第12章 运算放大器

12.1集成运算放大器12.1.1集成运算放大器的基本组成12.1.2集成运算放大器的主要参数集成电路: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，组成一个不可分的整体。集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。集成运算放大器：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、测量技术、自动控制等领域。引言12.1.1集成运算放大器的基本组成输入级：差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力。偏置电路：为各级提供稳定、合适的静态工作点。输出端偏置电路输入级中间级输出级输入端中间级：电压放大。运算放大器的符号反相输入端同相输入端输出端+–++–+u+u–uoLM741运放外型和管脚反相输入端同相输入端输出端+–+6237415+15V-15V10k1k调零：当输入信号为零时，输出为零。8为空脚12.1.2集成运算放大器的主要参数2.输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压几毫伏3.输入失调电流IIOUO=0时，输入级两输入端的静态电流之差。1nA0.1A1.开环差模电压增益Aud1041074.差模输入电阻rid输出电阻ro几百千欧几兆欧几十欧几百欧)dB(lg20cdCMRuuAAK5.共模抑制比KCMR80dB6.最大差模输入电压UIdmax共模输入UIC过大，KCMR下降。当UId过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。LM741为36V7.最大共模输入电压UICmax9.最大输出电压幅度UOPP如电源电压15V，UOPP为1314VLM741为16V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。8.静态功耗PCO几十毫瓦12.2理想集成运算放大器的分析方法12.2.1理想运算放大器12.2.2反相输入运算电路的分析方法12.2.3同相输入运算电路的分析方法12.2.4差分输入运算电路的分析方法12.2.5非线性电路的分析方法理想化的主要条件：开环差模电压增益开环差模输入电阻开环输出电阻共模抑制比udAidr0orCMRK在分析运算放大器的电路时，一般把运算放大器看成理想元件。12.2.1理想运算放大器+–++–+u+u–uo开环共模输入电阻icr运算放大器输出电压与输入电压之间的关系曲线称为传输特性。实际运放电压传输特性uouuuioUO+UO-线性工作区正饱和区负饱和区)(didOuuAuAuuu+–++–+u+u–uoduA很大UO-、UO+为负、正饱和电压。iu当很小时，运放工作在线性区。理想运放传输特性uouuuioUO+UO-正饱和区负饱和区)(didOuuAuAuuu+–++–+u+u–uoduA理想运放uuuuOOUuOOUu时，当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。注意：工作在饱和区的理想运放)(dOuuAuuuuuuOOUuOOUu时，当时，0)(uu工作在线性区的理想运放相当于两输入端之间短路,但又未真正短路，故称“虚短”。相当于两输入端之间断路，但又未真正断路，故称“虚断”。2.i+=i–=01.u+=u–,而uo是有限值,运放开环输入电阻idr由于故从式,可知duA)(dOuuAuu+–++–+u+u–uo（虚短）（虚断）i–i+12.2.2反相输入运算电路的分析方法1.反相比例运算电路0ii虚断F1ii-0uu虚地fFORiu1I1I1RuRuuifOfOFRuRuuiI1fouRRu平衡电阻f1//RRR输入电阻:ri11IiRiurIOuuf1RR若则iFR1Rfi1uIR+–+–++–+uou+u-例12.1有一电阻式压力传感器，其输出阻抗为500，测量范围是（0~10）Mpa,其灵敏度是+1mV/0.1Mpa,现在要用一个输入0V~5V的标准表来显示这个传感器测量的压力变化，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，设计放大器并确定各元件参数。解：采用反相比例构成放大器，放大器的最高输入电压为：（10Mpa/0.1Mpa）1mV=100mV放大器的最高输出电压（标准表的最高输入）为5V。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。（1）取kΩ101R为信号源内阻的20倍。（2）kΩ500501fRRkΩ8.9//f1RRR（3）（4）运放采用LM741，10V对称电源供电。kΩ5012f2RR（5）kΩ25//f2122RRR（6）R1RfR+–++–+R12Rf2R2+–++–+2.反相加法运算电路iF=i1+i22I21I1fORuRuRu)(2I21I1fORuRuRu若Rf=R1=R2则uO=(uI1+uI2)R'=R1//R2//Rf平衡电阻iFR1Rfi1uI1RuI2+–+–++–+uou+u-i23.反相积分电路1I1RuituCiddOF=tuCRud1oIf1R1Cf称为积分时间常数。OMU当uI为阶跃电压时，则uo0tuI0tf1IoCRtuuUuo随时间线性下降，最后达到负饱和值。iFR1Cfi1uIR+–+–++–+uou+u-4.反相微分电路tuCiddI11-0u虚地fOFRuiF1ii虚断tuCRRiuddI1ffFORfC1称为微分时间常数当uI为阶跃电压时，uo为尖脉冲电压。uI0Uuo0tiFRfC1i1uIR+–+–++–+uou+u-–+12.2.3同相输入运算电路的分析方法1.同相比例运算I-uuuF1ii,fIO1IRuuRuI1fO)1(uRRuR2=R1//Rf平衡电阻当R1=时，跟随器IOuu或当R1=，Rf=0时，R1iFRfi1uIR2+–++–+uou+u-RfuIR2+–++–+uouI+–++–+uo同相比例运算主要特点：（1）输入与输出信号同相。（2）输入电阻大，输出电阻小。（3）存在共模输入信号，对KCMR的要求高。例12.3如图所示电路，计算输出电压uo的大小。+–+–++–+uoV15kΩ5.7kΩ15kΩ15u+解：该电路是一电压跟随器。u+=7.5V输出电压uo=7.5ViFR1R2Rfi1uI1R3uI2+–+–++–+uoi2i32.同相加法运算电路2I12Ruui3I23Ruui32ii3I22I1RuuRuu))((32323I22I1RRRRRuRuu11RuifO-FRuui可推出由uufO-1-RuuRuF1iiOf11uRRRu))(1(322I2321I31fORRuRRRuRRRu若R2=R3则uO=uI1+uI2若再有Rf=R1))(1(212I1I1fOuuRRu例12.4如图所示电路，写出电流iL与输入电压uI的关系式。解：iLR1R2RLi1uI+–+–++–+u+u-u+=u=uIiL=i1=uI/R11.输出电流与负载大小无关。2.恒压源转换成为恒流源。特点：（电压—电流转换器）12.2.4差分输入运算电路的分析方法iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+–+–++–+uou+u-323I2RRRuuuF1ii整理可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu1-I11RuuifO-FRuui当21RR时，)(I1I21fOuuRRu3fRR和1fRRI1I2Ouuu则上式为当时，则得12.2.4差分输入运算电路的分析方法iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+–+–++–+uou+u-323I2RRRuuuF1ii整理可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu1-I11RuuifO-FRuui当21RR时，)(I1I21fOuuRRu3fRR和1fRRI1I2Ouuu则上式为当时，则得R1R1Rf+Rf+–+–++–+uou+u-Rf+–US例12.5如图所示电路，是用运放构成的测量电路，US为恒压源，若Rf是某个非电量（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uO与Rf之间的关系式。解：S1ffΔURRR由差分运算电路的输入、输出关系可得Sf1f1ffo)Δ1(URRRRRRu整理可得Sf1foΔURRRu输出信号电压与传感元件阻值变化量成正比。12.2.5非线性电路的分析方法当运放工作于开环或正反馈的工作状态时，运放工作在非线性区。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。1.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。R1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–1.电压比较器ui:输入电压UREF:参考电压当uiUREF时，uO=–UOMuiUREF时，uo=+UOMui=UREF时，uO发生跃变uoiuoUOM–UOMUREF电压传输特性当参考电压UREF=0时，称为过零比较器。若ui为正弦波，画出uo的波形。uootUOM–UOMR1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–uoiuoUOM–UOMUREFoiutUREF=0UREF=1Voiut1VuootUOM–UOM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。限幅电压比较器UZ–UZuoiuoR1R2ui+–+–++–+uo+–DZ电压传输特性当ui0时，uO=–UZui0时，uO=+UZ2.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路，广泛应用于自动控制电路中。uoiuoUOM–UOMR1R2uI+–+–++–+uoUREFRfu+u-u+uf2OM2f2REFfRRURRRURuf2OM2f2REFf)(RRURRRURu时设电路输出为OMU时设电路输出为OMU转换。时，电路输出状态发生或等于当uuuI滞回特性u+：上门限电平u：下门限电平uuuΔ：回差电压可改变参考电压改变门限电平（改变R2Rf改变回差）例12.6电冰箱用电子温度控制器，当箱内温度达10°C时压缩机工作，当下降达0°C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0.1/0°C，量电路，在0°C时电阻值是50，用继电器控制压缩机电源的通断，继电器线圈直流电阻为500，工作电压为10V~12V，采用运放构成滞回比较器接通和切断控制信号。若信号放大器输出对应10°C时为0.6V，对应0°C时为0.1V。试画出电路原理图并计算出各元件参数。解：用电桥构成温度-电压变换电路，桥臂工作电流限制在1mA以内。采用差动放大、反相比例、滞回比较器，构成控制电路。R1R1RfRf+–+–+R21Rf1R22+–+–+uO1R31R41+–+–+uO2RR32Rf2MKK~220V+12V+12V12k12k+12VRt5050RpUI1UI2UZ+UDRP1桥臂电阻：因电流限制在1mA内，各桥臂电阻不小于12k。信号放大参数：温度：0°C~10°C时，电桥输出为0.2mV~1.2mV。滞回比较器输入应为0.1V~0.6V。电压放大倍数100倍（差动放大10倍，比例放大50倍）。R1R1RfRf+–+–+R21Rf1R22+–+–+uO1R31R41+–+–+uO2RR32Rf2MKK~220V+12V+12V12k12k+12VRt5050RpUI1UI2UZ+UDRP1