Transcript 電子學ch10教案

第
10
章
運算放大器
…………………………………………………………
…
10-1
理想運算放大器簡介
10-2
運算放大器之特性及參數
10-3
反相及非反相放大器
10-4
加法器及減法器
10-5
微分器及積分器
10-6
比較器
10-1 理想運算放大器簡介
………………………………………………………………………….…
1. 符號與接腳
(1) 輸入端：含反相輸入(－)端與非反相輸入(＋)端。
(2) 輸出端：一個。
(3) 直流電源：含＋VCC及－VCC。
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2. 理想運算放大器
特性
Zi→∞(輸入阻抗無限大)
Zo→0Ω(輸出阻抗為0)
Avo→∞
B.W.→∞
輸入抵補電壓為0
特性不隨溫度改變
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3. 實際運算放大器
特性
輸入阻抗很高
輸出阻抗很低
電壓增益很高
很寬的頻帶寬度
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10-2
運算放大器之特性及參數
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1. 輸入特性
Zi  
(使前級的負載效應減至最低)
I B1  I B2
2
Iio  I B1  I B2
Iib 
特性
(Iib愈小，Ri愈大)
Iio
(此值愈高，表示溫度的穩定性愈差)
T
Vio (Vio愈小愈佳)
Vio
(此值愈高，表示溫度穩定性愈差)
T
Ci (愈小愈佳)
Vio
PSRR=
VS
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2. 輸出特性
特性
Zo→0  (此值愈小愈佳)
Ios(輸出短路電流，限流電路保護)
Voo(兩個輸入端接地時，在Vo處電壓
間的差別)
Vop(易受電源、頻率及訊號內阻的影
響)
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3. 動態特性
特性
Avo(典型Avo值為100dB)
B.W.(單位增益頻帶寬度指定為增益降
到1時的高頻率)
B.W. 
SR=
0.35
tr
V
t
f max 
SR
2π  Vo(max)
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4. 虛接地特性
(1) 特性
(2) 觀念
Zi→∞
Ii →0
Vi處等於有個短路或虛接地存在。
虛設的短路表示雖然該處的電壓
幾乎是0，但是在輸入端到地之間
並沒有電流流過。
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5. 負回授
(1) 概念： 它是一個由放大器輸出電壓部分回
授至反相輸入端的過程。
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Avo可被減少及控制，以使OPA具有
線性放大的功能。
(2)功能
輸入阻抗增加或減少至任意值。
輸出阻抗減少至任意值。
放大器的頻帶寬度能控制到足夠的
寬廣。
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10-3 反相及非反相放大器
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1. 反相放大器
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(1) 公式
Vo  
A vf 
Rf
V1
R1
Vo
R
 f
V1
R1
Rf
增益為 ，完全由回授電路決定。
R1
(2) 特性
在線性放大系統中，Vo不要超出
正、負飽和之外，否則將產生失真。
若Vi過大，則會導致進入正、負飽
和。
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2. 非反相放大器
Vo  (1 
(1) 公式
Rf
)V1
R1
Rf
R1
Rf
決定，與Avo無關，相當穩
R1
A vf  1 
(2) 特性
Avf由
定。
Vo不要超出正、負飽和之外。
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3. 電壓隨耦器
(1) 公式
(2) 特性
Vo  V1
A vf  1
Vo大小與相位均與Vi相同，為輸入
訊號的再製。
具有高輸入阻抗及低輸出阻抗。
若Vi過大，Vo也會導致正、負飽
和之情形。
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4. 多級放大器
(1) 理想多級放大器之總電壓增益，為各級
電壓增益之乘積。
(2) 第一級Av1與下一級等效輸入阻抗R3無
關， 第二級Av2則與負戴電阻RL無關。
(3)
A v1 = 1 +
R2
R1
A vT = A v1  A v2
A v2 = 
R4
R3
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10-4 加法器及減法器
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1. 加法器
(1) 反相加法器
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公式：
Vo  (
Rf
R
R
V1 + f V2 + f V3 )
R1
R2
R3
輸出電壓等於各輸入訊號放大後相
加而得。
特性
若使R1=R2=R3=Rf，則
Vo=－(V1+V2+V3)為理想加法器。
如果Vi過大，會使OPA進入正、負
飽和狀態。
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(2) 同相加法器
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公式
V1 V2 V3


 
R R 2 R3
V+  1
1
1
1


 
R1 R 2 R 3
R
R +R
Vo  V+  (1  A )  V+  ( B A )
RB
RB
若 R1  R 2  R 3    R n，R A  (n  1)R B
，n  5 ，則 Vo  V1  V2  V3  V4  V5
特性：Vo 為同相相加
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2. 減法器
R3
Rf
R  Rf
 V1  1

 V2
R1
R1
R2  R3
Rf
V


(V2  V1 )
R

R
R1  R，
，則
o
f
3
2
R1
Vo  
(1) 公式
若
(2) 特性
輸出正比於兩輸入訊號的差量，
如同雙端輸入的差動放大器。
其增益為
Rf
。
R1
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3. 運算放大器之直流偏壓造成 Vo 的誤差與消除
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圖10-29(a)中，使 R3=R1//R2，可減少
輸出誤差電壓。
說明
圖10-29(b)中，反相放大器亦可依上
述方法補償。
圖10-29(c)中，C1 應視為開路，所以
R3=R2 。
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10-5 微分器及積分器
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1. 微分器
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(1) 輸入三角波，輸出為反相方波。
(2) 公式
Vo =  RC
Vi
dV
=  RC i
t
dt
(3) Vo 是 Vi 的微分，同時被反相且被乘了一個
RC的比例數。
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2. 積分器
(1) Vi 為方波，Vo 為三角波。
(2) 公式 Vo =  1
V  t  dt

RC
i
(3) Vo 是Vi 的積分，同時被反相且被乘了一個
1
RC
的比例數。
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10-6 比較器
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1. 零位檢測器
(1)基本比較器
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電路：將OPA接成開環路型式。
功用：檢知二輸入端的差異。
工作原理
當V＋>V－時，Vo=+VCC=+Vsat
當V－ > V＋時，Vo=－VCC=－Vsat
一般取 Vo≒ ±0.9 VCC= ± Vsat 。
記憶法：誰大，誰飽和。
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(2) 零位檢測器
功能：可以測試輸入電壓是否大於某一
準位之電壓。
零位檢測器可將正弦波輸入變為方波輸
出，作為方波產生器。
事實上，是接受線性電壓而提供一項數
位輸出。
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2. 非零位檢測器
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電路結構：將OPA之非反相輸入端接 Vi，而反
相輸入端接 VREF (或上述兩者交換
接法)。
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3. 輸入雜訊對比較器工作之影響
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(1) 比較器在實際工作時，往往有若干雜訊夾
雜在輸入訊號上而同時出現在輸入端，使
輸出造成閃爍不定的現象。
(2) 為消除雜訊干擾，可應用正回授技巧，此
技巧稱之遲滯現象。
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4. 輸出之限制
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工作原理：在輸出與輸入間接上稽納二極體，
放大器輸出電壓就會保持在稽納電
壓Vz 與二極體順向偏壓之間變動。
經過這樣的處置以限制輸出的範圍
，稱之為定界限。
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5. 窗比較器
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(1) 功能：可以檢測 Vi 是否介於兩個限制值 VU與
VL 之間，其中 VU>VL 。
當Vi>VU 時，D1ON，D2 OFF，
Vo=+Vsat。
(2) 工作原理 當Vi<VL 時，D1 OFF，D2 ON，
Vo=+Vsat。
當VU>Vi>VL時，D1及D2均OFF，
Vo=0。
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6. 比較器之應用
(1) VREF 
10k
 (12)  6V
10k+10k
(2)工作原理
圖(a)中，當Vi > +6V時  Vo = +Vsat
 LED亮  指示Vi > VREF
圖(b)中，當Vi < +6V時  Vo = +Vsat
 LED亮  指示Vi < VREF
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