1、集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-1-10 10 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器10.1 10.1 集成運(yùn)放概述集成運(yùn)放概述10.2 10.2 放大電路中的負(fù)反饋放大電路中的負(fù)反饋10.3 10.3 集成運(yùn)放的基本運(yùn)算電路集成運(yùn)放的基本運(yùn)算電路10.4 10.4 信號處理中常用的運(yùn)算放大電路信號處理中常用的運(yùn)算放大電路10.5 10.5 信號發(fā)生電路信號發(fā)生電路10.6 10.6 使用運(yùn)放應(yīng)注意的幾個(gè)問題使用運(yùn)放應(yīng)注意的幾個(gè)問題反回反回集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-2-集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-3-u-u0中間級中間級輸出級輸出級置置 路路 偏偏 電電u+ui輸入級輸入級 集成運(yùn)放集成運(yùn)放: 由

2、多級直接耦合放大電路構(gòu)成由多級直接耦合放大電路構(gòu)成, 具有高具有高開環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。 集成運(yùn)放的組成框圖集成運(yùn)放的組成框圖集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-4-1. 輸入級輸入級 u由差動放大電路構(gòu)成由差動放大電路構(gòu)成抑制共模干擾信號抑制共模干擾信號, ,放大差模有用信號放大差模有用信號u兩個(gè)輸入端兩個(gè)輸入端: : u- u- 反相輸入端反相輸入端, , u u+ +同相輸入端同相輸入端u輸入阻抗高輸入阻抗高2. 2. 中間級中間級 要求要求: : 足夠大的電壓放大倍數(shù)。足夠大的電壓放大倍數(shù)。3輸出級輸出級u互補(bǔ)對稱功率放大電路互補(bǔ)對稱功率放大電路u帶負(fù)載能力強(qiáng)帶負(fù)載能力強(qiáng)(足夠的輸出功

3、率足夠的輸出功率P=VI)u輸出電阻小輸出電阻小集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-5-集成運(yùn)放集成運(yùn)放舉例舉例(A741單運(yùn)放單運(yùn)放)：2-反相輸入端反相輸入端3-同相輸入端同相輸入端4-負(fù)電源端負(fù)電源端 (-15V)7-正電源端正電源端 (+15V)1, 5-為外接調(diào)零電位器（為外接調(diào)零電位器（100k）6-為輸出端為輸出端8-為空腳。為空腳。A7411234 5678集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-6-集成電路的特點(diǎn) 在集成電路工藝中還難于制造電感元件和大容量在集成電路工藝中還難于制造電感元件和大容量電容，因此集成運(yùn)放主要采用電容，因此集成運(yùn)放主要采用直接耦合直接耦合。 運(yùn)算放大器的輸入級采用差

4、分放大電路，運(yùn)算放大器的輸入級采用差分放大電路，零漂小零漂小, ,抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)；輸入電阻大輸入電阻大。 在集成運(yùn)算放大器中往往用晶體管恒流源代替電阻。在集成運(yùn)算放大器中往往用晶體管恒流源代替電阻。 集成電路中的二極管都采用晶體管構(gòu)成集成電路中的二極管都采用晶體管構(gòu)成( (如基極與如基極與 集電極連在一起集電極連在一起) ) 采用雙電源供電采用雙電源供電集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-7-10.1.2 10.1.2 集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的主要參數(shù)1開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（開環(huán)電壓增益）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（開環(huán)電壓增益）Auo Auo越大，運(yùn)算精度就越高。越大，運(yùn)算精度就越高。 理

5、想情況為無窮大理想情況為無窮大.2開環(huán)差模輸入電阻開環(huán)差模輸入電阻rid 兩個(gè)輸入端加差模信號時(shí)的等效電阻。兩個(gè)輸入端加差模信號時(shí)的等效電阻。 一般一般rid為為3M左右或更高左右或更高(1000M以上以上)集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-8-3開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻ro 開環(huán)開環(huán)(無外接反饋無外接反饋)時(shí)時(shí), 輸出級的輸出電阻輸出級的輸出電阻 表征運(yùn)放帶負(fù)載的能力的指標(biāo)表征運(yùn)放帶負(fù)載的能力的指標(biāo) 越小越好，一般為越小越好，一般為600以下以下4最大輸出電壓最大輸出電壓UOM 額定負(fù)載額定負(fù)載 標(biāo)稱電源電壓，不明顯失真的最大標(biāo)稱電源電壓，不明顯失真的最大電壓，稱為最大輸出電壓電壓，稱為最大輸出

6、電壓 (略小于電源電壓，如略小于電源電壓，如13V）。）。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-9-5輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Uio 為使輸出電壓為零，在輸入端加一個(gè)補(bǔ)償電壓，為使輸出電壓為零，在輸入端加一個(gè)補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓該補(bǔ)償電壓稱為輸入失調(diào)電壓Uio。6共模抑制比共模抑制比KCMR KCMR越大，抑制共模噪聲的能力越強(qiáng)。越大，抑制共模噪聲的能力越強(qiáng)。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-10- 反相輸入端uu 同相輸入端信號傳輸方向ui輸出端理想運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)ouAO1. 集成運(yùn)放符號集成運(yùn)放符號()ooiouA uA uu 差動輸 入電壓集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-11-2

7、. 電壓傳輸特性uo0uiUOMUOM uo= f ( ui ) , 其中其中 ui = u u UiUi+線性區(qū)線性區(qū)uiUiUi+Ui+和uiUi- u-時(shí)，時(shí)，uo=UOMi-uO+ri+輸出電壓uo只有兩種可能：當(dāng)u+ u-時(shí)，時(shí)，uo= -UOM “虛斷”的條件原則上仍成立， 即i-=i+ 0 “虛短” 不成立，為什么？u+ +u- 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的分析分析uiuO_+u-u+i+集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-16-集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-17-AoFxoxixd xfxi 輸入信號輸入信號xd 凈輸入信號凈輸入信號xo 輸出信號輸出信號xf 反

8、饋信號反饋信號無反饋無反饋有反饋方框圖有反饋方框圖Ao= xo / xd開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù)F= xf / xo反饋系數(shù)反饋系數(shù)負(fù)反饋負(fù)反饋xd = xi xf閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù) xoAf = xi 正反饋正反饋xd = xi + xf集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-18-直流反饋：反饋信號中只含直流成分直流反饋：反饋信號中只含直流成分交流反饋：反饋信號中只含交流成分交流反饋：反饋信號中只含交流成分交、直流反饋：反饋信號中交、直流同時(shí)存在交、直流反饋：反饋信號中交、直流同時(shí)存在電壓反饋電壓反饋: : 反饋信號取自輸出電壓，與輸出電壓成正比反饋信號取自輸出電壓，與輸出電壓成正比電流反饋電

9、流反饋: : 反饋信號取自輸出電流，與輸出電流成正比反饋信號取自輸出電流，與輸出電流成正比串聯(lián)反饋串聯(lián)反饋: : 反饋信號表現(xiàn)為電壓形式，與輸入電壓進(jìn)行反饋信號表現(xiàn)為電壓形式，與輸入電壓進(jìn)行 比較，形成凈輸入電壓比較，形成凈輸入電壓并聯(lián)反饋并聯(lián)反饋: : 反饋信號表現(xiàn)為電流形式，與輸入電流進(jìn)行反饋信號表現(xiàn)為電流形式，與輸入電流進(jìn)行 比較，形成凈輸入電流。比較，形成凈輸入電流。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-19-電壓 串聯(lián) 負(fù)反饋電壓 并聯(lián) 負(fù)反饋電流 并聯(lián) 負(fù)反饋電流 串聯(lián) 負(fù)反饋負(fù)反饋的類型負(fù)反饋的類型輸出輸出輸入輸入輸出輸出輸入輸入輸出輸出集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-20-輸出端輸出端:

10、 將將uo的全部或部分回送到輸入端的全部或部分回送到輸入端, , 為電壓反饋；為電壓反饋；輸入端輸入端: : 反饋信號反饋信號以電壓形式出現(xiàn)以電壓形式出現(xiàn), ,實(shí)現(xiàn)電壓比較實(shí)現(xiàn)電壓比較為串聯(lián)反饋為串聯(lián)反饋；ud= ui uf 反饋信號反饋信號=0，則為電壓反饋，否則為電流反饋則為電壓反饋，否則為電流反饋.uo=0R1uf= oR1+Rfu電壓反饋：電壓反饋：RL跨接在輸出端與地之間，電流反饋則不然跨接在輸出端與地之間，電流反饋則不然集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-22-R1 1uouiR2 2+_+RLf fRuf+_-ud+反饋類型的判別反饋類型的判別 瞬時(shí)極性法瞬時(shí)極性法首先設(shè)輸入電壓的極性

11、首先設(shè)輸入電壓的極性在某一瞬時(shí)對地為正；在某一瞬時(shí)對地為正；最后分析同一瞬時(shí)凈輸入電壓的增減最后分析同一瞬時(shí)凈輸入電壓的增減 然后確定電路其余各點(diǎn)然后確定電路其余各點(diǎn) 的瞬時(shí)極性；的瞬時(shí)極性；由上述結(jié)果可知：引入反饋后使凈輸人電壓減小，為負(fù)反饋。由上述結(jié)果可知：引入反饋后使凈輸人電壓減小，為負(fù)反饋。因此本例為因此本例為 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路ud= ui ufuiAO集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-23-在輸入端在輸入端, , 反饋反饋信號以電流出現(xiàn)信號以電流出現(xiàn), , 實(shí)現(xiàn)電流比較實(shí)現(xiàn)電流比較為并聯(lián)反饋為并聯(lián)反饋；id = ii if ii ，為負(fù)反饋。為負(fù)反饋。凈輸入信號凈輸入

12、信號在輸出端在輸出端， if與與uo成正比成正比, , 為電壓反饋為電壓反饋；ifRLiuoRfR2R1ii反相輸入電路反相輸入電路_+uLuFA0uiuo+-+iiifii if idAOid集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-24-RLuiuoRfR2R1ii反相輸入電路反相輸入電路_+uLifu-if=u-_uoRf因?yàn)橐驗(yàn)樗詾殡妷悍答仭Ｋ詾殡妷悍答仭Ｐ盘栆噪娏鞒霈F(xiàn)信號以電流出現(xiàn), , if與與ii相比較相比較, ,為并聯(lián)反饋；為并聯(lián)反饋； (輸入反饋相同端，一般來說是并聯(lián)輸入反饋相同端，一般來說是并聯(lián)）+_idid = ii if ii ，為負(fù)反饋為負(fù)反饋。凈輸入信號凈輸入信號本例為本例

13、為 電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路-uoRf瞬時(shí)極性法瞬時(shí)極性法AO=id = ii if集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-25-ud= ui uf ui ，為負(fù)反饋為負(fù)反饋。凈輸入信號凈輸入信號在輸入端在輸入端, ,信號以電壓信號以電壓形式形式出現(xiàn)出現(xiàn), ,uf與與ui相比較相比較, ,為串聯(lián)反饋為串聯(lián)反饋；在輸出端，在輸出端， uf f與與 io成正比，為電流反饋成正比，為電流反饋；i02 21 1Ludui+uLioFA0uiuduf+- ui uf +uf+AOu0集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-26-在放大器輸入在放大器輸入端端, , 信號以電流出現(xiàn)信號以電流出現(xiàn), , if與與ii

14、相比較相比較, ,為并聯(lián)反饋為并聯(lián)反饋； id= ii if ii ，為負(fù)反饋為負(fù)反饋。凈輸入電流凈輸入電流在放大器輸出端在放大器輸出端， if與與 io成正比成正比，為電流反饋為電流反饋；FAoio+-+iiifii if idRL+iouLRfR3R1iiidifR2ui+-i3iLu0AO集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-27-RL+iouLRfR3R1iiidifR2ui+-i3iL各點(diǎn)的瞬時(shí)極性各點(diǎn)的瞬時(shí)極性u0各電流的實(shí)際方向各電流的實(shí)際方向id凈輸入電流凈輸入電流 id= ii if ii ，為負(fù)反饋為負(fù)反饋。R3+Rfif=ioR3,本例為本例為 電流并聯(lián)負(fù)反饋電路電流并聯(lián)負(fù)反饋電

15、路AO反饋信號以電流形式出現(xiàn)反饋信號以電流形式出現(xiàn), 并聯(lián)并聯(lián).RLuLRfR3if+-iio集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-28-1. 串并規(guī)律看輸入串并規(guī)律看輸入輸入反饋不同端，一般來說是串聯(lián)輸入反饋不同端，一般來說是串聯(lián) uf輸入反饋相同端，一般來說是并聯(lián)輸入反饋相同端，一般來說是并聯(lián) if2. 電壓電流看輸出電壓電流看輸出 uf (if) 直接直接與與uo成正比，電壓反饋成正比，電壓反饋 uf (if) 直接直接與與io 成正比，電流反饋成正比，電流反饋3. 正負(fù)規(guī)律看瞬時(shí)正負(fù)規(guī)律看瞬時(shí) 根據(jù)瞬時(shí)極性法，若凈輸入增加，則為正反饋根據(jù)瞬時(shí)極性法，若凈輸入增加，則為正反饋; 若凈輸若凈輸入減

16、少，則為負(fù)反饋。入減少，則為負(fù)反饋。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-29- 例題例題 反饋類型的判別反饋類型的判別uiA1A2ufuoRFRL在輸入端在輸入端：ud =ui- uf11。其值愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜Ｆ渲涤螅?fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，強(qiáng)，Af也就愈小。也就愈小。 引入負(fù)反饋后閉環(huán)放大倍數(shù)引入負(fù)反饋后閉環(huán)放大倍數(shù) Af小于開環(huán)放大倍小于開環(huán)放大倍數(shù)數(shù)A Ao o . .閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù)反饋深度反饋深度:AoFxoxixdxf集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-34-AFxoxixdxf 2.2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性設(shè)開環(huán)放大倍數(shù)的相對變化率為dA/AAf=A1+AF，對A求

17、導(dǎo)得dAfdA=11+AFAF(1+AF )2=1(1+AF)2，dAf=dA(1+AF )2dAfAf=dA/A(1+AF )21+AF=dAA.11+AF閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化率為 dAf/AfdAfAf=dAA1.1+AF集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-35-AFxoxixdxf 0.707AoAfffHAAfAo0.707AffHfBWf 1 AF BW加入負(fù)反饋使放大器加入負(fù)反饋使放大器的通頻帶展寬的通頻帶展寬0無負(fù)反饋無負(fù)反饋有負(fù)反饋有負(fù)反饋BWBWf運(yùn)放直接耦合，頻運(yùn)放直接耦合，頻率為零時(shí)頻響曲線率為零時(shí)頻響曲線仍平坦。仍平坦。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-36-ufuiuiuo負(fù)

18、反饋負(fù)反饋改善了波形失真改善了波形失真A加入加入負(fù)反饋負(fù)反饋無負(fù)反饋無負(fù)反饋FAuoudud= ui集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-37-集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-38-集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-39-1、反相輸入比例運(yùn)算電路反相輸入比例運(yùn)算電路uiuoi1ifiRfR1R2Rf f引入負(fù)反饋引入負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋R1輸入電阻輸入電阻Rf反饋電阻反饋電阻R2平衡電阻平衡電阻R2= R1/ Rfi+集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-40-反相輸入運(yùn)算關(guān)系反相輸入運(yùn)算關(guān)系uiuoi1ifi-RfR1R2“虛斷路虛斷路” i-= 0uif = oRfi1 =ifAf = = uou

19、iRfR1反相比例系數(shù)反相比例系數(shù) 當(dāng)當(dāng)Rf=R1=R時(shí)時(shí)uoAf = = 1ui反相器反相器“虛地虛地”u-=u+=0uii1 = R1，ui R1u= oRfuo= - (Rf /R1)ui集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-41-1)輸入電阻低反相比例器引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋2)輸出電阻低反相比例器的特點(diǎn)反相比例器的特點(diǎn) uiuoi1i-RfR1R2if+阻抗匹配環(huán)節(jié)阻抗匹配環(huán)節(jié)集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-42-2、同相輸入比例運(yùn)算電路、同相輸入比例運(yùn)算電路uu = o -R1R1 Rf+u+u =-故有故有： Af = uoui = 1+ RfR1 1 同相輸入比例系數(shù)同相輸入比例系數(shù)id 0

20、=uiuu = o iR1R1 Rf+ = 1+ ui Rf R1 1uoRfR1R2ui1if同相比例運(yùn)算電路uidu+u_oi集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-43-同相輸入比例器的特點(diǎn)同相輸入比例器的特點(diǎn)同相輸入比例器屬于同相輸入比例器屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋。1)1) 輸入電阻高輸入電阻高在理想運(yùn)放的情況下，在理想運(yùn)放的情況下，輸入電阻：輸入電阻：ri2)2) 輸出電阻低輸出電阻低在理想運(yùn)放的情況下，在理想運(yùn)放的情況下，ro0RfR1R2uoi1if同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路ui+uduf集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-44-3. 電壓跟隨器電壓跟隨器當(dāng)R1=, Rf=0時(shí)uo

21、 = ui同相跟隨器同相跟隨器uiR2uoRfR1R2uoi1if同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路ui = 1+ ui Rf R1 1uo輸入電阻高，輸出電阻低輸入電阻高，輸出電阻低集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-45-fu obui1 ui3ui2 i1i2i3if132Rb=R1 / R2 / R3 / Rf 反相加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-46-ui1 fu obui3ui2 i1i2i3if132 u = ( + + ) ui2 oui1 ui3 RfRfRfR1R2R3i-因i-= 0，故i1+i2+i3=if即ui1u-R1ui2u-R2+ui3u-R3

22、+uoRfu-=u_u_又 “虛地虛地”運(yùn)算關(guān)系運(yùn)算關(guān)系集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-47-其中其中 R = R21 R22 R uO = 1+ + R + + RfR1R21ui1R22ui2ui1u+R21+ +ui2u+R22 =u+Rf211uoui1ui222同相加法運(yùn)算電路同相加法運(yùn)算電路ui2ui1u+=R21R22+ +R21R22R1 1+ +1 1+ +1 1RfuO = 1+ + R1u+ui1ui2u+= R + + R21R221R集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-48- = 1+ ui2 uoRfR1R2 + R3R3- - ui1RfR110.3.3 差動運(yùn)算差動運(yùn)算

23、差動比例運(yùn)算電路差動比例運(yùn)算電路因i-= 0，u_=ui1_i1R1i1 =if=ui1_uoR1+ Rfui1=_.R1ui1_uoR1+ Rfui1ui2u+=ui2R3R2+ R3u_=u+uoR3RfR1R2i-u_u+ifi1u+集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-49-uoR1R2R3ui2ui1Rf = 1+ ui2 uoRfR1R2 + R3R3- - ui1RfR1當(dāng)Rf=R1=R2=R3時(shí)u0 = ui2ui1減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-50-R 11ui121132212uof1uRRRRRRi2f2uo= ui1 ui2 13RRRRRR 11 12

24、f2f1f2 兩級反相輸入減法運(yùn)算電路兩級反相輸入減法運(yùn)算電路uo1集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-51-R1 1uoi1uiCifR2i1=if ，uR1i1 = ,i因因 uN=0,uN11iNofiu111u -u =i dt =dt =udtCCRRC1oi1u =u dtR C集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-52- 輸入為階躍電壓時(shí)積輸入為階躍電壓時(shí)積分器的輸出波形分器的輸出波形 uidt= uo CR10totuootuiVR1 1uoi1uiCifR21=VV-t=-tRC 對對ui=-V積分積分輸出輸出uo斜率為正斜率為正集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-53-53ui-uooVut集

25、成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-54-uuOiC duidtuo= Rf C 2 2f輸入與輸出輸入與輸出的關(guān)系式為的關(guān)系式為10.3.5 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路i1ifuN1iduiCdt1fiiNoffuui RifduR Cdt集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-55-uo若輸入為方波若輸入為方波則輸出波形為則輸出波形為ui duidtuo= Rf C 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-56-應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器Cf21uouiC1f依據(jù)虛斷和虛短原則if = i1+ic1Cfuo = (if Rf + - ifdt)duiu = ( + ) + RfC1 + ui dt oRfR

26、1C1CfuidtR1Cf1ici1ifi1 =iC =C1 dui dtuiR1，0 -集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-57-HW10-1:10.2 (a), (c), (e)10.7 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-58-集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-59- 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制: :u 非電量非電量=電信號電信號u 電信號是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)電信號是時(shí)間的連續(xù)函數(shù), ,又叫模擬信號又叫模擬信號u 模擬信號等周期采樣模擬信號等周期采樣: :離散間間信號離散間間信號u 離散時(shí)間信號需保持一段時(shí)間離散時(shí)間信號需保持一段時(shí)間, ,以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號號, ,該過程叫模數(shù)轉(zhuǎn)換該過程叫模數(shù)

27、轉(zhuǎn)換. .集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-60-uu高電平，高電平，S閉合，電路處于采樣階段閉合，電路處于采樣階段, ui對對C充電充電 uc=ui, uo=uc= uo=ui(電壓跟隨器電壓跟隨器) u u低電平，低電平，S斷開，電路處于保持階段斷開，電路處于保持階段, uo=uc (電容電容 無放電回路無放電回路)uiuou0t(b) 輸入輸出信號波形輸入輸出信號波形(a) 電路電路 uiuouc控制信號控制信號uCRS控制信號控制信號u集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-61-UOHUOLuiuo0-UDUR0uiuoUZR1R2RDzuOuiuRR1R2uouiuRUR 反相輸入比較器反相輸入

28、比較器 同相輸入比較器同相輸入比較器（開環(huán)、非線性）（開環(huán)、非線性）集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-62-R1R2UOHUOLttUOHUOL000uiuouOuiuoui集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-63-UZUZ URR1R2R2R3R1URDzUZ0uiuouOui 輸入求和型任意電平比較器輸入求和型任意電平比較器因?yàn)橐驗(yàn)?u+ = 0設(shè)設(shè) u- = 0，則有則有：uiR2+ UR R1=0轉(zhuǎn)折電壓轉(zhuǎn)折電壓：ui= URR2R1211212RRURRRuRuRi集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-64-10.4.3 10.4.3 有源濾波器有源濾波器u濾波器濾波器: 選頻器選頻器, 選出有用信號

29、，抑制無用的信號選出有用信號，抑制無用的信號.理解為放大電路理解為放大電路, 放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)A(f) 抽象為系統(tǒng)抽象為系統(tǒng), 通過有用信號，阻止無用信號通過有用信號，阻止無用信號u分類分類 按頻率范圍按頻率范圍: 低通、高通、帶通及帶阻濾波器低通、高通、帶通及帶阻濾波器 按是否有源：無源和有源按是否有源：無源和有源 無源：無源：R，C等無源器件構(gòu)成（無放大作用，等無源器件構(gòu)成（無放大作用， 總是衰減）總是衰減） 有源：運(yùn)放有源：運(yùn)放+R，C（有放大，效率高、頻率（有放大，效率高、頻率 響應(yīng)特性好）響應(yīng)特性好） 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-65-以有源低通濾波器為例。

30、以有源低通濾波器為例。根據(jù)同相比例運(yùn)算電路可得出根據(jù)同相比例運(yùn)算電路可得出RF R2R1CiUCUOU.iiC111UUUUj Cj RCRj C.Fo1(1)RUURFF.o11uf.i01111RRURRAj RCUj0o112fRCRC或式中：式中：集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-66-電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)Auf的幅值（模）為的幅值（模）為 F12011 ()ufRRA0Fuf10,1RAR 當(dāng)時(shí)F101,2ufRRA當(dāng)時(shí)集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-67- 0稱為截止角頻率稱為截止角頻率(3dB)，幅頻特性如圖，幅頻特性如圖10.4-6（b）所示。由圖可見，有源低通濾波器允許）所示。

31、由圖可見，有源低通濾波器允許低頻段的信號通過，阻止高頻段的信號通過。低頻段的信號通過，阻止高頻段的信號通過。圖圖10.4-6 有源低通濾波器有源低通濾波器 00| Auf | Auf0 |(b) 幅頻特性幅頻特性(a) 電路電路RF R2R1CCUOUiU集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-68-u信號發(fā)生器信號發(fā)生器: 指不需要外界輸入信號而有指不需要外界輸入信號而有穩(wěn)定的輸出穩(wěn)定的輸出(幅值和頻率幅值和頻率)的裝置的裝置u自激振蕩自激振蕩: 這種依靠電路自身?xiàng)l件而產(chǎn)生這種依靠電路自身?xiàng)l件而產(chǎn)生具有穩(wěn)定的頻率和幅值的輸出信號的現(xiàn)象具有穩(wěn)定的頻率和幅值的輸出信號的現(xiàn)象u組成組成: : 基于自激振蕩原

32、理，利用運(yùn)算放大器和基于自激振蕩原理，利用運(yùn)算放大器和R R、L L、C C元件構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)。元件構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)。u分類分類: : 信號發(fā)生器按產(chǎn)生的波形的不同可以分為信號發(fā)生器按產(chǎn)生的波形的不同可以分為正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器兩類。正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器兩類。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-69-不需要外部輸入信號；不需要外部輸入信號；必須在電路中引入必須在電路中引入足夠強(qiáng)的正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)的正反饋, 形成所謂的自激振蕩。形成所謂的自激振蕩。波形產(chǎn)生電路包括正弦和非正弦波形產(chǎn)生電路包括正弦和非正弦( (如如方波、三角波方波、三角波) )波形產(chǎn)生電路。波形產(chǎn)生電路。波形產(chǎn)生電路的

33、共同特點(diǎn)：波形產(chǎn)生電路的共同特點(diǎn)：集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-70- 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-71-集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-72-Ud12(1)(1)自激振蕩的條件自激振蕩的條件S S 在在 2: 2: 令令F=Uf / Uo. .所以產(chǎn)生自激振蕩的條件為所以產(chǎn)生自激振蕩的條件為: :.AF= .UoUd.UoUfS+Uf+-A=Uo / Ud.S S 在在 1: 1: Ud=Ui .-.Ui.Uo.因?yàn)橐驗(yàn)? :Uf=Ud，.Uf=UiU=d d則輸出電壓保持不變。則輸出電壓保持不變。因此因此 AF=1集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-73-自激振蕩的條件自激振蕩的條件: :AF

34、= 1 幅度平衡條件：幅度平衡條件：相位平衡條件相位平衡條件: :AF = 1 A+ F = 2 k （k=0,1,2） 反饋信號與輸入信號的大小相等反饋信號與輸入信號的大小相等( (足夠強(qiáng)的足夠強(qiáng)的反饋量反饋量) )。反饋信號與輸入信號同相，必須引入正反饋。反饋信號與輸入信號同相，必須引入正反饋。反饋信號與輸入信號大小相等，相位相同反饋信號與輸入信號大小相等，相位相同集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-74-(2) (2) 振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩電路的起振振蕩電路的起振: :選擇某一頻率的輸出信號選擇某一頻率的輸出信號(選頻選頻）電路由電路由等幅振蕩等幅振蕩|AF| = 1|AF|

35、1Ud12S+Uf+-.Ui.Uo.增幅振蕩增幅振蕩A/F非線性穩(wěn)幅非線性穩(wěn)幅Ui與與Uf同相位同相位(正反饋正反饋）反饋（反饋（F），放大（），放大（A）集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-75- 通過不斷地通過不斷地反饋反饋放大放大再反饋再反饋再再放大放大 ，使，使Uo不斷增不斷增大，一直到大，一直到M M點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)時(shí)，才穩(wěn)定下來。才穩(wěn)定下來。自激振蕩的建立和穩(wěn)幅過程自激振蕩的建立和穩(wěn)幅過程正反饋正反饋集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-76-由上述討論可知由上述討論可知, 正弦波振蕩電路應(yīng)由以下部分組成正弦波振蕩電路應(yīng)由以下部分組成放大電路放大電路正反饋電路正反饋電路選頻電路選頻電路穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路集

36、成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-77-RfR1+uiRCCRuf =F uOFA=(1+Rf /R1)uo =A ui若若uf =ui, 則則AF=1, 滿足自激振蕩條件滿足自激振蕩條件.如何確定如何確定R, C, Rf , R1, 滿足上述條件滿足上述條件.希望具有選頻功能集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-78- ( (1)1)電路組成電路組成RCCRRfR1放大電路放大電路（具有非線性負(fù)（具有非線性負(fù)反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）文氏電橋正弦波振蕩電路文氏電橋正弦波振蕩電路uO+正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)AF集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-79- ( (2)2)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特

37、性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性Z1 = R +1jCjC1Z2 =R()R+1jC=R1+jRC.UfUO=.IZ2I(Z1+Z2).Z2Z1+Z2=R1+jRCR+1jC+R1+jRC=13+j(RC - -RCRC1).I+RCUo.Uf.CRZ1Z2F=集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-80-.UfUo.=11RC3+j (RC - - )當(dāng)當(dāng): :1RCRC- -=0即即, ,或或R C= = 0 0=122RC= = 0 0 = =1時(shí)時(shí).Uf fUo.與與 同相位同相位, , 即為正反饋即為正反饋；且且F達(dá)到最大值達(dá)到最大值。RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)+RCU0.Uf.CRZ1Z2.IF

38、=.Uf fUo o.=1/3F=集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-81-即即 A3=F =Uf_Uo13_ f = 0,(3)(3)如何滿足自激振蕩條件如何滿足自激振蕩條件f0=12 RC起振時(shí)應(yīng)滿足起振時(shí)應(yīng)滿足: :Rf2R1RfR1）, A=（1+ A = 0為滿足為滿足AF = 1,= 1,A=3RfR1）=3 , （1+Rf=2R1ui u o1fCC+uf Z1Z2穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定時(shí)A=3集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-82-(4)(4)穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施 特點(diǎn)特點(diǎn)： 利用二極管的非線性利用二極管的非線性自動調(diào)節(jié)反饋的強(qiáng)弱來維自動調(diào)節(jié)反饋的強(qiáng)弱來維持輸出電壓的恒定。持輸出電壓的恒定。UO二極管二

39、極管rDR |A|二極管靈敏度高二極管靈敏度高, 穩(wěn)穩(wěn)定性差，輸出波形失定性差，輸出波形失真較大真較大 二極管穩(wěn)幅電路二極管穩(wěn)幅電路u o1f2CCf1D2D1集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-83-UOTRTR |A|由于熱敏電阻變化遲鈍, 具有慣性，因此可獲得失真較小的輸出電壓。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 利用半導(dǎo)體熱敏電阻的非利用半導(dǎo)體熱敏電阻的非線性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。線性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。 熱敏電阻穩(wěn)幅電路熱敏電阻穩(wěn)幅電路uo1TCCHW10-2: 10.10, 10.18集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-84-1. 電路的組成電路的組成RRo DZR2uCuou+u-UZAoR1u+ H =R1R1+ R2UZUZR1R

40、1+ R2u+ L=CoZuU 1. 比較器比較器2. R2引入電壓正反饋引入電壓正反饋u+3. R引入電壓負(fù)反饋引入電壓負(fù)反饋u-，由于由于C的充放電，具有的充放電，具有延遲特性延遲特性集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-85-to t t1 時(shí)時(shí):uC=UZ(R1R1+ R2UZ + UZ ）et- toRC t = t1 時(shí)時(shí): uC= u+ H =R1R1+ R2UZ可得：T1= t1 t0=RC ln( 1+2R1R2)2R1R2 同理 T2= t2 t1=RC ln( 1+)2R1R2T= T2 + T1=2RC ln( 1+)T f0=12RC ln( 1+=2R1R21)uC=Uz

41、(Uz u+L)0ttRCe集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-86-3.3.占空比可調(diào)的多諧振蕩器占空比可調(diào)的多諧振蕩器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)RP，使電使電容充電和放電的時(shí)容充電和放電的時(shí)間常數(shù)不相等，實(shí)間常數(shù)不相等，實(shí)現(xiàn)輸出矩形波的占現(xiàn)輸出矩形波的占空比可調(diào)，空比可調(diào)，而矩形而矩形波的周期不變波的周期不變。占空比占空比=T1/T =T1/(T1+T2)集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-87-10.5.3 10.5.3 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器 R1 R2 R3 R4 R5 R6 DZ uo uo1 A1 A2 CF A1: 同向輸入過零比較器同向輸入過零比較器A2: 積分器積分器uo1又是積分器的輸入又是積分器的

42、輸入ozRRuUuRRRuUR 211Zo12121,ozRRuUUuRRRuR 211Zo12121,R1 R2 UZ 0t UZ UZ u t1 t3 t5 uo uo1 R1 R2 UZ T 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-88-當(dāng)當(dāng)uo下降到使下降到使u+1=0時(shí)，有時(shí)，有 uo1從從+UZ翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為 UZ，uo線性上升。線性上升。 同理，當(dāng)同理，當(dāng)uo上升到使上升到使u+1=0時(shí)，有時(shí)，有uo1從從UZ翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為+UZ，uo線性下降。線性下降。0t UZ UZ u t1 t3 t5 uo uo1 R1 R2 UZ R1 R2 UZ T A1輸出的是矩形波電壓輸出的是矩形波電壓uo1

43、，A2輸出的是三角波電壓輸出的是三角波電壓uO。2111Zo1212,ozRRuUuUuRRRR 2111Zo1212,ozRRuUuUuRRRR 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-89-可以推出，三角波的周期和頻率可以推出，三角波的周期和頻率, 即即 R1 R2 R3 R4 R5 R6 DZ uo uo1 A1 A2 CF 2144FRfR R C1424FR R CTR集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-90-圖圖10.5-6 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器10.5.4 10.5.4 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器CF R1 R6 DZ uo1 DR4R3 R4 R2 R5 uo Uo1=UZ時(shí)，積分時(shí)間常數(shù)時(shí)

44、，積分時(shí)間常數(shù)=R4CF，T1T2當(dāng)當(dāng)uo1=+UZ時(shí)，時(shí)，D導(dǎo)通，積分時(shí)間常數(shù)導(dǎo)通，積分時(shí)間常數(shù)= 44F( R / / R )C 鋸齒波電壓在示波器、數(shù)字儀表電子設(shè)備中作為掃描之用。鋸齒波電壓在示波器、數(shù)字儀表電子設(shè)備中作為掃描之用。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-91-10.6 使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題使用運(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)問題1. 選用元件選用元件u 按其技術(shù)指標(biāo)可分為按其技術(shù)指標(biāo)可分為: 通用型通用型、高速型、高阻型、高速型、高阻型、低功耗型、大功率型、高精度型等低功耗型、大功率型、高精度型等u 按內(nèi)部電路分為按內(nèi)部電路分為: 雙極型（由晶體管組成）和單雙極型（由晶體管組成）

45、和單極型（由場效應(yīng)管組成）；極型（由場效應(yīng)管組成）；u 按每片中運(yùn)放個(gè)數(shù)目可分為按每片中運(yùn)放個(gè)數(shù)目可分為: 單運(yùn)放、雙運(yùn)放和單運(yùn)放、雙運(yùn)放和四運(yùn)放。四運(yùn)放。 例例 如輸入信號是如輸入信號是微弱的電壓信號微弱的電壓信號，第一級就選，第一級就選用高輸入電阻、高共模抑制比、高開環(huán)電壓放大用高輸入電阻、高共模抑制比、高開環(huán)電壓放大倍數(shù)、低失調(diào)電壓及低溫度漂移的運(yùn)算放大器。倍數(shù)、低失調(diào)電壓及低溫度漂移的運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-92-2. 消振消振 由于運(yùn)算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和由于運(yùn)算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和其他寄生參數(shù)的影響，很容易產(chǎn)生自激振蕩，其他寄生參數(shù)的影響，很容易產(chǎn)

46、生自激振蕩，破壞正常工作。破壞正常工作。 為此，在使用時(shí)要注意消振。通常是外接為此，在使用時(shí)要注意消振。通常是外接RC消振電路或消振電容，用它來破壞產(chǎn)生自激消振電路或消振電容，用它來破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件。振蕩的條件。 是否已消振，可將輸入端接是否已消振，可將輸入端接“地地”，用示，用示波器觀察輸出端有無自激振蕩。波器觀察輸出端有無自激振蕩。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-93-3. 調(diào)零調(diào)零 由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱，由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱，以致當(dāng)輸入信號為零時(shí)，仍有輸出信號。為此，以致當(dāng)輸入信號為零時(shí)，仍有輸出信號。為此，在使用時(shí)要外接調(diào)零電路。在使用時(shí)要外接調(diào)

47、零電路。 調(diào)零時(shí)應(yīng)將電路接成閉環(huán)，方法調(diào)零時(shí)應(yīng)將電路接成閉環(huán)，方法:無輸入時(shí)調(diào)零，即將兩個(gè)輸入端接無輸入時(shí)調(diào)零，即將兩個(gè)輸入端接“地地”，調(diào)，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。有輸入時(shí)調(diào)零，即按已知輸入信號電壓計(jì)算輸有輸入時(shí)調(diào)零，即按已知輸入信號電壓計(jì)算輸出電壓，而后將實(shí)際值調(diào)整到計(jì)算值。出電壓，而后將實(shí)際值調(diào)整到計(jì)算值。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-94-4. 保護(hù)保護(hù)(1)輸入端保護(hù)輸入端保護(hù) 當(dāng)輸入端靜輸入電壓當(dāng)輸入端靜輸入電壓ud不宜不宜過高，否則損壞輸入過高，否則損壞輸入級的晶體管。為此，在輸入端接入反向并聯(lián)的二極管，級的晶體管。為此，在輸入端接入反向并聯(lián)的二極管，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以下。將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以下。圖圖10.6-1 輸入端保護(hù)輸入端保護(hù) uo R1 R2 ui D1 D2 RF 集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器-95-(2) 輸出端保護(hù)輸出端保護(hù) 為了防止端出電壓過為了防止端出電壓過大，可利用穩(wěn)壓管來保護(hù)，大，可利用穩(wěn)壓管來保護(hù)，如圖如圖10.6-2所示，將兩個(gè)穩(wěn)壓所示，將兩個(gè)穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，將輸出電壓限管反向串聯(lián)，將輸出電壓限制在（制在（-UZ, +UZ）的范圍內(nèi)。）的范圍內(nèi)。UZ是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。圖圖10.6-2 輸出端保護(hù)輸出端保護(hù)uiRF - R