1、運算放大器及其應(yīng)用運算放大器及其應(yīng)用 集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多集成運算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的級直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。一種模擬集成電路。按集成度按集成度按導(dǎo)電類型按導(dǎo)電類型按功能按功能小、中、大和超大規(guī)模小、中、大和超大規(guī)模雙、單極性和兩種兼容雙、單極性和兩種兼容數(shù)字和模擬數(shù)字和模擬各類型號集成芯片各類型號集成芯片 1. 元器件參數(shù)的一致性和對稱性好；元器件參數(shù)的一致性和對稱性好； 2. 電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流電阻的阻值受到限制，大電阻常用三極管恒流源代替，電位器需外接；

2、源代替，電位器需外接； 3. 電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電電容的容量受到限制，電感不能集成，故大電容、電感容、電感 和變壓器均需外接；和變壓器均需外接； 4. 二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。二極管多用三極管的發(fā)射結(jié)代替。一、電路的基本組成一、電路的基本組成輸入級輸入級 中間級中間級 輸出級輸出級偏置偏置電路電路運算放大器方框圖運算放大器方框圖 輸入級：輸入級：輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器擾信號，都采用帶恒流源的差分放大器 。 中間級：中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源

3、的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。 偏置電路偏置電路: 由鏡像恒流源等電路組成由鏡像恒流源等電路組成 輸出級：輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。能力強，一般由互補對稱電路或射極輸出器構(gòu)成。運算放大器的管腳和符號運算放大器的管腳和符號反相反相輸入端輸入端同相同相輸入端輸入端+UCCUEEuo+uu +Auo信號傳信號傳輸方向輸方向輸出端輸出端實際運放開環(huán)實際運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)(a)(b)(a) 符號符號; (b)引腳引腳 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC輸

4、出輸出集成運放集成運放 741的的電路原理圖電路原理圖同相輸入同相輸入輸入級輸入級偏置電路偏置電路中間級中間級輸出級輸出級+UCCuo+- -UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相輸入同相輸入輸出輸出二、主要參數(shù)二、主要參數(shù) 1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。能使輸出和輸入保持不失真關(guān)系的最大輸出電壓。 2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。運放沒有接反饋電路時的差模電

5、壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。 6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放所能承受的共模輸入電壓最大值。超出此值，運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。運放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。 3. 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 UIO 4. 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIO 5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB1. 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 2. 開環(huán)輸入電阻開環(huán)輸入電阻3. 開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于實際運算放大

6、器的技術(shù)指標接近理想化條件，由于實際運算放大器的技術(shù)指標接近理想化條件，用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化用理想運算放大器分析電路可使問題大大簡化, 為此為此,后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。后面對運算放大器的分析都是按其理想化條件進行的。三、理想運算放大器及其分析依據(jù)三、理想運算放大器及其分析依據(jù) ouA idr0or CMRRK 在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理在分析運算放大器的電路時，一般將它看成是理想的想的運算放大器。理想化的主要條件：運算放大器。理想化的主要條件：線性區(qū)：線性區(qū)：uo = Auo( (u+ u)非線性區(qū)：非線性區(qū)：u+ u 時，時， u

7、o = +Uo(sat) u+ u 時，時， uo = + Uo(sat) u+ 0時，時，| T(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的的信號順利通過，衰減很小，信號順利通過，衰減很小，而使高于而使高于 0的信號不易通過，的信號不易通過，衰減很大，衰減很大，稱一稱一 階有源低通階有源低通濾波器。濾波器。 為了改善濾波效果，為了改善濾波效果，使使 0 時信號衰減得時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)更快些，常將兩節(jié)RC濾濾波環(huán)節(jié)串接起來，波環(huán)節(jié)串接起來，組成組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f0

8、21uA 0| Auf0 | T(j ) | OuiuoRFCR+ R1+ 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O SuC+ui+uo+ 模擬開關(guān)模擬開關(guān)模擬輸入信號模擬輸入信號電路電路 采樣保持電路采樣保持電路，多用于模，多用于模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換電路（數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）之之前前。由于。由于A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在進行A/D 轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保轉(zhuǎn)換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足存一段時間，以滿足A/D 轉(zhuǎn)換電路的需要。轉(zhuǎn)換電路的需要。采樣存儲采樣存儲電容電容控制信號控制信號

9、電壓跟隨器電壓跟隨器 uG為高電平，為高電平，S 閉合閉合(場效應(yīng)管導(dǎo)通場效應(yīng)管導(dǎo)通)， ui對存儲電容對存儲電容C充電，充電， uo= uC = ui 。 uG為為 0， S 斷開斷開(場效應(yīng)管截止場效應(yīng)管截止)，輸出，輸出 保持該階段開始瞬間的值不變。保持該階段開始瞬間的值不變。uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。 SuC+ui+uo+ 電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電小。當兩者幅度相等時輸出電壓產(chǎn)生躍變，由高電平變成低電平，或者由低電平變

10、成高電平。由此來平變成低電平，或者由低電平變成高電平。由此來判斷輸入信號的判斷輸入信號的 大小和極性。大小和極性。 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、自動控制和自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合技術(shù)領(lǐng)域，以及波形產(chǎn)生及變換等場合 。 1. 輸出只有兩種可能輸出只有兩種可能 +Uo (sat) 或或Uo (sat) 當當 u+ u 時，時， uo = + Uo (sat) u+UR，uo=+ Uo (sat)ui UR， uo= +UOM，T 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 KA 動作，動作，切斷電源。切斷電源。 溫度未超過規(guī)定值，溫度未超過規(guī)定值，Ui 1, 一般應(yīng)選取一般應(yīng)

11、選取 RF略大略大2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴重失真。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴重失真。311 RRAFuRFCRoUzDZR2R1動畫動畫 z2 1 2RURRRU RFCRoUzDZR2R1RFCRoUzDZR2R1 Z2 1 2RURRRU 2 RCtcccceuuutu 0Z212U RRR 1uo ,uC Z212U RRR UZ+UZ1 1 2F2121ln2RRCRTTT 1 2F21ln211RRCRTf = RC Z2 1 2R2ZZ2 1 2 R0URRRUtuUuURRRUuccc Z2 1 2R3ZZ2 1 2R0URRRUtuUuURRR

12、Uuccc 12i1i212o1o2RuuRRuu )(2o1o46ouuRRu )21 (12462i1ioiofRRRRuuuuuAu ui1+R2+uo2uo1uoR6R6R4R4+R2R1+ui2ui+A2A1A3 +)(2 2i1i12146ouuRRRRRu 所所以以 5. 集成運放的用途廣泛，在使用前必須進行測試，集成運放的用途廣泛，在使用前必須進行測試，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和極限參數(shù)符合電路要求，使用中應(yīng)注意其電參數(shù)和極限參數(shù)符合電路要求，同時還應(yīng)注意以下問題。同時還應(yīng)注意以下問題。 3. 調(diào)零調(diào)零 為了提高集成運放的精度為了提高集成運放的精度,消除因失調(diào)電壓和失調(diào)消除因失調(diào)電

13、壓和失調(diào)電流引起的誤差電流引起的誤差,需要對集成運放進行調(diào)零。需要對集成運放進行調(diào)零。 集成運放的調(diào)零電路有兩類，一類是內(nèi)調(diào)零，集集成運放的調(diào)零電路有兩類，一類是內(nèi)調(diào)零，集成運放設(shè)有外接調(diào)零電路的引線端成運放設(shè)有外接調(diào)零電路的引線端, 按說明書連接即按說明書連接即可，如常用的可，如常用的 741，其中電位器，其中電位器RP可選擇可選擇10k的的電位器電位器, 如圖所示。如圖所示。1. 選用元件選用元件2. 消振消振3. 調(diào)零調(diào)零 (1)輸入端保護輸入端保護 當輸入端所加的電壓過高時會損壞集成運放，可在當輸入端所加的電壓過高時會損壞集成運放，可在輸入端加入兩個反向并聯(lián)的二極管，如圖所示，將輸輸入

14、端加入兩個反向并聯(lián)的二極管，如圖所示，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以內(nèi)。入電壓限制在二極管的正向壓降以內(nèi)。4. 保護保護 A741的調(diào)零電路的調(diào)零電路RPVui20k 20k uO10k (1)輸入端保護輸入端保護 輸入端保護輸入端保護 ui1uORRui2 (2)輸出端保護輸出端保護 為了防止輸出電壓過大為了防止輸出電壓過大,可利用穩(wěn)壓管來保護，如圖可利用穩(wěn)壓管來保護，如圖所示，將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，就可將輸出電壓限制所示，將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，就可將輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。uiuoR1R2RfDZ輸出端保護輸出端保護 4. 保護保護 (3)電源保護電源保護 為了防止正負電源接反，可用二極管保護，若電為了防止正負電源接反，可用二極管保護，若電源接錯，二極管反向截止，集成運放上無電壓，如圖源接錯，二極管反向截止，集成運放上無電壓，如圖所示。所示。 ui2 U EEU CCD1uOui1D2電源保護電源保護 5. 相位補償相位補償 集成運放在實際使用中遇到最棘手的問題就是自集成運放在實際使用中遇到最棘手的問題就是自激。要消除自激，通常是破壞自激形成的相位條件，激。要消除自激，通常是破壞自激形成的相位條件，這就是相位補償，如圖所示。其中，圖這就是相位補償，如圖所示。其中，圖