第14章 集成运算放大器02simple

1、1. 1. 了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号； 2. 2. 掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；掌握集成运放的理想化条件及其分析方法； 3. 3. 理解集成运放的线性应用及其工作原理；理解集成运放的线性应用及其工作原理； 4. 4. 了解一般集成运放的简单非线性应用。了解一般集成运放的简单非线性应用。 第14章 集成运算放大器 n14.1 集成运算放大器概述 n14.2 反馈的基本概念 n14.3 负反馈对放大电路性能的改善 n14.4 理想运算放大器 n14.5 基本运算电路 n14.6 电压比较器 n14.7 RC正弦波振荡电路 Home

2、 14.1 集成运算放大器概述 n14.1.1 集成运算放大器的组成 n14.1.2 电压传输特性 14.1.1 集成运算放大器的组成 n概念:是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级 放大电路 n组成:输入级,中间级和输出级三个基本部分组成 n输入级:双端输入的差分放大电路 n中间级:完成电压放大,一般采用共射放大电路 n输出级:采用互补对称放大电路或共集放大电路 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电 阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但 结构具有共同

3、之处，一般由四部分组成。结构具有共同之处，一般由四部分组成。 输入级输入级一般是差动放大器，利用一般是差动放大器，利用 其对称特性可以提高整个电路的共模其对称特性可以提高整个电路的共模 抑制比和电路性能，输入级有反相输抑制比和电路性能，输入级有反相输 入端、同相输入端两个输入端；入端、同相输入端两个输入端； 中间级中间级的主要作用是提高电压增的主要作用是提高电压增 益，一般由多级放大电路组成；益，一般由多级放大电路组成； 输出级输出级一般由电压跟随器或互补一般由电压跟随器或互补 电压跟随器所组成，以降低输出电阻，电压跟随器所组成，以降低输出电阻， 提高带负载能力。提高带负载能力。 偏置电路偏置

4、电路是为各级提供合适的工是为各级提供合适的工 作电流。作电流。 此外还有一些过载保护电路及高此外还有一些过载保护电路及高 频补偿环节等辅助环节。频补偿环节等辅助环节。 集成电路的几种外形集成电路的几种外形 左图所示为左图所示为A741A741集成运算放大器的芯片实物外形图集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出，从实物外形图上可看出，A741A741集成运放有集成运放有8 8 个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下： 12 8765 43 空脚空脚 正电源端正电源端 输出端输出端 调零端调零端 调零端调零端 反相输入端反相输入端 同相输入端同相输

5、入端 负电源端负电源端 集成运放的电路图符号集成运放的电路图符号 U0 U+ U- 同相输入同相输入 反相输入反相输入 +12V 输出输出 6 5 1 3 7 2 4 -12V 调零电位器调零电位器 外部接线图外部接线图 指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况 下的直流差模电压增益。集成运放的下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为一般很高，约为104107； 集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧； 由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输

6、出电阻很由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很 低，约在几十欧至几百欧之间；低，约在几十欧至几百欧之间； （2）差模输入电阻）差模输入电阻ri和输出电阻和输出电阻r0 （1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电 压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成 器件损坏。器件损坏。 （3）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicmax 14.1.1 集成运算放大器的组成 集成运放的特点：集成运放的特点

7、： 电压增益高电压增益高 输入电阻大输入电阻大 输出电阻小输出电阻小 零点漂移小零点漂移小 抗干扰能力强抗干扰能力强 可靠性高可靠性高,体积小体积小,耗电少耗电少 14.1.2 电压传输特性 n集成运放的输出电压与输入电压之间的关 系称为集成运放的电压传输特性 ui uo +UOM -UOM Ao越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之输出与输入之 间间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。 ui uo _ + + Ao 运放工作在线性区时的特点运放工作在线性区时的特点 CoOM EuU max 例：若例：若UOM=

8、12V，Ao=106， 则则|ui|1： 结论：结论：当当 Ao 很大时，负反馈放大器的闭环放大倍很大时，负反馈放大器的闭环放大倍 数与晶体管无关，只与反馈网络有关。即负数与晶体管无关，只与反馈网络有关。即负 反馈可以稳定放大倍数。反馈可以稳定放大倍数。 FA A A o o F 1 F AF 1 14.2.1 反馈的分类 n1 正反馈和负反馈 n2 交流反馈和直流反馈 n3 串联反馈和并联反馈 n4 电流反馈和电压反馈 1 正反馈和负反馈 正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。 负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。负反馈：输入量

9、不变时，引入反馈后输出量变小了。 另一角度另一角度 正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。 负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。 判别方法：判别方法：瞬时极性法瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 （正斜率或负斜率，用（正斜率或负斜率，用“+”、“- -”号表示）。号表示）。 例例 vI vO - - + RL R2 R1 (+)(+) (-) (-) (-) 净输入量净输入量 vI vO

10、- - + RL R2 R1 (+)(+) (-) (-) 净输入量净输入量 负反馈负反馈 正反馈正反馈 vO - - + R4 R5 R3 - - + vI R1 R2 反馈通路反馈通路 反馈通路反馈通路 级间反馈通路级间反馈通路 (+)(+) (+) (+) (-) (-) 净输入量净输入量 级间负反馈级间负反馈 反馈通路反馈通路本级反馈通路本级反馈通路 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻 高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，高，输出电阻小，在分析时常将其理想化， 称其所谓的称其所谓的理想运放理想运放。 理想运放的条件理想运放的条件 o A i r

11、0 o r )uu(Au oo 虚短路虚短路 uu 0 i I 放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多 个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时 可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。 虚开路虚开路 运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点 一、在分析信号运算电路时对运放的处理一、在分析信号运算电路时对运放的处理 二、分析运放组成的线性电路的出发点二、分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚短路 虚开路虚开路 放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关， 可以分开分析可以分开分析。 0 i I uu u+uo _ + + u Ii 信号的放大、运算信号的放大

12、、运算 有源滤波电路有源滤波电路 运放线运放线 性应用性应用 14.5 基本运算电路 n比例运算电路 n加法运算电路 n减法运算电路 n微分运算电路 n积分运算电路 比例运算电路比例运算电路 信号的运算电路信号的运算电路 作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。 类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。 方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。数有关。 0 uu i1= i2 21

13、R u R u oi 1 2 R R u u A i o u uo _ + + R2 R1 RP ui i1 i2 1. 放大倍数放大倍数 虚短路虚短路 虚开路虚开路 一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路 结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输 入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。 虚开路虚开路 平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地 的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静 态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。 RP =R1 / R2 uo _ + + R2 R1 RP ui i1 i2 二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路 _ + + R2

14、R1 RP ui uo u-= u+= ui 12 R u R uu iio io u R R u)1 ( 1 2 反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。 1 2 1 1 R R u u A o u 虚短路虚短路 虚开路虚开路 结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反 相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端 输入。输入。 虚开路虚开路 _ + + ui uo io uuuu 此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输 出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出 器相同，但

15、是电压跟随性能好。器相同，但是电压跟随性能好。 三、电压跟随器三、电压跟随器 结构特点：结构特点：输出电压全输出电压全 部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信 号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压 跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算 放大器的特例。放大器的特例。 加减运算电路加减运算电路 作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。例放大。 类型：类型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。 方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数

16、无关，与输入电压和反馈系放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。数有关。 一、反相求和运算一、反相求和运算 R12 _ + + R2 R11 ui2uo RP ui1 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数， 以适应不同的需要。以适应不同的需要。 FP R/R/RR 1211 0 uu F iii 1211 )( 2 12 2 1 11 2 iio u R R u R R u i12 iF i11 R12 _ + + R2 R11 ui2uo RP ui1 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影 响输入

17、电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。 二、同相求和运算二、同相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数， 以适应不同的需要。以适应不同的需要。 22211 R/RR/R F - R1RF + + ui1 uo R21 R22 ui2 此电路如果以此电路如果以 u+ 为输入为输入 ， 则输出为：则输出为： u R R u F o )1 ( 1 - R1RF + + ui1 uo R21 R22 ui2 u+ 与与 ui1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？ )(1 ( 2 1211 11 1 1211

18、12 1 ii F o u RR R u RR R R R u 注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能 单独调整。单独调整。 流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路） 2 2221 21 1 2221 22 ii u RR R u RR R u 3、减法运算电路、减法运算电路 + - + ui1 uo R2 R1 Rf u- u+ R3 ui2 ui1单独作用：单独作用： uo1 =(- Rf / R1 ) ui1 ui2单独作用：单独作用： uo2 =(1+ Rf / R1 ) ui2 R3 R2

19、+ R3 uo = uo1 + uo2 =(1+ Rf / R1 ) ui2 - ui1 R3 R2 + R3 Rf R1 ui1和和ui2共同作用时：共同作用时： 当 R2 = R1 ， Rf = R3 ： uo = ( Rf / R1 )( ui2 - ui1 ) 当 R1 = R2 = R3 = Rf ：uo = ui2 - ui1 四、双运放的加减运算电路四、双运放的加减运算电路 - RF1 + + ui1 uo1 R1 ui2 R2 R3 - RF2 + + uo R4 ui3 R5 R6 25461213FF R/R/RR,R/R/RR )( 2 2 1 1 11 R u R u

20、Ru ii Fo 5 3 2 2 1 1 4 1 2 5 3 4 1 2 )()( R u R u R u R R R R u R u Ru iiiF F io Fo 五、三运放电路五、三运放电路 uo2 + + A + A R R RW ui1 ui2 uo1 a b + R1 R1 + A R2 R2 uo + 1 ia uu 2ib uu W ba W oo R uu RR uu 2 21 W ii R uu 21 12oo uu )( 2 12ii W W uu R RR uo2 + + A + A R R RW ui1 ui2 uo1 a b + 虚短路：虚短路： 虚开路：虚开路：

21、)( 2 12 1 2 ii W W o uu R RR R R u 三运放电路是差三运放电路是差 动放大器，放大动放大器，放大 倍数可变。倍数可变。 由于输入均在同由于输入均在同 相端，此电路的相端，此电路的 输入电阻高。输入电阻高。 )( 12 1 2 ooo uu R R u uo2 uo1 R1 R1 + A R2 R2 uo + ui RP + + C R iC iR uo 由于反相输入端虚地，且 ii， 由图可得： CR ii R u i i R ， dt du C dt du CiC oC 由此可得： dtu RC u i 1 o 输出电压与输入电压对时间的积分 成正比。 若 u

22、i为恒定电压 U，则输出电压 uo 为： t RC U u o ui为恒定电压时积分电路为恒定电压时积分电路uo的波形的波形 uo ui U UOM t t 0 0 iC ui RP + + C R iR uo uo ui U t t 0 0 )90tsin(RC tcosRCuo t ui 0 t uo 0 tsinu i 例：例：,求求uo。 dt du RCu i o u i + +uo R R2 i1 iF C 90 运算电路运算电路要求要求 1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电熟记各种单运放组成的基本运算电路的电 路图及放大倍数公式。路图及放大倍数公式。 2. 掌握以上基本运算

23、电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 3. 会用会用 “虚开路虚开路(ii=0)”和和“虚短路虚短路(u+=u) ” 分析给定运算电路的分析给定运算电路的 放大倍数。放大倍数。 运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输 入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域， 输出电压输出电压uo达到最大值达到最大值UOM。 电路特点：电路特点： 1、在反相输入端提供一个基值电压；、在反相输入端提供一个基值电压； 2、待比较信号由同相输入端输入；、待比

24、较信号由同相输入端输入； 3、电路处于开环工作方式，运放工作在饱和区（非线性区）；、电路处于开环工作方式，运放工作在饱和区（非线性区）； 4、输出、输出 uo 为二值信号；为二值信号；( uo = AU ( ui - UR ) ) + - + ui + - UR uou- u+ ui uo UR +Uom -Uom 例：例： ui UR uo -Uom +Uom 基准电压基准电压UR=0时，输入电压时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。与零电位比较，称为过零比较器。 输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽，忽 略正向导通电压，则略正向导

25、通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，时，稳压管正向导通， uo=0； uiUR时，稳压管正向导通，时，稳压管正向导通， uo=UZ；uiUR时，稳压时，稳压 管反向击穿，管反向击穿， uo=UZ时。时。 电压比较器广泛应用电压比较器广泛应用 在模在模- -数接口、电平检测数接口、电平检测 及波形变换等领域。右图及波形变换等领域。右图 所示为用过零比较器把正所示为用过零比较器把正 弦波变换为矩形波的例子。弦波变换为矩形波的例子。 例：例： 已知已知ui波形，波形，UZ= 6V； 画出画出uo波形波形 + - + + - UR=2V UZ ui uo R ui +4v -4v uo 分析：分析：

26、 1、输出电压只能是、输出电压只能是 + 6V或或 -6V； 2、 uo 为为+ 6V，则运放输出端，则运放输出端 电压为正，对应输入端应电压为正，对应输入端应 满足满足u- u+ ，即，即ui u+ ，即，即ui 2V； u- u+ +2V -6V +6V 14.4 滞回比较器滞回比较器 1.滞回比较器滞回比较器(下行下行) 特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态运放处于非线性状态 1、因为有正反馈，所以输、因为有正反馈，所以输 出饱和。出饱和。 2、当、当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ： Hom 21 1 + UU RR R U 3、当、当uo负饱和时

27、负饱和时(uo =-UOM) ： Lom 21 1 + UU RR R U + + uo R R2R1 ui U+ + + uo R R2R1 ui U+ 滞回比较器滞回比较器(下行下行) uo ui 0 +Uom -Uom U+H U+L 设设ui , 当当ui = U+H , uo从从+UOM -UOM 传输特性传输特性 uo ui 0 +Uom -Uom U+H U+L U+H上门限电压上门限电压 U+L下门限电压下门限电压 U+H - U+L称为回差称为回差 om 21 1 U RR R H U om 21 1 U RR R L U t ui U+H U+L t uo Uom -Uom

28、 例例:设输入为正弦波设输入为正弦波, 画出输出的波形。画出输出的波形。 + + uo R R2R1 ui U+ R 21 2 om 21 1 H U RR R U RR R U R 21 2 om 21 1 L U RR R U RR R U 加上参考电压后的滞回比较器加上参考电压后的滞回比较器(下行下行)： + + uo R R2R1 ui UR 上下限：上下限： uo ui 0 U+H U+L 传输特性传输特性 +UOM -UOM 例题：例题：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当当 输入输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形

29、。的波形。 uo ui 0 U+H U+L + + uo R R2R1 ui UR 传输特性传输特性 上下限：上下限： R 21 2 om 21 1 H U RR R U RR R U =10V R 21 2 om 21 1 L U RR R U RR R U =2V 2V 10V ui uo +UOM -UOM uo ui 0 U+H U+L 传输特性传输特性 +UOM -UOM + + uo R R2R1 ui UR + + uo R R2R1 ui UR uo ui 0 U+H U+L + + uo R R2R1 ui U+ uo ui 0 +Uom -Uom U+H U+L 滞回比较器

30、滞回比较器(下行下行)两种电路两种电路传输特性传输特性的比较的比较: 1 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理 fid XXX 改成正反馈改成正反馈 只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。 基本放大基本放大 电路电路Ao 反馈电路反馈电路 F i X + d X o X f X 14.3 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 如果：如果： , if XX 则去掉则去掉 , i X 仍有信号输出。仍有信号输出。 基本放大基本放大 电路电路Ao 反馈电路反馈电路 F d X o X f X 反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大 电路的输入信号。电路的输入信号。 基本放大基本放大

31、电路电路Ao 反馈电路反馈电路 F i X + + d X o X f X 自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导 fid of doo XXX XFX XAX FA A X X A o o i o F 1 基本放大基本放大 电路电路Ao 反馈电路反馈电路 F i X + d X o X f X FAo=1 自激振荡的条件自激振荡的条件 基本放大基本放大 电路电路Ao 反馈电路反馈电路 F d X o X f X offd XFXXX , oodoo XFAXAX 自激振荡的条件：自激振荡的条件：1)()(FA 因为：因为： A AA|)( F FF|)( 所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自

32、激振荡条件也可以写成： （1）振幅条件：）振幅条件：1|AF （2）相位条件：）相位条件：n FA 2n是整数是整数 相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈； 振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。 问题问题1：如何启振？如何启振？ Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅是要求输出的幅 度。起振时度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。 放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分 解为各种频率的分量，其中也包括有解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。 选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量 衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要： |AF|1，且，且 A+ B =2n ，即可起振。即可起振。 问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？ 起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这 时若时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。 达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1， 即可稳幅。即可稳幅。 具体方法将在后面具体电路中介绍。具体方法将在