兆歐幾十歐幾十歐 幾百歐幾百歐)dB(lg20cdCMRuuAAK 5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB6. . 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdmax共模輸入共模輸入U IC 過大，過大，K CMR下降。下降。當當 UId過大

4、時，反偏的過大時，反偏的 PN 結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。結(jié)可能因反壓過大而被擊穿。LM741 為為 36 V7. .最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UICmax9. . 最大輸出電壓幅度最大輸出電壓幅度 UOPP如電源電壓如電源電壓 15 V，U OPP 為為 13 14 VLM741 為為 16 V兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。8. .靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗 PCO幾十毫瓦幾十毫瓦12.2 理想集成運算放大器的分析方法理想集成運算放大器的分析方法 ud

5、A idr0o r CMRK 在分析運算放大器的電在分析運算放大器的電路時，一般把路時，一般把運算放大器看運算放大器看成理想元件。成理想元件。+ u+uuo icr 運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線稱為曲線稱為。uo uuuio線性工作區(qū)線性工作區(qū)正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負飽和區(qū)負飽和區(qū) )(didO uuAuAuuu+ u+uuoduA很大很大iu當當很小時，運放工作很小時，運放工作在線性區(qū)。在線性區(qū)。uo uuuio正飽和區(qū)正飽和區(qū) 負飽和區(qū)負飽和區(qū) )(didO uuAuAuuu+ u+uuo duA uu uu OOUu OOUu時，時， 為了

6、讓運放工作在線性區(qū)，必須加負反饋，為了讓運放工作在線性區(qū)，必須加負反饋，限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。工作在飽和區(qū)的理想運放工作在飽和區(qū)的理想運放)(dO uuAuu uu uu OOUu OOUu時，時，時，時，0)( uu 相當于兩輸入端之間相當于兩輸入端之間, 但又未真正短路，故但又未真正短路，故稱稱 “” 。 相當于兩輸入端之間相當于兩輸入端之間，但又未真正斷路，故，但又未真正斷路，故稱稱 “”。2. i+= i = 0 1. u+= u,而而uo是有限值是有限值,運放開環(huán)輸入電阻運放開環(huán)輸入電阻 idr 由于由于故從式故從式,可知可知 duA)(dO uuAuu+

7、u+uuoii+1. 反相比例運算電路反相比例運算電路0 ii虛斷虛斷F 1 ii -0 uu虛地虛地fFORiu 1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡電阻平衡電阻f1/RRR 輸入電阻輸入電阻:ri11IiRiur IOuu f1RR 若若則則iFR1Rfi1uIR + uou+u-例例12.1 有一電阻式壓力傳感器，其輸出阻抗為有一電阻式壓力傳感器，其輸出阻抗為500 ，測量范圍是測量范圍是（010）Mpa,其靈敏度是其靈敏度是+1mV/ 0.1Mpa,現(xiàn)在要用一個輸入現(xiàn)在要用一個輸入0V5V的標準表來顯示這個傳感器的標準表來顯示這個傳感器測量的壓力變化，

8、需要一個放大器把傳感器輸出的信測量的壓力變化，需要一個放大器把傳感器輸出的信號放大到標準表輸入需要的狀態(tài)，設(shè)計放大器并確定號放大到標準表輸入需要的狀態(tài)，設(shè)計放大器并確定各元件參數(shù)。各元件參數(shù)。解：解：采用反相比例構(gòu)成放大器，采用反相比例構(gòu)成放大器，放大器的最高輸入電壓為：放大器的最高輸入電壓為：（10 Mpa/ 0.1Mpa） 1mV=100mV放大器的最高輸出電壓（標準表的最高輸入）為放大器的最高輸出電壓（標準表的最高輸入）為5V。 放大倍數(shù)：放大倍數(shù)：5/ 0.1 =50第一級放大后再接一級反相器，使相位符合要求。第一級放大后再接一級反相器，使相位符合要求。（1）?。┤?k101 R為信號

9、源內(nèi)阻的為信號源內(nèi)阻的20倍。倍。（2）k500501f RRk8 . 9/f1 RRR（3）（4）運放采用運放采用LM741，10V對稱電源供電。對稱電源供電。k5012f2 RR（5）k25/f2122 RRR（6）R1RfR + R12Rf2R2 + 2. 反相加法運算電路反相加法運算電路iF = i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 則則 uO = (uI1+ uI2)R = R1 / R2 / Rf平衡電阻平衡電阻iFR1Rfi1uI1R uI2+ uou+u-i23. 反相積分電路反相積分電路1I1Rui tuC

10、iddOF = tuCRud1oIf1R1 Cf 稱為積分時間常數(shù)。稱為積分時間常數(shù)。OMU 當當uI為階躍電壓時，則為階躍電壓時，則uo0tuI0tf1IoCRtuu Uuo隨時間線性隨時間線性下降，最后達下降，最后達到負飽和值。到負飽和值。iFR1Cfi1uIR + uou+u-4. 反相微分電路反相微分電路tuCiddI11 -0 u虛地虛地fOFRui F 1 ii 虛斷虛斷tuCRRiuddI1ffFO RfC1稱為微分稱為微分時間常數(shù)時間常數(shù)當當uI為階躍電壓時，為階躍電壓時， uo為尖脈沖電壓。為尖脈沖電壓。 uI0Uuo0tiFRfC1i1uIR + uou+u-+1. 同相比

11、例運算同相比例運算 I- uuu F 1 ii ,fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu R2 = R1 / Rf平衡電阻平衡電阻當當 R1 = 時，時，跟隨器跟隨器IOuu 或當或當R1 = ，Rf = 0 時時，R1iFRfi1uIR2+ uou+u-RfuIR2+ uouI+ uo（1）輸入與輸出信號同相。）輸入與輸出信號同相。 （2）輸入電阻大，輸出電阻小。輸入電阻大，輸出電阻小。（3）存在共模輸入信號，）存在共模輸入信號，對對 KCMR 的要求高的要求高。例例12.3 如圖所示電路，計算輸出電壓如圖所示電路，計算輸出電壓uo 的大小。的大小。+ uoV15 k5 . 7k15k

12、15u+解：解：該電路是一電壓跟隨器。該電路是一電壓跟隨器。u+=7.5V輸出電壓輸出電壓 uo=7.5ViFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uoi2i32. 同相加法運算電路同相加法運算電路2I12Ruui 3I23Ruui 32ii 3I22I1RuuRuu )(32323I22I1RRRRRuRuu 11Rui fO-FRuui 可推出可推出由由 uufO-1-RuuRu F1ii Of11uRRRu )(1(322I2321I31fORRuRRRuRRRu 若若 R2 = R3 則則 uO = uI1+ uI2 若再有若再有Rf = R1 )(1(212I1I1fOuuRRu 例例

13、12.4如圖所示電路，寫出電流如圖所示電路，寫出電流 iL與輸入電壓與輸入電壓uI 的關(guān)系式。的關(guān)系式。解：解：iLR1R2RLi1uI+ u+u-u+ = u = uIiL = i1 = uI / R11. 輸出電流與負載大小無關(guān)。輸出電流與負載大小無關(guān)。2. 恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源。恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源。（電壓（電壓電流轉(zhuǎn)換器）電流轉(zhuǎn)換器）iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-323I2RRRuuu F1ii 整理整理可得可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu 1-I11Ruui fO-FRuui 當當21RR 時，時，)(I1I21fOuuRRu 3fRR 和

14、和1fRR I1I2Ouuu 則上式為則上式為當當時，則得時，則得iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-323I2RRRuuu F1ii 整理整理可得可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu 1-I11Ruui fO-FRuui 當當21RR 時，時，)(I1I21fOuuRRu 3fRR 和和1fRR I1I2Ouuu 則上式為則上式為當當時，則得時，則得R1R1Rf + Rf+ uou+u-Rf+US例例12.5 如圖所示電路，是用運放構(gòu)成的測量電路，如圖所示電路，是用運放構(gòu)成的測量電路， US 為恒壓源，若為恒壓源，若 Rf是某個非電量（如壓力或溫度）是某個非

15、電量（如壓力或溫度）的變化所引起的傳感元件的阻值變化量。試寫出的變化所引起的傳感元件的阻值變化量。試寫出uO 與與 Rf 之間的關(guān)系式。之間的關(guān)系式。解：解：S1ffURRR 由差分運算電路的輸由差分運算電路的輸入、輸出關(guān)系可得入、輸出關(guān)系可得Sf1f1ffo)1(URRRRRRu 整理整理可得可得Sf1foURRRu 輸出信號電壓與傳感輸出信號電壓與傳感元件阻值變化量成正比。元件阻值變化量成正比。 當運放工作于當運放工作于或或的工作狀態(tài)時，運的工作狀態(tài)時，運放工作在放工作在區(qū)。區(qū)。 運放的非線性特性在自動控制系統(tǒng)和數(shù)字技術(shù)運放的非線性特性在自動控制系統(tǒng)和數(shù)字技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。中有廣泛應(yīng)用。1

16、. 電壓比較器電壓比較器 電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個參考電壓進行比較，當兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此參考電壓進行比較，當兩者相等時產(chǎn)生躍變，由此判別輸入信號的大小和極性。判別輸入信號的大小和極性。R1R2ui+ uo+UREF+1. 電壓比較器電壓比較器ui UREF當當ui UREF時時， uO = UOMui UREF時時， uo = +UOMui = UREF時時， uO 發(fā)生躍變發(fā)生躍變uoiuoUREF電壓傳輸特性電壓傳輸特性當參考電壓當參考電壓UREF=0時時，稱為過零比較器。，稱為過零比較器。若若ui為正弦波，畫出為正弦波，畫出u

17、o的波形。的波形。uootR1R2ui+ uo+UREF+uoiuoUREFoiutoiutuoot 在輸出端與反相輸入端接一個雙向穩(wěn)壓管在輸出端與反相輸入端接一個雙向穩(wěn)壓管 ，即可把輸出電壓限制在某一特定值。即可把輸出電壓限制在某一特定值。uoiuoR1R2ui+ uo+DZ當當ui 0時時， uO = UZui 0 時時， uO = +UZ2. 滯回比較器滯回比較器 滯回比較器是一種能判斷出兩種狀態(tài)的開關(guān)電滯回比較器是一種能判斷出兩種狀態(tài)的開關(guān)電路，廣泛應(yīng)用于自動控制電路中。路，廣泛應(yīng)用于自動控制電路中。uoiuoR1R2uI+ uoUREFRfu+u-u+ uf2OM2f2REFfRRU

18、RRRURu f2OM2f2REFf)(RRURRRURu 時時設(shè)電路輸出為設(shè)電路輸出為OMU時時設(shè)電路輸出為設(shè)電路輸出為OMU 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。時，電路輸出狀態(tài)發(fā)生時，電路輸出狀態(tài)發(fā)生或或等于等于當當 uuuIu+：上門限電平：上門限電平 u：下門限電平：下門限電平 uuu：回差電壓：回差電壓例例12.6電冰箱用電子溫度控制器，當箱內(nèi)溫度達電冰箱用電子溫度控制器，當箱內(nèi)溫度達10C時壓縮機工作，當下降達時壓縮機工作，當下降達0C時壓縮機停，溫時壓縮機停，溫度變化用熱敏電阻檢驗，熱敏電阻對應(yīng)溫度變化是度變化用熱敏電阻檢驗，熱敏電阻對應(yīng)溫度變化是0.1 /0C，量電路，在，量電路，在 0C時電阻值是

19、時電阻值是50 ，用繼，用繼電器控制壓縮機電源的通斷，繼電器線圈直流電阻電器控制壓縮機電源的通斷，繼電器線圈直流電阻為為500 ，工作電壓，工作電壓為為10V12V，采用運放構(gòu)成滯，采用運放構(gòu)成滯回比較器接通和切斷控制信號。若信號放大器輸出回比較器接通和切斷控制信號。若信號放大器輸出對應(yīng)對應(yīng)10C時為時為0.6V，對應(yīng)，對應(yīng)0C時為時為0.1V。試畫出電路原理圖并計算出各元件參數(shù)。試畫出電路原理圖并計算出各元件參數(shù)。 解：解：用電橋構(gòu)成溫度用電橋構(gòu)成溫度-電壓變換電路，橋臂工作電流限制在電壓變換電路，橋臂工作電流限制在1mA以內(nèi)。以內(nèi)。采用差動放大、反相比例、滯回比較器，構(gòu)成控制電路。采用差動

20、放大、反相比例、滯回比較器，構(gòu)成控制電路。R1R1RfRf+ R21Rf1R22+ uO1R31R41+ uO2RR32Rf2MKK220V+12V+12V12k 12k +12VRt50 50 RpUI1UI2UZ+UDRP1橋臂電阻：橋臂電阻：因電流限制在因電流限制在1mA內(nèi)，各內(nèi)，各橋臂電阻不小于橋臂電阻不小于12k 。信號放大參數(shù)：信號放大參數(shù)：溫度：溫度： 0C 10C時，電橋輸出為時，電橋輸出為0.2mV 1.2mV。滯回比較器輸入滯回比較器輸入應(yīng)為應(yīng)為0.1V 0.6V。電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)100倍（差動放大倍（差動放大10倍，比例放大倍，比例放大50倍）。倍）。R1R1Rf

21、Rf+ R21Rf1R22+ uO1R31R41+ uO2RR32Rf2MKK220V+12V+12V12k 12k +12VRt50 50 RpUI1UI2UZ+UDRP1k100 k10f1 RR取取k500 k10f121 RR取取滯回比較器：滯回比較器：選用選用UZ= 6.2 Vf23232f232REFf22 . 66 . 0RRRRRUR f23232f232REFf2)2 . 6(1 . 0RRRRRUR 則有：則有：整理可得：整理可得：8 .2432f2 RRk119 k5f232 RR取取則：則：V365. 0REF U其它及詳細計算見書例其它及詳細計算見書例12.5*12.

22、3 集成運算放大器集成運算放大器使用中應(yīng)注意的問題使用中應(yīng)注意的問題 通用型、高輸入阻抗型、低功耗型、低漂移型、通用型、高輸入阻抗型、低功耗型、低漂移型、高速型、高壓型、大功率型等。高速型、高壓型、大功率型等。 主要用于測量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器主要用于測量放大器、模擬調(diào)節(jié)器、有源濾波器及采樣及采樣-保持電路等。典型器件為保持電路等。典型器件為5G28。 主要用于精密檢測、精密模擬計算、自控儀表等。主要用于精密檢測、精密模擬計算、自控儀表等。典型器件為典型器件為5G7650。 主要用于遙測、遙感、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究主要用于遙測、遙感、生物醫(yī)學(xué)和空間技術(shù)研究等對能源消耗有限制的場合。等對能源消耗有限制的場合。 主要用于要求輸出功率大的場合。典型器件為主要用于要求輸出功率大的場合。典型器件為MGELI65。 主要用于快速模主要用于快速模-數(shù)和數(shù)數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器、有源濾波、模轉(zhuǎn)換器、有源濾波、高速采樣保持電路和視頻放大器等。高速采樣保持電路和視頻放大器等。 外接外接RC消振電路或消振電容，破