3章集成运算放大器

1、教育部高职高专规划教材教育部高职高专规划教材 电工电子技术电工电子技术 陈小虎主编陈小虎主编 （多学时）（多学时）第二部分第二部分集成运算放大电路集成运算放大电路第二部分第二部分 电子技术基础电子技术基础第二部分第二部分 电子技术基础电子技术基础 第第3 3章章 集成运算放大电路集成运算放大电路3.3 3.3 3.4 3.4 3.5 3.5 运算放大电路的反馈分析运算放大电路的反馈分析3.6 3.6 运算放大器的应用电路举例运算放大器的应用电路举例3.7 3.7 集成运放构成的信号发生器集成运放构成的信号发生器主要内容：主要内容：重点内容：重点内容：难点内容：难点内容： 将多级放大电路级与级之

2、间直接，相连将多级放大电路级与级之间直接，相连 可以放大缓慢变化的信号或直流信号。可以放大缓慢变化的信号或直流信号。1 1、前、后级静前、后级静态工作点相互影态工作点相互影响响2 2、零点漂移零点漂移图图2.3.1 2.3.1 uoto输入电压输入电压信号信号ui为零时，输出电为零时，输出电压发生缓慢地、无规压发生缓慢地、无规则地变化的现象。则地变化的现象。环境温度环境温度变化、电源电压波动、变化、电源电压波动、电路元件参数变化。电路元件参数变化。1 1、全面考虑静态工作点的合理配置；、全面考虑静态工作点的合理配置； 2 2、采用差分放大电路、采用差分放大电路图图2.3.3 2.3.3 结构对

3、称，两管结构对称，两管的特性及元件的参的特性及元件的参数值完全一样。数值完全一样。双电源，两个输双电源，两个输入和两个输出。入和两个输出。两管静态工作点相两管静态工作点相同，互不影响。同，互不影响。多种输入输出方式：单入、双入、多种输入输出方式：单入、双入、单出、双出单出、双出。3.2.13.2.11 1、依靠电路的对称性、依靠电路的对称性ui1 = ui2 = 0t ic1 vc1 ib1 ic2 vc2 ib2 uo = uc1uc2 = 0 ic1= ic2 ； vc1 = vc2 2 2、依靠、依靠re的负反馈作用的负反馈作用图图2.3.3 2.3.3 0u3.2.23.2.2利用对称

4、性采用单边直流通路利用对称性采用单边直流通路图图2.3.3 2.3.3 bcii eeeccccce2eririuu c2c1b1b1iiii ；设设基极回路方程基极回路方程eeebebb2eriuri ebbeeebb1rrueeri 时，则：时，则：bebbee2uriri 当当 cccccee201riuuv ；3.2.3 3.2.3 1 1、输入信号之间的关系、输入信号之间的关系()()dci2dci1i2i1ci2i1d-=+=+21=21=uuuuuuuuuuuu；-例：例：ui1 = 9 mv, ui2 = 5 mv 差模分量：差模分量：ud = 2mv共模分量：共模分量：uc

5、= 7 mv3.2.3 3.2.3 2 2、差模输入动态分析、差模输入动态分析利用对称性，采用利用对称性，采用单管差模微变等效电路分析。单管差模微变等效电路分析。图图2.3.3 2.3.3 2lr - - bebli1o1d1+=ar rrruu 2=lclrrr 3.2.3 3.2.3 2 2、差模输入动态分析、差模输入动态分析2lridi2i121=uuuu-2/=lclrrro1o2o1oo1o22=uuuuuu -cofo2=2=rrr ()bebid+2=rrr - - bebld1i1o1iod+=a=22=ar rrruuuu 3.2.3 3.2.3 3 3、共模输入动态分析、共

6、模输入动态分析()ebebli1o1c2c1+1+=a=a2rrruu r r - -bebld1d+=a=ar rrr ()ebeblc1+1+=a2rrr r r差模信号，抑制共模信号。差模信号，抑制共模信号。一是利用对称性；一是利用对称性；二是利用强共模负反馈。二是利用强共模负反馈。3.2.3 3.2.3 4 4、共模抑制比、共模抑制比cdcmrr=aak dblg20dbcdcmraak 差模放大倍数差模放大倍数共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比工程上，常用分贝表示共模抑制比工程上，常用分贝表示共模抑制比3.2.4 3.2.4 双端输入、双端输出双端输入、双端输出（双双双双）双端

7、输入、单端输出双端输入、单端输出（双单双单）单端输入、双端输出单端输入、双端输出（单双单双）单端输入、单端输出单端输入、单端输出（单单单单）3.2.4 3.2.4 bebcd1d+21=a21=arrr bebld1d+21=a21=arrr ()bebid+2=rrr co= rr lcl/=rrr不接不接rl：接接rl： 集成运算放大器是具有高放大倍数带有深度负集成运算放大器是具有高放大倍数带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应反馈的多级直接耦合放大电路。它是发展最早、应用最广泛的模拟集成电路。用最广泛的模拟集成电路。auo 高高: 80db140dbrid 高高: 105

8、 1011 ro 低低: 几十几十 几百几百 kcmr高高: 70db130dbuo+auou+u。 。 （1）（1 （1 1）（2 2）（3 3）（4 4） 集成运放是具有高增益、高输入电阻、低输出电阻、集成运放是具有高增益、高输入电阻、低输出电阻、低零漂，并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路，低零漂，并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路，其基本放大电路由四部分组成。其基本放大电路由四部分组成。图图2.3.6 2.3.6 采用差放、采用差放、零漂小、输零漂小、输入电阻高入电阻高使各级有合使各级有合适的工作点适的工作点放大放大输出电阻低，带输出电阻低，带负载能力强，一负载能力强，一般由互补

9、对称电般由互补对称电路组成路组成开环电压放大倍数开环电压放大倍数 ao差模输入电阻差模输入电阻 ri开环输出电阻开环输出电阻 ro共模抑制比共模抑制比 kcmrr ; ;0 ;0 ; ; ; ; ;图图2.3.7 2.3.7 理想理想同相输入端同相输入端输出端输出端反相输入端反相输入端信号传信号传输方向输方向提示：提示：外管脚排列图及电源范围需查阅有关手册。外管脚排列图及电源范围需查阅有关手册。ui略大于略大于0 0 正饱和区正饱和区输入输出关系曲线输入输出关系曲线uo = f（ui ） uo=a0ui=a0（u+u）- uuuiui i略小于略小于0 0 负饱和区负饱和区 要使运放工作在线性

10、区，常引入要使运放工作在线性区，常引入深度负反馈。深度负反馈。图图2.3.8 2.3.8 集成集成ui 0i-i+0u-u+=i-i+i ii iruii=+- ir00auiuuu 0a0 iu（1）最大输出电压）最大输出电压uopp（2）开环差模电压增益开环差模电压增益 auo（3）输入失调电压）输入失调电压 uio（4）输入失调电流）输入失调电流 iio（5）输入偏置电流）输入偏置电流iib（6） 最大共模输入电压最大共模输入电压uicm3.4.1 3.4.1 图图2.3.9 2.3.9 反相比例反相比例电路分析：电路分析：r1反相输入电阻反相输入电阻rf反馈电阻反馈电阻r2平衡电阻平衡

11、电阻r2= r1/ rfrf引入电压并联负反馈引入电压并联负反馈运放工作在线性区运放工作在线性区3.4.1 3.4.1 电路分析：电路分析：根据线性区的分析依据：根据线性区的分析依据：“虚断虚断” i i-0+i+ii得得 i = if + i- if “虚短虚短” u- u = 0所以所以f1i-=-ruuruuf1i=ruru1fiouf=arruu即即闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数取取r1= rfioiouf=1=auuuu反相器反相器3.4.1 3.4.1 【例例3.4.1】在图在图2.3.9中，设中，设r1=10k,rf=50k， 求求auf，如果如果ui=0.5v,uo=?【解解

12、】5=1050=a1fioufrruu()v52=505=a=iufo uu3.4.2 3.4.2 图图2.3.10 2.3.10 同相比例同相比例电路分析：电路分析：rf反馈电阻反馈电阻r2平衡电阻平衡电阻r2= r1/ rf反相端反相端r1经接地经接地rf引入电压串联负反馈，运放工作在线性区。引入电压串联负反馈，运放工作在线性区。3.4.2 3.4.2 电路分析：电路分析：根据线性区的分析依据：根据线性区的分析依据：“虚断虚断” i i-0得得 i = if + i- if “虚短虚短” u-u+= ui所以所以f1-=-ruuru0 0fi1i=ruuru1fiouf+1=arruu即即

13、闭环电压闭环电压放大倍数放大倍数取取r1= （断开断开）或或rf=0ioiouf=1=auuuu+i+iiu-= uii1fo+1=urru）（【例例3.4.2 】分析图分析图2.3.11中输出电压与输入电压的中输出电压与输入电压的 关系，并说明电路的作用关系，并说明电路的作用?3.4.2 3.4.2 【解解】图图2.3.11 2.3.11 例例3.4.2题图题图zio=uuu3.4.3 3.4.3 图图2.3.12 2.3.12 反相加法反相加法电路分析：电路分析：根据线性区的分析依据：根据线性区的分析依据：“虚断虚断” i i-0“虚短虚短” u-u+= 0整理得整理得当当r11= r12

14、= r13=r1时时ii= ii1 + ii2 + ii3 ）（i313fi212fi111fo+=urrurrurru）（i3i2i11fo+=uuurrur2= r11/ r12/ r13/ rf【例例3.4.3 】一个测量系统的输出电压和一些待测一个测量系统的输出电压和一些待测量的关系为量的关系为u0=2ui1+0.5ui2+4ui3，试用集成运放构成，试用集成运放构成信号处理电路，若取信号处理电路，若取rf=100k，求各电阻值。，求各电阻值。3.4.2 3.4.2 【解解】rf=100kr11=50kr12=200kr13=25krb1=16k第一级第一级第二级第二级r21 =rf=

15、100krb2 =50k3.4.4 3.4.4 图图2.3.14 2.3.14 减法减法1、差分输入放大电路、差分输入放大电路信号由两个输入端输入信号由两个输入端输入1f1ii111i1-+-=-=rrruuuriuu332i2+=rrruu因为因为 u-u+ ，所以所以i11fi23231fo-+1=urrurrrrru）（当当r1= r2 和和r3=rf时，则时，则）（i1i21fo-=uurru当当r1= rf时，则时，则i1i2o-=uuu3.4.4 3.4.4 2、具有高输入电阻的减法运算电路、具有高输入电阻的减法运算电路图图2.3.14 2.3.14 高输入电阻的减法高输入电阻的减

16、法电路分析：电路分析：为提高减法器的输入电阻，第一级采用同相比例为提高减法器的输入电阻，第一级采用同相比例运算电路，第二级为差分比例运算电路。运算电路，第二级为差分比例运算电路。3.4.4 3.4.4 2、具有高输入电阻的减法运算电路、具有高输入电阻的减法运算电路电路分析：电路分析：i112f211f1i212f2o112f2i212f2o+1-+1=-+1=urrrrurrurrurru）（）（）（i111f1o1+1=urru）（取取rf1= r12 r11=rf2时，时，）（）（i1i212f2o-+1=uurru该电路的实该电路的实际输入电阻际输入电阻可高达几十可高达几十兆欧兆欧。3.

17、4.4 3.4.4 图图2.3.14 2.3.14 减法减法1、差分输入放大电路、差分输入放大电路信号由两个输入端输入信号由两个输入端输入1f1ii111i1-+-=-=rrruuuriuu332i2+=rrruu因为因为 u-u+ ，所以所以i11fi23231fo-+1=urrurrrrru）（当当r1= r2 和和r3=rf时，则时，则）（i1i21fo-=uurru当当r1= rf时，则时，则i1i2o-=uuurf直接与输出端相连直接与输出端相连为电压反馈，反之为电流为电压反馈，反之为电流反馈。反馈。 rf与信号输入端相连与信号输入端相连为并联反馈，反之为串为并联反馈，反之为串联反馈

18、。联反馈。 rf与反相输入端与反相输入端相连为负反馈，反之相连为负反馈，反之为正反馈。为正反馈。 确定反馈类型，了解确定反馈类型，了解负反馈对放大电路的影负反馈对放大电路的影响。为改善放大电路的响。为改善放大电路的性能提供理论依据。性能提供理论依据。3.5.1 3.5.1 图图2.3.16 2.3.16 串联电压负反馈串联电压负反馈rf和和r1构成反馈支路构成反馈支路rf直接与输出端相连直接与输出端相连为电压反馈。为电压反馈。 rf没有直接与信号输入没有直接与信号输入端相连，故为串联反馈。端相连，故为串联反馈。 rf与反相输入端与反相输入端相连，为负反馈。相连，为负反馈。f1fof+=rrru

19、uf3.5.2 3.5.2 图图2.3.17 2.3.17 并联电压负反馈并联电压负反馈rf和和r1构成反馈支路构成反馈支路rf直接与输出端相连直接与输出端相连为电压反馈。为电压反馈。 rf直接与信号输入端直接与信号输入端相连，故为并联反馈。相连，故为并联反馈。 同前，为负反馈。同前，为负反馈。fof1=ruif3.5.3 3.5.3 图图2.3.18 2.3.18 串联电流负反馈串联电流负反馈rf构成反馈支路构成反馈支路rf没有直接与输出端没有直接与输出端相连，为电流反馈。相连，为电流反馈。 rf没有直接与信号输入端没有直接与信号输入端相连，故为串联反馈。相连，故为串联反馈。 同前，为负反馈

20、。同前，为负反馈。fof=riuf3.5.4 3.5.4 图图2.3.18 2.3.18 串联电流负反馈串联电流负反馈rf和和r构成反馈支路构成反馈支路rf没有直接与输出端没有直接与输出端相连，为电流反馈。相连，为电流反馈。 rf直接与信号输入端相连，直接与信号输入端相连，故为并联反馈。故为并联反馈。 同前，为负反馈。同前，为负反馈。fof=rriif3.5.5 3.5.5 判断多级运算放大电路反馈类型的方法基本与单判断多级运算放大电路反馈类型的方法基本与单级相同但在判断正、负反馈时要用瞬时极性法，级相同但在判断正、负反馈时要用瞬时极性法，具体方法见例题。具体方法见例题。【例例3.5.1 】判

21、断两级运放电路的反馈类型。判断两级运放电路的反馈类型。图图2.3.20 2.3.20 例例3.5.13.5.1题图题图 由反馈电阻由反馈电阻rf构成交直流构成交直流并联电压负反并联电压负反馈。馈。3.6.1 3.6.1 积分积分图图2.3.21 2.3.21 反相积分运算电路反相积分运算电路输入与输出电压成积分关系输入与输出电压成积分关系电路功能：电路功能：由由 u-u+= 0 得得 i = if 1i1=rui i = if tdiqufffffc1c tdiuufff0c1- tdurtdiuui1f1ff0c1c1-3.6.1 3.6.1 积分积分输入阶跃电压输入阶跃电压波形变换：波形变

22、换：输入矩形波输入矩形波图图2.3.22 2.3.22 反相积分运算电路反相积分运算电路输出为时间的一次函数输出为时间的一次函数输出为三角波输出为三角波+i+ii“虚断虚断” i i-0+i - - bebld1i1o1iodf1i+=a=22=a-=-r rrruuuuruuruu 1fiouff1i=a=rruururu()v52=505=a=iufo uui1fi313fi212fi111fo+1+=urrurrurrurru）（fi1i=ruuru i = if 1i1=rui1ifffff=c1=c=rudtiqutdif由由 u-u+= 0 得得【例例3.6.1 】如图如图2.3.

23、23所示电路，反相比例运算与积分运所示电路，反相比例运算与积分运算结合起来构成的比例积分调节器。试求出输出电压与输算结合起来构成的比例积分调节器。试求出输出电压与输入电压的关系。入电压的关系。图图2.3.23 3.6.12.3.23 3.6.1题图题图3.6.1 3.6.1 积分积分【解解】cffouriuu- tdiriuffff0c1- i i-0得得由由 u-u+= 0 tdururruiif11f0c1图图2.3.24 2.3.24 电压电流变换器电压电流变换器3.6.2 3.6.2 电压电流变换器电压电流变换器负载不接地的电压电流变换器负载不接地的电压电流变换器 将输入电压信号变换成

24、将输入电压信号变换成与之成正比的输出电流信号与之成正比的输出电流信号1i1ruiil 由理想运放的条件得：由理想运放的条件得： 结论：结论：负载电阻负载电阻rl上的电流上的电流il与输入电压与输入电压ui成正比。该电路对负载是一个恒流源。成正比。该电路对负载是一个恒流源。图图2.3.25 2.3.25 电压电压- -电流变换器电流变换器负载电阻接地的电压电流变换器负载电阻接地的电压电流变换器：3.6.2 3.6.2 电压电流变换器电压电流变换器 由理想运放的条件得：由理想运放的条件得：“虚断虚断” i i-0 “虚短虚短” u-u+ llorriuu llriu 输出电流为：输出电流为：rei

25、l 结论：结论：负载电流负载电流il与输入电压与输入电压e成正比。成正比。图图2.3.26 2.3.26 3.6.3 3.6.3 电压比较器电压比较器 将输入电压信号与参考将输入电压信号与参考电压相比较，比较器工作在电压相比较，比较器工作在运放的非线性区运放的非线性区 uiur uo =+uo（sat） uiur uo =uo（sat）uiur uiur图图2.3.27 2.3.27 3.6.3 3.6.3 电压比较器电压比较器2、过零限幅比较器、过零限幅比较器 将输入电压信号与零电将输入电压信号与零电平进行比较，可加双向稳压平进行比较，可加双向稳压管限幅。管限幅。 稳压管接在输出端稳压管接在

26、输出端 稳压管接在输出稳压管接在输出和反相之间端和反相之间端3.6.3 3.6.3 电压比较器电压比较器（1）输出电压的跃变条件：）输出电压的跃变条件：u+ = u-（2 ）电压传输特性：）电压传输特性：u+ u- ； uo 0 u+ u- ； uo 0输出端不接稳压管时，输出端不接稳压管时， uo =uo（sat ）输出双相限幅时，输出双相限幅时， uo =uz（3）电压比较器的输入与输出）电压比较器的输入与输出之间为非线性关系。之间为非线性关系。3.6.3 3.6.3 电压比较器电压比较器 在运放中加入正反馈，形成在运放中加入正反馈，形成具有具有滞回特性的比较器，滞回特性的比较器，rf为正

27、为正反馈电阻，反馈电阻，r3 dz与组成稳压电与组成稳压电路，反向端电阻路，反向端电阻r1接地接地。图图2.3.22 2.3.22 过零滞回比较器过零滞回比较器 设设uo=-uz i 0 ；i i f2iruuruu 整理得：整理得： fifz2f2if2ruru-rrrururu 若若ui减小，减小，0z2ifur-ur 电路翻转，输出电压为电路翻转，输出电压为+uz 求出翻转电平（上门限电平）：求出翻转电平（上门限电平）： 整理得：整理得： fifz2f2if2ruru-rrrururu 若若ui减小，减小，0z2ifur-ur 电路翻转，输出电压为电路翻转，输出电压为+uzzf2i1urruu 设设uo=uz fifz2f2if2rururrrururu 若若ui增大，增大，0z2ifurur 电路翻转，输出电压为电路翻转，输出电压为-uz 求出翻转电平（下门限电平）：求出翻转电平（下门限电平）：zf2i2urruu zf2221urr2ru-uu 回差电压：回差电压：u 3.6.4 3.6.4 测量放大器测量放大器 实