模拟电子技术第3章 集成运算放大器j

1、 采用专门的制造工艺，将采用专门的制造工艺，将元器件元器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。特定的功能。开环开环：运算放大器外部，：运算放大器外部，两个输入和输出之间两个输入和输出之间没有任何连接。没有任何连接。 将集成运算放大器的一些参数近似理想化，得到将集成运算放大器的一些参数近似理想化，得到理想运算放大器的模型，有理想运算放大器的模型，有(1)(1)开环差模电压增益：开环差模电压增益：odA(3)(3)差模输入电阻：差模输入电阻：idr(4)(4)输出电阻：输出电阻：0or(2)(2)共模抑制比：共模抑制比：CMRRK注意

2、注意：无特殊说明，：无特殊说明，今后我们分析的集今后我们分析的集成运算放大器均为成运算放大器均为！uuuid( (一一) )线性区线性区idoooduuuuuA)(1)(1)两个输入端之间电压近似为零两个输入端之间电压近似为零odoAuuu)(0uu uu（“虚短虚短”）（“虚断虚断”）0ii(2)(2)两个输入端电流近似为零两个输入端电流近似为零idrooU，uuu时ooU，uuu时uuuid( (二二) )非线性区非线性区(1)(1)两个输入端之间电压两个输入端之间电压不为零不为零0ii(2)(2)两个输入端电流近似为零两个输入端电流近似为零idr（“虚断虚断”） 电路特点电路特点：运算放

3、大器工作在：运算放大器工作在闭环闭环状态，即在运放状态，即在运放外部，输出端与一个反相输入端有物理连接。外部，输出端与一个反相输入端有物理连接。特点特点： 输入信号接反相输入端；输入信号接反相输入端； 反馈电阻接于输出与反相反馈电阻接于输出与反相输入端之间；输入端之间； 输出电压与输入电压反相。输出电压与输入电压反相。0uufii 1111RuRuuiiifofofRuRuui 为平衡电阻为平衡电阻 2RfRRR/12ifouRRu1 当当 时，有时，有 ，称该电路为，称该电路为反相器反相器或或反号器反号器。fRR 1iouu求电压增益值求电压增益值 ioufuuA例例1 1112Ruiiia

4、iauRRu1221RuRuaiiauRRRRui41244331233RuuRRRRuuioioa在在 由由KCLKCLa 33124121RuuRRRuRRRRuoiii)(41321312RRRRRRRRuuAiouf342iiiuRRufo)1 (1特点特点：输入信号接同相输入端；输入信号接同相输入端；反馈电阻接于输出与反相反馈电阻接于输出与反相输入端之间；输入端之间；输出电压与输入电压同相。输出电压与输入电压同相。iuuufoRuuRu1ifouRRu)1 (1由平衡电阻的概念有由平衡电阻的概念有 21/RRRfiuRRRuu323foRuuRu1ifouRRRRRu3231)1 (

5、由平衡电阻的概念有由平衡电阻的概念有 321/RRRRfuRRufo)1 (1讨论讨论ifouRRRRRRu11323(1) (1) 输出电压与输入电压同相输出电压与输入电压同相; ;由上式可知由上式可知(2) (2) 当当 时，有时，有3RifouRRu)1 (1输出输出 输入输入iouu (3) (3) 当当 或或 有有1R0fR对应电路如下对应电路如下分析输出电压与输入电压的关系分析输出电压与输入电压的关系例例2 2分析输出电压与输入电压的关系分析输出电压与输入电压的关系例例3 3由图可知反相输入端由图可知反相输入端虚虚地地111Ruii222RuiifofRui由由KCLKCL有有fi

6、ii21由平衡电阻的概念有由平衡电阻的概念有 fRRRR/21当当 有有 fRRR21)(21iiouuu 该结论可推广为多该结论可推广为多 个输入信号个输入信号 电路如图，已知电路如图，已知 KR601KR302KR203KRf200Vui2 . 01Vui8 . 02Vui2 . 03求：输出电压求：输出电压 的大小。的大小。 ou解：解：该电路实现了三个输入信号的该电路实现了三个输入信号的反相加法运算，所以反相加法运算，所以 )(332211ifififouRRuRRuRRuV67. 22 . 020200)8 . 0(302002 . 060200(例例4 4+5V-5V+5V+2.5

7、V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo = (ui /2)+2.5 V例例5 5例例5(续续)uo = (ui /2)+2.5 V = (ui +5) /2 _+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k uo1=-(10/20)(ui+5)=- (ui+5)/2uo=-(20/20)uo1=- uo1 =(ui+5)/2 输入信号由两个输入端分输入信号由两个输入端分别输入，称为别输入，称为差动输入差动输入。 由虚短得到由虚短得到2323iuRRRufoiRuuRuu11foifRRuRuRu111 由虚断得到由虚断得到 uu11

8、232311ififouRRuRRRRRRu 当当 时时fRRRR32112iiouuu-利用叠加原理进行分析利用叠加原理进行分析1123231 )1 (ififooouRRuRRRRRuuu11ifouRRuuRRufo)1 (1 23231)1 (ifuRRRRR分析输出电压与输入电压的关系分析输出电压与输入电压的关系例例6 6dtudCdtduCRuoci)(tiOtiodtuRCUdtuRCu01)0(1输出与输入对时间的积分成正比。输出与输入对时间的积分成正比。当当 时时0)0(oUtiodtuRCu01dtduCdtduCiiCCRuiof0fCii RudtduCi0dtduRC

9、uio 电路如图，试求表达式电路如图，试求表达式 )(ioufu 解：解：由图中各量的参考方向有由图中各量的参考方向有1RuiiRdtduCiiC1fofRui由由CRfiiidtduCRuRuiifo11dtduCRuRRuififo11输出电压是输入电压的比例运算和微分运算的组合，输出电压是输入电压的比例运算和微分运算的组合，称之为比例微分调节器，简称称之为比例微分调节器，简称PDPD调节器调节器。例例7 7KRR2075 电路如图，已知电路如图，已知 KRRR10421KR106 KR53Vuuii221FC100求求（1 1）写出）写出 的表达式的表达式),(21iiouufu （2

10、2）设）设 ，求，求 达到达到 所需的时间。所需的时间。0)0(CUouV9例例8 8解：解：（1 1）由第一级可以求出由第一级可以求出111RuiidtRuRuCRRURRuRRRRuRRRRuRRuitiCiioo)()0(2201157572245711457157222Ruii)1(41dtiCiRutffo)(1)0(022112241141dtRuRuCUuRRuRRutiiCiio由第二级可以求出由第二级可以求出dtRuRuCRRURRuRRRRuRRRRuRRuitiCiioo)()0(2201157572245711457157（2 2）由已知由已知 则带入数据有则带入数据有

11、0)0(CUtRCuuuiio22sRCuuutiio25. 122+-+-uIuOuO2RF1RF2RR2R1R2uR RR RRuOF1F2I 212()uRRuO2F22O()1uRuRI1O2F1 0uRRuO2F1I 1 -RRwwuO1uO2uI1uI2RRuOuIO2O1WWWWI2I1)2(uuRRRRRuuR1R2R2R1abcuOuI+uRRuRRuOac()11212()()11121221RRuRRRRuab()()112RRuuab()112RRuI15VuIR1R2R1R2R3R42R1uOiIi1i2uO1+A1+A2uuOI 2iu / R11Ii(u -u )

12、/ R =(uu )/ R =u / R2IO1III121iiiI120ru / iiII 如果在多个不同频率的输入信号中选取或除去如果在多个不同频率的输入信号中选取或除去某些频率的信号，完成该功能的电路称为某些频率的信号，完成该功能的电路称为滤波器滤波器。滤波器：滤波器：按信号性质按信号性质: 模拟滤波器模拟滤波器和数字滤波器和数字滤波器按电路功能按电路功能: 低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器按所用元件按所用元件: 无源滤波器和无源滤波器和有源滤波器有源滤波器按阶数按阶数: 一阶一阶,二阶二阶 高阶高阶 种类种类: :)j (Ui )j (U

13、o 传递函数：传递函数：ioioioUU)j (U)j (U)j (T ioUU)j (T 幅频特性幅频特性io)( 相频特性相频特性filter传递函数、幅频特性传递函数、幅频特性 ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻反馈回路的等效阻抗为反馈回路的等效阻抗为FFFFFFFFFfCRjRCjRCjRCRZ111/iFFFiFoUCRjRRURZU11FFFiofUCRjRRUUA11一、有源滤波器一、有源滤波器1.1.一阶有源一阶有源低通低通滤波器滤波器传递函数传递函数传递函数中出现传递函数中出现 的一次项的一次项,故称为故称为一阶滤波器一阶滤波器定义截止频率

14、为定义截止频率为 FFCR10RRAFufoFFFiofUCRjRRUUA11幅频特性幅频特性20)(11ufoiofUAUUA传递函数传递函数011jAUUAufoiofU1、0 时：时：1RRUUFio有放大作用有放大作用3、运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。2、0 时：时：)211RRUUFio幅频特性与一阶无幅频特性与一阶无源低通滤波器类似源低通滤波器类似电路特点电路特点: :oF11URRRU UUiUCj1RCj1U iUCj11R1 RCRR1RFC+-+iU oU Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数1 RC2.2.一阶有源一阶有源高通高通滤波器滤波器

15、幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数1 RC幅幅频频特特性性201Fio)(11)RR1(UU ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0RR1RFC+-+iU oU CR10一阶低通和二阶低通一阶低通和二阶低通幅频特性曲线幅频特性曲线的区别的区别二阶低通二阶低通o ioUU 0-3dbAF理想低通理想低通一阶低通一阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器理想滤波器oF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU iUCj1RCj1U iUCj11 RCCj11)RR1(UU1Fio 2

16、01Fio)(11)RR1(UU ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0例例9 9其功能是比较两个输入信号的大小，其结果用其功能是比较两个输入信号的大小，其结果用输出端的高低电平来表示。输出端的高低电平来表示。常用于模拟和数字信号的转换、对信号的控制常用于模拟和数字信号的转换、对信号的控制及测量。及测量。+uouiUR+uouiURuoui0URUR为参考电压为参考电压当当ui UR时时 , uo = U+o当当ui UR时时 , uo = U-o 特点特点:运放处于运放处于 开环状态开环状态(1)(1)单限电压比较器单限电压比较器( (一一) )oUoU+uouiURuo

17、ui0UR当当ui UR时时 , uo = U-o- ui从反相端输入从反相端输入oUoU(1)(1)单限电压比较器单限电压比较器( (二二) )uoui0+uoui过零比较器过零比较器: 当当UR =0时时+uouiuoui0oUoUoUoU+uouituituo利用电压比较器将利用电压比较器将正弦波变为方波。正弦波变为方波。例例9 9oUoU00iiZZouuUUu输出限幅电路输出限幅电路00iiDDouuUUuuoui0+UZ-UZ+uiuo UZuoui0+UZ-UZ忽略了忽略了UD输入信号和参考电压均接在反相端输入信号和参考电压均接在反相端反相输入端反相输入端虚地虚地因此当因此当 时

18、时, ,012RURuRiif 向右，与参考方向相同向右，与参考方向相同ZDZoUUUu)(同理当同理当 时时, ,012RURuRiZoUuRURR12电路的门限电压为电路的门限电压为总结总结1、电路简单。、电路简单。2、 容易引入干扰。容易引入干扰。(2)(2)迟滞型电压比较器迟滞型电压比较器oFRFFFoRRRRuRRRURRRRRRuUUUUU222222当当 时时, ,ooUuHoFRFFUURRRURRRU222当当 时时, ,ooUuLoFRFFUURRRURRRU222令令0LHUU 由由0 0+iu得到上图中得到上图中A到到D段段当当 由由+ 0时时iu得到上图中得到上图中D

19、到到F段段输出电压在两个不同的门限电压上下跳变输出电压在两个不同的门限电压上下跳变UUU回差电压回差电压tuiUHULtuoU+oU-o输入正弦波的情况输入正弦波的情况UR =0采样采样：把连续变化的模拟信号转变为离散的信号；：把连续变化的模拟信号转变为离散的信号；保持保持：在两次采样的时间间隔内，将前一次采样结：在两次采样的时间间隔内，将前一次采样结束的信息保持下来。束的信息保持下来。原理电路图原理电路图场效应管场效应管T作为模拟开关作为模拟开关电容电容C作为保持元件作为保持元件集成运放接成跟随器，起阻抗变换和隔离作用集成运放接成跟随器，起阻抗变换和隔离作用u作为采样控制信作为采样控制信号号

20、ui是待采样信号是待采样信号uo为采为采保后的离散信号保后的离散信号集成运放处于比较器状态；集成运放处于比较器状态；输出电压为矩形波输出电压为矩形波;电容电压为近似的三角波。电容电压为近似的三角波。在非电量测量系统中，常用各种传感器把非电量转在非电量测量系统中，常用各种传感器把非电量转变为电压、电流信号，放大后给检测系统变为电压、电流信号，放大后给检测系统.第一级放大电路由第一级放大电路由A1、A2组成，均采样同相输入，组成，均采样同相输入，输入电阻高，电路结构对称，可抑制零漂。输入电阻高，电路结构对称，可抑制零漂。两个运放的两个运放的输入信号极输入信号极性相反，当性相反，当R2=R3时，时，

21、R1的中点相的中点相当于地当于地.1121121)21 ()21 (iiouRRuRRu2122)21 (iouRRu)(21 (211221iioouuRRuu)21 (122121211RRuuuuuuuAiooiioou1462464757)(ooouRRuRRRRRRu)()(21461246146246ooooooouuRRuuRRuRRuRRu)21 (124621RRRRAAuuAuuiou当当R4=R5， R6=R7时，时，14 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7NCNCINFMTHDADJ 2THDADJ1OUT(S)OUT(T)OUT(Q)RARBVC

22、CVEE /GNDRFMCT集成电路，如正弦波、集成电路，如正弦波、方波、三角波、矩形方波、三角波、矩形波和锯齿波，而且占波和锯齿波，而且占空比可调。可将其归空比可调。可将其归属于压控振荡器集成属于压控振荡器集成电路系列。电路系列。 5G8038是函数发是函数发生器的典型产品。生器的典型产品。函数发生器是一种能产生多种信号波形的专用函数发生器是一种能产生多种信号波形的专用23965478101112+VCC方波方波5G8038VEE/GNDR2CR1RLRP1RP2三角波三角波正弦波正弦波运放在输入端不加信号的情况下，输出端也可能运放在输入端不加信号的情况下，输出端也可能有交流电压输出，表明运放产生了自