第11章 运算放大电路

1、第第 11 章章 运算放大器运算放大器11.1 运算放大器简单介绍运算放大器简单介绍11.2 运算放大器在信号方面的应用运算放大器在信号方面的应用11.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用11.4 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题第第 11 章章 运算放大器运算放大器分立电路分立电路是由各种单个元件联接起来的电子电路。是由各种单个元件联接起来的电子电路。：体积小、重量轻、功耗低、可靠：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。性高、价格低。集成电路集成电路是把整个电路的各个元件以及相互之间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

2、一块半导体芯片上，组成一个不可的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。分的整体。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用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转用于模拟运算、信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等领域。换、自动控制等领域。集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。耦合放大器。第第 11 章章 运算放大器运算放大器本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信本章主要讨论分析运算放大器的依据及其在信号运算、信号处

3、理、波形产生方面的应用，并介绍号运算、信号处理、波形产生方面的应用，并介绍放大电路中的负反馈。放大电路中的负反馈。输出端输出端 11.1.1 集成运放的组成集成运放的组成输入级输入级 差动放大器差动放大器输出级输出级 射极输出器或互补对称功率放大器射极输出器或互补对称功率放大器偏置电路偏置电路 由镜像恒流源等电路组成由镜像恒流源等电路组成11.1 运算放大器简单介绍运算放大器简单介绍偏置偏置电路电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入端输入端运算放大器的符号运算放大器的符号反相反相输入端输入端uo+uu +同相同相输入端输入端信号传信号传输方向输方向输出端输出端+Auo理想理想运放开环运放

4、开环电压放大倍数电压放大倍数实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数 11.1.2 主要参数主要参数1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP2. 开环电压开环电压 Auo3. 输入失调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM理想的理想的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：1. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 2. 开环输入电阻开环输入电阻3. 开环输出电阻开环输出电阻4. 共模抑制比共模抑制比 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大

5、器的技术指标接近理想化条件，11.1.2 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据 ouA idr0or CMRRK在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此而用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化，因此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。实际运放电压传输特性实际运放电压传输特性 11.1.2 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据)(oo uuAuu 表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的表示运算放大器输出电压与输入

6、电压之间关系的曲线称为曲线称为传输特性传输特性。uo uuO线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 若若 Auo = 106 UO(sat) = 15 V则则 UIM = 0.015 mV运放要工作在线性运放要工作在线性区必须有负反馈。区必须有负反馈。uou+u理想运放电压传输特性理想运放电压传输特性 11.1.2 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据uo uuo线性区线性区正饱和区正饱和区 负饱和区负饱和区 因为理想运放因为理想运放开环电压放大倍数开环电压放大倍数 ouA所以，当所以，当 uu uu(sat)oOUu (sat)oOUu 时，时， uuuo 发生跃变发

7、生跃变uou+u)(oo uuAuu 11.1.2 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据)(oo uuAuu0)(oo uAuuu运放工作在线性区的依据运放工作在线性区的依据 相当于两输入端之间相当于两输入端之间短路短路，但又未真正短路，故，但又未真正短路，故称称 “虚短路虚短路” 相当于两输入端之间相当于两输入端之间断路断路，但又未真正断路，故，但又未真正断路，故称称 “ “虚断路虚断路”。2. id 0 1. u+ u，而，而 uo 是有限值，是有限值，运放开环输入电阻运放开环输入电阻 ouA idrid 由于运放由于运放故从式故从式，可知，可知uou+urid 11.1.

8、2 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器及其分析依据)(oo uuAuuuo+uu +运放工作在非线性区的依据运放工作在非线性区的依据2. id 0 1. u+ u由于运放工作在非线性区由于运放工作在非线性区rididuo uuO不再成立不再成立非线性区非线性区 非线性区非线性区 所以所以当当 uu uuo(sat)oUu (sat)ooUu 时，时， uuUo 发生跃变发生跃变依然成立依然成立返回返回1. .反相输入反相输入fiii 0 uu1i1iiRuRuui FFRuRuuioof i1ouRRuF 1iofRRuuAFu FRRR/12 11.2.1 比例运算比例运算运算放大器运

9、算放大器由运放工作在线性区的依据由运放工作在线性区的依据可列出可列出由此得出由此得出闭环电压闭环电压放大倍数放大倍数平衡电阻平衡电阻iouu 1iof uuAuFRR 1若若则则ifR1R2uoRFiiui+2. .同相输入同相输入fiii iuuu 1i1iRuRui FFRuuRuuioiof i1o)1(uRRuF 1iof1RRuuAFu 11.2.1 比例运算比例运算由运放工作在线性区的依据由运放工作在线性区的依据可列出可列出由此得出由此得出闭环电压闭环电压放大倍数放大倍数0 FR1iof uuAu 1R若若则则或或ifR1R2uoRFiiui+11i1i1Rui FiiRuiiio

10、21f )(i212i111ouRRuRRuFF 11.2.2 加法运算加法运算由图可列出由图可列出由上列各式可得由上列各式可得当当12i2i2Rui 11211RRR 时，则上式为时，则上式为)(i2i11ouuRRuF FRRRR/12112 平衡电阻平衡电阻uoifR12R2RFii2ui2+R11ii1ui1+i2323uRRRu 11.2.3 减法运算减法运算 如果两个输入端都有信号如果两个输入端都有信号因为因为 uu，故上列两式可得，故上列两式可得i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF 由图可列出由图可列出输入，则为差分输入。输入，则为差分输入。i1i1iRuu ifR

11、1R2uoRFiiui1+R3+ui2+)(oi111i1uuRRRuF 11.2.3 减法运算减法运算当当21RR 时，时，)(i1i21ouuRRuF FRRRR/12112 平衡电阻平衡电阻i11i23231o)1(uRRuRRRRRuFF 3RRF 和和1RRF i1i2ouuu 则上式为则上式为当当时，则得时，则得 可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比，可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比，故可进行减法运算。故可进行减法运算。ifR1R2uoRFiiui1+R3+ui2+11.2.4 积分运算积分运算0 u1ifiRuii tuCRtiCuuF d1d1i1fFco 用电容代

12、替反相比例运算电路中的用电容代替反相比例运算电路中的RF，就成为积分运算电路。，就成为积分运算电路。 由于反相输入，由于反相输入，故故 上式表明输出电压正比于输入电压的积分，式中的上式表明输出电压正比于输入电压的积分，式中的负号表示两者反相。负号表示两者反相。R1 CF 称为积分时间常数。称为积分时间常数。uoR1R2CFui+uC+ifii11.2.4 积分运算积分运算tuCRuF d1i1otCRUuF1io o(sat)U uoR1R2CFui+uC+ifii当当 ui 为阶跃电压时，则为阶跃电压时，则uo 随时间线性增长，随时间线性增长，uoOtuiOt最后达到负饱和值。最后达到负饱和

13、值。11.2.5 微分运算微分运算tuCtuCiddddi1c1i ifoiRiRuFF tuCRuFddi1o uoRFR2C1ui+uC+ifii微分运算是积分的逆运算，将积微分运算是积分的逆运算，将积由图可列出由图可列出故故即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。分电路反相输入端的电阻与反馈电容分电路反相输入端的电阻与反馈电容位置对调，就成为微分电路。位置对调，就成为微分电路。11.2.5 微分运算微分运算tuCRuFddi1o uoRFR2C1ui+uC+ifiiUi tuoOtuiO注意：由于此电路工作时稳定性不高，注意：由于此电路工作

14、时稳定性不高， 故实际中很少应用。故实际中很少应用。 当当 ui 为阶跃电压时为阶跃电压时 uo 为尖脉冲电压。为尖脉冲电压。返回返回 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此参考电压进行比较，当两者相等时产生跃变，由此判别输入信号的大小和极性。判别输入信号的大小和极性。 电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转电压比较器用于自动控制、波形变换、模数转换及越限报警等。换及越限报警等。 11.3.1 电压比较器电压比较器 集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正集成运放构成电压比较器时，多处于开环或正反馈的工作状

15、态，即工作在非线性区。反馈的工作状态，即工作在非线性区。11.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用 将运放任一输入端加上输入信号，而另一输入端加入将运放任一输入端加上输入信号，而另一输入端加入参考电压，即可构成电压比较器，如图所示。参考电压，即可构成电压比较器，如图所示。电压传电压传输特性输特性 11.3.1 电压比较器电压比较器Ui 为输入电压，为输入电压， UR 为参考电压为参考电压当当 ui UR 时，时， uo = Uo(sat)ui UR 时，时， uo = +Uo(sat)ui = UR 时，时， uo 发生跃变发生跃变uoiuOuoR1R2ui+UR+

16、uR+ 当当 UR = 0 时，即输入电压和零电平比较，称为时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。过零比较器。电压传电压传输特性输特性uoiuOuo 若图中若图中 ui 为正弦波，为正弦波，画出画出 uo 的波形。的波形。OiutR1R2ui+UR+uoOt 在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。匹配。电压传输特性电压传输特性uoRR1R2+DZui+uoiuO限幅电压比较器限幅电压比较器 例例 1 图中所示为运放组成的过温保护电路，图中所示为运

17、放组成的过温保护电路，R 是热敏电阻，温度升高阻值变小。是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA 是继电器，温是继电器，温度升高，超过规定值，度升高，超过规定值，KA 动作，自动切断电源。分动作，自动切断电源。分析其工作原理。析其工作原理。温度温度 超过超过 规定值，规定值，ui UR， uo= +UOM，T 导通。导通。 KA 动作，动作，切断电源。切断电源。R1R2URRR4KA+UCCTR3+uiuo温度未超过规定值，温度未超过规定值，Ui UR， uo= UOM，T 截止。截止。 KA 不动作。不动作。电压传电压传输特性输特性uoiuO 例例 2 电路如图所示，电路如图所示，ui 是一正弦电压，画出是一正弦电压，画出 uo 的波形。的波形。OiutR1R2uiuo+ou ou CDRLR 解解 运放为同相输入过零电压比较器运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtou Otou 各电压波形如右图所示。各电压波形如右图所示。返回返回11.4 用运算放大器应注意的几个问题用运算放大器应注意的几个问题1.