第12章-运算放大器课件.ppt

1、12.1 集成运算放大器集成运算放大器把整个电路的各个元件以及相互之把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。不可分的整体。体积小、外部接线少、功耗低、体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。可靠性高、灵活性高、价格低。 具有很高开环电压放大倍数具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。量技术、自动控制等领域。输入级：输入级： 差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。差动放大器，减少零点漂移、提高

2、输入阻抗。输出级：输出级： 射极输出器或互补对称功率放大器，提高射极输出器或互补对称功率放大器，提高 带载能力。带载能力。偏置电路：偏置电路： 为各级提供稳定、合适的静态工作点。为各级提供稳定、合适的静态工作点。偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级中间级：中间级： 电压放大。电压放大。反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端+ u+uuo反相输反相输入端入端同相输同相输入端入端输出端输出端+623 7415+15V-15V10k 1k 当当输入信号输入信号为零时，为零时，输出为零。输出为零。8为空脚为空脚2. . 输入失调电压输入失调电压 U IO使使UO= 0，输

3、入端施加的补偿电压，输入端施加的补偿电压几毫伏几毫伏3. . 输入失调电流输入失调电流 IIOUO = 0 时，输入级两输入端时，输入级两输入端的静态电流之差。的静态电流之差。1 nA 0.1 A1. . 开环差模电压增益开环差模电压增益 Aud104 1074. .差模输入电阻差模输入电阻 r id输出电阻输出电阻 ro几百千欧几百千欧 几兆欧几兆欧几十欧几十欧 几百欧几百欧)dB(lg20cdCMRuuAAK 5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB6. . 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdmax共模输入共模输入U IC 过大，过大，K CMR下降。下降。当当 UId过大

4、时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击穿。结可能因反压过大而被击穿。LM741 为为 36 V7. .最大共模输入电压最大共模输入电压 UICmax9. . 最大输出电压幅度最大输出电压幅度 UOPP如电源电压如电源电压 15 V，U OPP 为为 13 14 VLM741 为为 16 V两输入端间允许加的最大差模输入电压。两输入端间允许加的最大差模输入电压。能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。8. .静态功耗静态功耗 PCO几十毫瓦几十毫瓦12.2 理想集成运算放大器的分析方法理想集成运算放大器的分析方法 ud

5、A idr0o r CMRK 在分析运算放大器的电在分析运算放大器的电路时，一般把路时，一般把运算放大器看运算放大器看成理想元件。成理想元件。+ u+uuo icr 运算放大器输出电压与输入电压之间的关系运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为曲线称为。uo uuuio线性工作区线性工作区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 )(didO uuAuAuuu+ u+uuoduA很大很大iu当当很小时，运放工作很小时，运放工作在线性区。在线性区。uo uuuio正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 )(didO uuAuAuuu+ u+uuo duA uu uu OOUu OOUu时，时， 为了

6、让运放工作在线性区，必须加负反馈，为了让运放工作在线性区，必须加负反馈，限制其闭环电压放大倍数。限制其闭环电压放大倍数。工作在饱和区的理想运放工作在饱和区的理想运放)(dO uuAuu uu uu OOUu OOUu时，时，时，时，0)( uu 相当于两输入端之间相当于两输入端之间, 但又未真正短路，故但又未真正短路，故称称 “” 。 相当于两输入端之间相当于两输入端之间，但又未真正断路，故，但又未真正断路，故称称 “”。2. i+= i = 0 1. u+= u,而而uo是有限值是有限值,运放开环输入电阻运放开环输入电阻 idr 由于由于故从式故从式,可知可知 duA)(dO uuAuu+

7、u+uuoii+1. 反相比例运算电路反相比例运算电路0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地fFORiu 1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡电阻平衡电阻f1/RRR 输入电阻输入电阻:ri11IiRiur IOuu f1RR 若若则则iFR1Rfi1uIR + uou+u-例例12.1 有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500 ，测量范围是测量范围是（010）Mpa,其灵敏度是其灵敏度是+1mV/ 0.1Mpa,现在要用一个输入现在要用一个输入0V5V的标准表来显示这个传感器的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，

8、需要一个放大器把传感器输出的信测量的压力变化，需要一个放大器把传感器输出的信号放大到标准表输入需要的状态，设计放大器并确定号放大到标准表输入需要的状态，设计放大器并确定各元件参数。各元件参数。解：解：采用反相比例构成放大器，采用反相比例构成放大器，放大器的最高输入电压为：放大器的最高输入电压为：（10 Mpa/ 0.1Mpa） 1mV=100mV放大器的最高输出电压（标准表的最高输入）为放大器的最高输出电压（标准表的最高输入）为5V。 放大倍数：放大倍数：5/ 0.1 =50第一级放大后再接一级反相器，使相位符合要求。第一级放大后再接一级反相器，使相位符合要求。（1）取）取 k101 R为信号

9、源内阻的为信号源内阻的20倍。倍。（2）k500501f RRk8 . 9/f1 RRR（3）（4）运放采用运放采用LM741，10V对称电源供电。对称电源供电。k5012f2 RR（5）k25/f2122 RRR（6）R1RfR + R12Rf2R2 + 2. 反相加法运算电路反相加法运算电路iF = i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)R = R1 / R2 / Rf平衡电阻平衡电阻iFR1Rfi1uI1R uI2+ uou+u-i23. 反相积分电路反相积分电路1I1Rui tuC

10、iddOF = tuCRud1oIf1R1 Cf 称为积分时间常数。称为积分时间常数。OMU 当当uI为阶跃电压时，则为阶跃电压时，则uo0tuI0tf1IoCRtuu Uuo随时间线性随时间线性下降，最后达下降，最后达到负饱和值。到负饱和值。iFR1Cfi1uIR + uou+u-4. 反相微分电路反相微分电路tuCiddI11 -0 u虚地虚地fOFRui F 1 ii 虚断虚断tuCRRiuddI1ffFO RfC1称为微分称为微分时间常数时间常数当当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。 uI0Uuo0tiFRfC1i1uIR + uou+u-+1. 同相比

11、例运算同相比例运算 I- uuu F 1 ii ,fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu R2 = R1 / Rf平衡电阻平衡电阻当当 R1 = 时，时，跟随器跟随器IOuu 或当或当R1 = ，Rf = 0 时时，R1iFRfi1uIR2+ uou+u-RfuIR2+ uouI+ uo（1）输入与输出信号同相。）输入与输出信号同相。 （2）输入电阻大，输出电阻小。输入电阻大，输出电阻小。（3）存在共模输入信号，）存在共模输入信号，对对 KCMR 的要求高的要求高。例例12.3 如图所示电路，计算输出电压如图所示电路，计算输出电压uo 的大小。的大小。+ uoV15 k5 . 7k15k

12、15u+解：解：该电路是一电压跟随器。该电路是一电压跟随器。u+=7.5V输出电压输出电压 uo=7.5ViFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uoi2i32. 同相加法运算电路同相加法运算电路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 则则 uO = uI1+ uI2 若再有若再有Rf = R1 )(1(212I1I1fOuuRRu 例例

13、12.4如图所示电路，写出电流如图所示电路，写出电流 iL与输入电压与输入电压uI 的关系式。的关系式。解：解：iLR1R2RLi1uI+ u+u-u+ = u = uIiL = i1 = uI / R11. 输出电流与负载大小无关。输出电流与负载大小无关。2. 恒压源转换成为恒流源。恒压源转换成为恒流源。（电压（电压电流转换器）电流转换器）iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-323I2RRRuuu F1ii 整理整理可得可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu 1-I11Ruui fO-FRuui 当当21RR 时，时，)(I1I21fOuuRRu 3fRR 和

14、和1fRR I1I2Ouuu 则上式为则上式为当当时，则得时，则得iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-323I2RRRuuu F1ii 整理整理可得可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu 1-I11Ruui fO-FRuui 当当21RR 时，时，)(I1I21fOuuRRu 3fRR 和和1fRR I1I2Ouuu 则上式为则上式为当当时，则得时，则得R1R1Rf + Rf+ uou+u-Rf+US例例12.5 如图所示电路，是用运放构成的测量电路，如图所示电路，是用运放构成的测量电路， US 为恒压源，若为恒压源，若 Rf是某个非电量（如压力或温度）是某个非

15、电量（如压力或温度）的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出的变化所引起的传感元件的阻值变化量。试写出uO 与与 Rf 之间的关系式。之间的关系式。解：解：S1ffURRR 由差分运算电路的输由差分运算电路的输入、输出关系可得入、输出关系可得Sf1f1ffo)1(URRRRRRu 整理整理可得可得Sf1foURRRu 输出信号电压与传感输出信号电压与传感元件阻值变化量成正比。元件阻值变化量成正比。 当运放工作于当运放工作于或或的工作状态时，运的工作状态时，运放工作在放工作在区。区。 运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术中有广泛应用。中有广泛应用。1

16、. 电压比较器电压比较器 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。判别输入信号的大小和极性。R1R2ui+ uo+UREF+1. 电压比较器电压比较器ui UREF当当ui UREF时时， uO = UOMui UREF时时， uo = +UOMui = UREF时时， uO 发生跃变发生跃变uoiuoUREF电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压UREF=0时时，称为过零比较器。，称为过零比较器。若若ui为正弦波，画出为正弦波，画出u

17、o的波形。的波形。uootR1R2ui+ uo+UREF+uoiuoUREFoiutoiutuoot 在输出端与反相输入端接一个双向稳压管在输出端与反相输入端接一个双向稳压管 ，即可把输出电压限制在某一特定值。即可把输出电压限制在某一特定值。uoiuoR1R2ui+ uo+DZ当当ui 0时时， uO = UZui 0 时时， uO = +UZ2. 滞回比较器滞回比较器 滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电路，广泛应用于自动控制电路中。路，广泛应用于自动控制电路中。uoiuoR1R2uI+ uoUREFRfu+u-u+ uf2OM2f2REFfRRU

18、RRRURu f2OM2f2REFf)(RRURRRURu 时时设电路输出为设电路输出为OMU时时设电路输出为设电路输出为OMU 转换。转换。时，电路输出状态发生时，电路输出状态发生或或等于等于当当 uuuIu+：上门限电平：上门限电平 u：下门限电平：下门限电平 uuu：回差电压：回差电压例例12.6电冰箱用电子温度控制器，当箱内温度达电冰箱用电子温度控制器，当箱内温度达10C时压缩机工作，当下降达时压缩机工作，当下降达0C时压缩机停，温时压缩机停，温度变化用热敏电阻检验，热敏电阻对应温度变化是度变化用热敏电阻检验，热敏电阻对应温度变化是0.1 /0C，量电路，在，量电路，在 0C时电阻值是

19、时电阻值是50 ，用继，用继电器控制压缩机电源的通断，继电器线圈直流电阻电器控制压缩机电源的通断，继电器线圈直流电阻为为500 ，工作电压，工作电压为为10V12V，采用运放构成滞，采用运放构成滞回比较器接通和切断控制信号。若信号放大器输出回比较器接通和切断控制信号。若信号放大器输出对应对应10C时为时为0.6V，对应，对应0C时为时为0.1V。试画出电路原理图并计算出各元件参数。试画出电路原理图并计算出各元件参数。 解：解：用电桥构成温度用电桥构成温度-电压变换电路，桥臂工作电流限制在电压变换电路，桥臂工作电流限制在1mA以内。以内。采用差动放大、反相比例、滞回比较器，构成控制电路。采用差动

20、放大、反相比例、滞回比较器，构成控制电路。R1R1RfRf+ R21Rf1R22+ uO1R31R41+ uO2RR32Rf2MKK220V+12V+12V12k 12k +12VRt50 50 RpUI1UI2UZ+UDRP1桥臂电阻：桥臂电阻：因电流限制在因电流限制在1mA内，各内，各桥臂电阻不小于桥臂电阻不小于12k 。信号放大参数：信号放大参数：温度：温度： 0C 10C时，电桥输出为时，电桥输出为0.2mV 1.2mV。滞回比较器输入滞回比较器输入应为应为0.1V 0.6V。电压放大倍数电压放大倍数100倍（差动放大倍（差动放大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取取滞回比较器：滞回比较器：选用选用UZ= 6.2 Vf23232f232REFf22 . 66 . 0RRRRRUR f23232f232REFf2)2 . 6(1 . 0RRRRRUR 则有：则有：整理可得：整理可得：8 .2432f2 RRk119 k5f232 RR取取则：则：V365. 0REF U其它及详细计算见书例其它及详细计算见书例12.5*12.

22、3 集成运算放大器集成运算放大器使用中应注意的问题使用中应注意的问题 通用型、高输入阻抗型、低功耗型、低漂移型、通用型、高输入阻抗型、低功耗型、低漂移型、高速型、高压型、大功率型等。高速型、高压型、大功率型等。 主要用于测量放大器、模拟调节器、有源滤波器主要用于测量放大器、模拟调节器、有源滤波器及采样及采样-保持电路等。典型器件为保持电路等。典型器件为5G28。 主要用于精密检测、精密模拟计算、自控仪表等。主要用于精密检测、精密模拟计算、自控仪表等。典型器件为典型器件为5G7650。 主要用于遥测、遥感、生物医学和空间技术研究主要用于遥测、遥感、生物医学和空间技术研究等对能源消耗有限制的场合。

23、等对能源消耗有限制的场合。 主要用于要求输出功率大的场合。典型器件为主要用于要求输出功率大的场合。典型器件为MGELI65。 主要用于快速模主要用于快速模-数和数数和数-模转换器、有源滤波、模转换器、有源滤波、高速采样保持电路和视频放大器等。高速采样保持电路和视频放大器等。 外接外接RC消振电路或消振电容，破坏产生消振电路或消振电容，破坏产生自激震荡的条件。自激震荡的条件。 很多运放内部已有消振元件，毋须外部消振电很多运放内部已有消振元件，毋须外部消振电路。是否已消振，可将输入端接路。是否已消振，可将输入端接“地地”，用示波器，用示波器观察输出端有无自激震荡。观察输出端有无自激震荡。 将电路接

24、成闭环。将电路接成闭环。 (1) 无输入调零：无输入调零：将两输入端接将两输入端接“地地”，调节，调节调零电位器，使输出电压为零。调零电位器，使输出电压为零。 (2) 有输入时调零：有输入时调零：按已知输入电压，计算输出按已知输入电压，计算输出电压，将实际值调到计算值。电压，将实际值调到计算值。R1uI+ uoRfD1D2输入限幅输入限幅2. 输入端保护输入端保护1. 电源端保护电源端保护+VCCVCC+ 3. 输出保护输出保护RRui+ uo+DZRf输出限幅输出限幅 小小 结结 2. 2. 具有很高开环电压放具有很高开环电压放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的特性。可以工作大倍数、高输入阻抗

25、、低输出阻抗的特性。可以工作在线性和非线性两种状态。线性工作状态必须引入负在线性和非线性两种状态。线性工作状态必须引入负反馈。反馈。 3. 3. 工作在工作在“” “”是非常重要的概念。是非常重要的概念。1. 1. 将电路的输出量将电路的输出量部分或全部，通过一部分或全部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回路。定的元件，以一定的方式回送到输入回路。加入负加入负反馈可以改善放大器的性能。反馈可以改善放大器的性能。电压串联负反馈；电压电压串联负反馈；电压并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。并联负反馈；电流串联负反馈；电流并联负反馈。工作在工作在： uu uu OOUu OOUu时，时，时，时，