第9章理想运算放大器的分析与应用

1、,问题： 集成运算放大器的由来？ 如何判断电路是否是运算电路？有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关系？ 如何分析集成运算放大器？ 集成运算放大器有哪些应用？,第9章 集成运算放大器的分析及应用,第9章 集成运放的分析及应用,9.1 集成运算放的组成及基本特性 9.2 运放的线性应用及理想运放模型 9.3 基本运算电路 9.4 电压比较器 9.5 波形发生器(略) 9.6 集成运放的其他应用电路（略） 小结,9.1 集成运算放的组成及基本特性,一、 概述 二、集成电路的基本结构 三、 模拟集成运放的典型电路,1）通用集成电路 2）模拟信号处理电路 3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路

2、、可控硅控制电路等. 4）通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。 5）测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。 6）仪器专用电路等。,9.1 集成运算放大器的组成及基本特性,1. 模拟集成电路分类 按照应用领域进行分类：,一、 概述,按照电路的功能进行分类 1）运算放大器 2）模拟乘法器（除法器） 3）对数放大器 4）函数发生器 5）滤波器 6）压控振荡器 7）集成功率放大器 8）集成 稳压电源 ,一、 概述(续）,9.1 集成运算放大器的组成及基本特性,集成电路,通用型,专用型,按照集成电路分类,1 集成电路的基本结构,二 集成电路的基本结构,二 集

3、成电路的基本结构(续）,2 模拟集成电路组成,输入级,中间级,输出级,偏置 电路,组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。,运放组成,差放 输入级,中间 放大级,低阻 输出级,恒流源 偏置,U+,U-,Uo,三、 模拟集成运放的典型电路,运放旧符号,运放国标符号,1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即输出与该端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为反相输入端，即输出与该端输入信号相位相反，用符号U表示。,4.恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.低阻输出级：由PNP和NP

4、N两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。,差放 输入级,中间 放大级,低阻 输出级,恒流源 偏置,U-,U+,运放组成,集成运放F007的电路原理,2单极型集成运放,第一级是以P沟道管T3和T4为放大管、以N沟道管T5和T6管构成的电流源为有源负载。,第二级是共源放大电路，以N沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。,9.1.2 集成运算放大器的主要参数,集成运放的性能指标-主要参数如下：,1电源电压 2开环差模电压增益AUd 3共模抑制比KCMR

5、4差模输入电阻rid 5输入失调电压Uos 6输入失调电压的温漂dUos/dT 7输入失调电流Ios,8输入失调电流的温漂dIos/dT 9输入偏置电流IB 10最大共摸输入电压Uic,max 11最大差模输入电压Uid,max 12-3dB带宽 13单位增益带宽BWG-fT 14转换速率SR(摆率) |duo/dt|max,9.1.3 线性应用及理想运放模型,一、 线性应用和非线性应用 二、理想运放模型,9.1.3 线性应用及理想运放模型,运放模型分类,按精度分类,理想模型,非理想模型,运放宏模型,按功能分类,直流模型,交流小信号模型,大信号模型,噪声模型,9.1.3 线性应用及理想运放模型

6、（续）,运放分析特点：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。,运放分析内容,传输特性(输入与输出信号关系特性),频域特性 时域特性 温度特性 噪声特性 ,主要分析内容,1. 线性应用：运放输入输出成线性关系的应用。闭环应用，如“运算电路”、“有源滤波电路”等。,一、 线性应用和非线性应用,2. 非线性应用：运放输入输出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。,输入,输出,输入,输出,电压放大器,电压比较器,二、理想运放模型,1. 理想运放的性能,1) 开环电压增益Aud=; 2) 输入电阻Rid=; 3)输出电阻Ro=0; 4)频带宽度F=; 5)共模抑制比CMRR=; 6)失调、漂移和内部

7、噪声为零。,主要条件,条件较难满足， 可采用专用运放 来近似满足。,二、理想运放模型（续）,1） 同相端与反相端呈开路状态。 2）输出回路为一受控电压源AUd(U+-U-) ， 由于输出电阻ro=0,所以Uo=AUd(U+-U-)。,2.理想运放模型,1、集成运算放大器的转移特性:,输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅 十几毫伏），所以常将特性理想化,2、运放线性工作的保障:,两输入端的电压必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。 运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。,集成运算放大器的线性应用,运放的输出幅度有限（比 电源低 2V左右）; 运

8、放的开环电压增益一 般 10000;,3. 线性运用状态时主要特征,1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 ，称虚断。,I+=I-0,2. 理想运放的同相和反相输入端电位近似相等 ，称虚短。,U+=U-,Rid,虚断,虚短,在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。,虚地,如将运放的同相端接地U+=0，则U-=0,即反相端是一 个不接“地”的“地”，称为“虚地”。,虚地点对地的电阻为“0”,由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。,U+-U-=Uo

9、/AU0,-,U-,I-,+,U+,I+,+,-,AUd(U+-U-),运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志。,4. 饱和工作状态时特征（非线性工作状态）,1) 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零,2)当U+U-时，Uo为正饱和值； 当U+U-时，Uo为负饱和值。,I+=I-0。,饱和状态的运放通常工作在开环或正反馈状态，主要用于数字电路，比较器电路等。,二、理想运放模型（续）,9.2 基本运算电路,一、比例运算电路 二、加法器 三、减法器 四、积分器 五、微分器 六、对数放大器(略) 七、指数放大器(略) 八、乘、除法器(略),一、比例运算电路,1. 反相放大电路,平衡

10、电阻 RpR1/Rf,电压并联负反馈,由I+=I- 0 （虚断）,I1=If,U+= 0,U+=U-（虚短）, U-= 0,虚地点对地的电阻为“0”,一、比例运算电路（续）,1. 反相放大电路（续）,平衡电阻 RpR1/Rf,小结：电路的输出Uo与输入Ui呈比例关系，且相位相反，比例因子为 Rf/R1 ，因此，该电路常用于反相比例运算。,Auf只与Rf、R1有关， 而与运放的参数无关。,输入电阻 rif,=R1,输出电阻 rof= 0,电压增益,一、比例运算电路（续）,2. 同相放大电路,电压串联负反馈,I- = I+ 0,U+=U-,rif,rid ,rof= 0,小结：同相放大电路输出Uo

11、与输入Ui呈比例关系，且相位相同，比例因子为 1+Rf/R1 ，因此，该电路常用于同相比例运算。,一、比例运算电路（续）,2. 同相放大电路（续）,电压跟随器,rif,rid ,rof= 0,当Rf=0时，,二、加法器,1. 反相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=If,U+= 0,U+=U-,U-= 0,平衡电阻 RpR1/R2/Rn/Rf,当R1=R2=Rn=Rf时，Uo= -(U1+U2+Un),2.同相加法器,I+=I- 0,I1+I2+In=0,U+=U-,二、加法器（续）,2. 同相加法器（续）,二、加法器（续）,三、减法器,运放工作在线性放大时，可用叠加原理来推导输出表达式

12、。 当U2=0时，在输入信号U1的作用下，产生的输出为Uo,当U1=0时，在输入信号U2的作用下，产生的输出为Uo 根据叠加原理：Uo= Uo + Uo,当U1单独作用时：,Uo,当U2单独作用时：,Uo,当U1和U2共同作用时：,若R1=R2 R3=Rf,小结： 当R1=R2，R3=Rf时，减法器的输出电压为两个输入信号 之差乘以放大系数Rf/R1, 故又称它为差分放大器。 2)为减小失调误差，需 R1/Rf=R2/R3。,三、减法器（续）,四、积分器,I+=I- 0,i1(t) = if(t),U+= 0,可得,积分器的输出电压与输入电压呈积分 关系，积分时间常数为RC。 ,当ui(t)=

13、E时,uo(t)t按负斜率下降，最终达到负饱和值。, U+= U-， U- =0,积分器应用, 数学运算, 波形变换。如将一方波变换成三角波, 实现波形变换，将一方波变换成三角波,积分器应用（续）,加入直流反馈Rf 的作用：抑制直流漂移，提高控制精度，防止低频、直流增益过大 。,积分器应用（续）,五、微分器,I+=I- 0,ic(t) = if(t),U+=U-=0,R1的作用是: 适当减小放大器高频增益; 抑制高频噪声。,微分器实用电路,微分器应用, 数学运算, 波形变换,微分器应用,注意：在设计微分器时，元件RfC的乘积受运放最大输出电压的限制，即最大输出电压Uom满足,六、对数放大器（了

14、解内容）,原理:利用PN结结电压与电流 之间的对数关系而构成的。,I+=I- 0,Ii = Ic,U+=U-,U+=0,U-=0,由电路可看出：, 输出电压与输入电压的关系呈对数关系； Uo的最大输出电压不会超过Ube； 温度稳定性差。,七、指数放大器（了解内容）, 输出电压与输入电压的关系呈指数关系; 温度的稳定性差.,原理:利用PN结结电流与电压 之间的指数关系而构成的。,八、乘、除法器（了解内容）,乘法原理:利用对数和指数运算电路可以实现乘法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,求和运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,八、乘、除法器（续，了解）,除

15、法原理:利用对数和指数运算电路可以实现除法运算电路。,对数运算电路1,对数运算电路2,减法运算电路,指数运算电路,u11,u12,uo1,uo2,uo3,uo,要求输出电压的幅值要小于等于Uom， 由此可知，输出电压可表示为,例: 如图所示积分器，已知输入矩形波电压幅值E=1V，T=10ms，运放最大输出电压Uom=10 V，求电路元件R和C的值。,解:,可取电阻：R10k；电容：C0.1F,ui(t),t,uo(t),-E,E,Uom,T,求图所示数据放大器的输出表达式，并分析R1的作用。,解1：,显然调节R1可以改变放大器的增益。,例:,所以：,显然调节R1可以改变放大器的增益。 如放大器

16、AD624等， R1有引线连出，同时有一组R1接成分压器形式，可选择连接成多种的R1数值 。,解2：vs1和vs2为 差模输入信号，为此vo1和vo2也是 差模信号，R1的中点为交流零电位。对A3是双 端输入放大电路。,例:画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,积分器的输入和输出波形,9.4 电压比较器,一、单门限比较器 二、迟滞比较器 三、比较器的特点及应用,对两个输入电压进行比较，比较两个电压的大小，将比较结果以高低电平的形式输出。此功能的运放通常工作在饱和区。 通常将一个输入电压固定UR作为参考电压，另一个输入电压Ui与UR比较，结果由Uo反映。,一、单门限比较器, 单门限比较器：

17、, 比较器的功能,是指只有一个门限电压的比较器.,一、单门限比较器（续）,输出应为负饱和值，Uo为低电平-VOL。,当UiUR时，输出为正饱和值， Uo为高电平VOM。,输出电压被限定在 （UZ+UD),原理,例: 电路如图 (a)所示，当Ui如图 (b)所示时，试画出Uo及Uo 的波形。,图（a) 电路,图(b) 波形图电路,一、单门限比较器（续）,二、迟滞比较器,引入正反馈起加 速输出电压变化,原理: 当输出Uo为高电平Uo=Uom时，同相端受到Uom和UR同时作用,当UiU1时，输出将由高电平Uom跳变到低电平Uon。 U1称为上门限电压，也称正向阈值电压。,迟滞比较器：具有迟滞回环特性

18、，输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。,二、迟滞比较器（续）,原理: 当输出Uo为低电平Uo=Uon时，同相端受到Uon和UR同时作用,当UiU2时，输出将由低电平Uon跳变到高电平Uom 。 U2称为下门限电压，也称负向阈值电压。,U1,迟滞比较器,上门限电压：,下门限电压：,门限宽度：,小结： 1. 改变基准电压UR可改变上、下门限电压U1、 U2 ， 但不影响门限宽度U。 2. 改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响U和 U1、 U2 。 3. Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。,三、比较器的特点及应用,1. 工作

19、在开环或正反馈状态。 2.开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。 3.非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。,特点：,应用：比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。,正弦波变换为矩形波,三、比较器的特点及应用（续）,有干扰正弦波变换为方波,9.6 波形发生器（略）,一、矩形波发生电路 二、三角波发生电路 三、脉冲和锯齿波发生电路,9.7 集成运放的其他应用电路（略）,一、电压电流变换电路 二、RC有源滤波器 三、测量放大电路 四、单电源供电放大电路 五、线性稳压电路,小 结, 集成运算放大器本质上是一种多级高增益直流放大器，在外部反馈网络配合下，它