第九章运算放大电路

1、第九章运算放大电路第九章运算放大电路 1 2 2 运算放大器运算放大器 Fundamental of Electronic Technology CTGU operational amplifier 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 2 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。 集成电路集成电路 是把整个电路的各个元件以及相互之是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间的联接同时制造在一块半导体芯片

2、上, 组成一个不组成一个不 可分的整体。可分的整体。 ：体积小、重量轻、功耗低、可：体积小、重量轻、功耗低、可 靠性高、价格低。靠性高、价格低。 按集成度按集成度 按导电类型按导电类型 按功能按功能 小、中、大和超大规模小、中、大和超大规模 双、单极性和两种兼容双、单极性和两种兼容 数字和模拟数字和模拟 晶体管的集成电路，应用广泛晶体管的集成电路，应用广泛 运算功能：可模拟加、减、积分等运算运算功能：可模拟加、减、积分等运算 可用来放大直流和频率不太高的交流信号可用来放大直流和频率不太高的交流信号 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 3 2.1 集成运算放大器集成运算放大器 2.2 理想运算

3、放大器理想运算放大器 2.3 基本线性运放电路基本线性运放电路 2.4 同相输入和反相输入放大同相输入和反相输入放大 电路的其他应用电路的其他应用 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 4 掌握基本运算电路的构成及其掌握基本运算电路的构成及其 信号运算关系；信号运算关系； 掌握运算放大器线性应用与非掌握运算放大器线性应用与非 线性应用的特点。线性应用的特点。 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 5 一、集成运算放大器的内部组成单元 输入级中间级 偏置 电路 输出级 输入端 输出端 输 入 级：由差放构成由差放构成，输入电阻高可减小零点漂移和抑制干 扰。 中 间 级：共射放大电路共射放大电路。

4、电压放大倍数高，用于电压放大。 输 出 级：互补对称电路或射极输出器构成互补对称电路或射极输出器构成。降低输出电阻， 提高带载能力。 偏置电路：由恒流源电路构成。提供合适的偏流确定运放各级 的静态工作点。 2.1 集成电路运算放大器集成电路运算放大器 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 6 在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元 件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻 比较容易，而制造晶体管却最容易。 运放举例：LM741 LM741 1 2 3 4 8 7 6 5 741 7 6 1 43 2 5 8 2 2反相输入端反相输入端 出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的 需要，运

5、放各级之间均采用直接耦合的方式。 6 6输出端输出端 3 3同相输入端同相输入端 4 4正电源端正电源端 7 7负电源端负电源端 8 8闲置端闲置端（NC） 1 1、5 5接调零电位器接调零电位器 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 7 二、运放代表符号二、运放代表符号 + + -u- u+ uo 国家标准规定符号国家标准规定符号 国外常用符号国外常用符号 反相反相 输入端输入端 同相同相 输入端输入端 +UCC UEE uo + + u u + + + Auo 信号传信号传 输方向输方向 输出端输出端 实际运放开环实际运放开环 电压放大倍数电压放大倍数 第九章运算放大电路第九章运算放大电路

6、 8 三、运算放大器的电路模型 Avo(vp-vN) Vp vN vo ri ro 开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百K）； 输出电阻低（约几百）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 9 U -U- Uds -Uds uo up-un O 分三个区域：分三个区域： 线性工作区：线性工作区： |ud| Uds, 则则 uo= U+ ud u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0 时，时， vOmax = +VCC vI 0 时，时， vOmax = -VCC （过零比较器）（过零比较器） 运算

7、放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下 MCCCC VVV 假设假设 - -VCCvO+VCC 时时， 0 M A V |vI| 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 56 1 电压比较器电压比较器 特点：特点： 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （1）过零比较器）过零比较器 开环，虚短不成立开环，虚短不成立 增益增益A0大于大于105 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦 波时，输出为方波。波时，输出为方波。 电压传输特性电压传输特性 - -VCCvO+VCC 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 57 1 电压比较器电压比较器 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器

8、 （2）门限电压不为零的比较器）门限电压不为零的比较器 电压传输特性电压传输特性 （门限电压为（门限电压为VREF） 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 58 1 电压比较器电压比较器 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （2）门限电压不为零的比较器）门限电压不为零的比较器 （门限电压为（门限电压为VREF） (a) VREF0时时 (b) VREF2V时时 (c) VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，设的三角波，设 VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 59 解：解： 例例 图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电

9、图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电 压压(阈值电压阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、，画出其电压传输特性。设运放输出的高、 低电平分别为低电平分别为VOH和和VOL。 利用叠加定理可得利用叠加定理可得 I 21 1 REF 21 2 P vv RR R V RR R 理想情况下，输出电压发生跳变理想情况下，输出电压发生跳变 时对应的时对应的vPvN0，即，即 0 I1REF2 vRVR 门限电压门限电压 REF 1 2 IT )(V R R V v 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 60 单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力 应为高电平应为高电

10、平 错误电平错误电平 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 61 1 电压比较器电压比较器 2. 迟滞比较器迟滞比较器 （1）电路组成）电路组成 （2）门限电压）门限电压为为门门限限电电压压， P v 门限电压门限电压 的的两两个个的的两两个个电电压压值值可可得得有有关关，对对应应于于与与而而 POOP vvvv )( OLOPI 低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI 高电平高电平时，时，V vvv 21 OH2 21 REF1 T RR VR RR VR V 21 OL2 21 REF1 T RR VR RR VR V 上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压 回差电压回差电压

11、21 OLOH2 TTT )( RR VVR VVV 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 62 1 电压比较器电压比较器 2. 迟滞比较器迟滞比较器 （3 3）传输特性）传输特性 21 OH2 21 REF1 T RR VR RR VR V 21 OL2 21 REF1 T RR VR RR VR V 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 63 通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论： （1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和 非线性区，其输出电压只有高电平非线性区，其输出

12、电压只有高电平VOH和低电平和低电平VOL两种情况。两种情况。 （2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数 关系。关系。 （3）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向 令令vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压 vI等于门限电压时输出电压发生跳变等于门限电压时输出电压发生跳变 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式 第九章运算放大电路第九章运算放

13、大电路 64 1 电压比较器电压比较器 3. 集成电压比较器集成电压比较器 集成电压比较器与集成运算放大器比较：集成电压比较器与集成运算放大器比较： 开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如 用集成运放构成的比较器高。用集成运放构成的比较器高。 但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改 变输出状态的典型响应时间是变输出状态的典型响应时间是30200 ns。 相同条件下相同条件下741集成运算放大器的响应时间为集成运算放大器的响应时间为30 s左右。左右。 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 65 2 方波产生电路方波产生电路 1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路） 稳压管双稳压管双 向限幅向限幅 第九章运算放大电路第九章运算放大电路 66 2 方波产生电路方波产生电路 2. 工作原理工作原理 由于迟滞比较器中正反馈由于迟滞比较器中正反馈 的作用，电源接通