电工16章 集成运算放大器

1、16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用16.3 16.3 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16.4 16.4 运算放大器在波形产生方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用16.6 16.6 使用集成运算放大器应注意的几个问题使用集成运算放大器应注意的几个问题集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。将整个电路的各个元件做在同一个半导体基片上。集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、

2、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；16.1 集成运算放大器的简单介绍优优 点：点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、 功耗小，实现了功耗小，实现了元件、电路和系统元件、电路和系统的三结合。的三结合。集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的高增益的直接耦合的集成的 多级放大器。多级放大器。16.1.1 集成运算放大器的特点1. 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。温度均一性好。2. 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到2

3、0千欧，精度千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3.3.只能制作几十只能制作几十pFpF以下的小电容。因此，集成放大器都采以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。5. 二极管一般用三极管的发射结构成。二极管一般用三极管的发射结构成。4.4.不能制造电感，如需电感，也只能外接。不能制造电感，如需电感，也只能外接。6.6.集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小， 在毫瓦以下。在毫瓦以下。1. 电路方框图电路方框图中间级中

4、间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。16.1.2 电路的简单说明偏置电路是为各级电路提供稳定和合偏置电路是为各级电路提供稳定和合适的静态工作点，一般由恒流源构成。适的静态工作点，一般由恒流源构成。2. 简单集成运放结构原理图简单集成运放结构原理图简简 单单 运运 算算 放放 大大 器器 的的 结结

5、构构 原原 理理 图图3. 集成运放输入与输出的相位关系集成运放输入与输出的相位关系4.F0074.F007（5G245G24）外引线图）外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端顶顶 视视 图图CCVEEVOUTININ 接接 线线 图图Auouo1 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V 3.3.输入失调电输入失调电UIO 16.1.3 主要参数2. 2. 开环开环电压放大倍数电压放大倍数Auo 无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在无外加反馈回路的差模放大倍数。一般在10105 5 10107 7之间。理想运放的之间。理想运放的Auou

6、o为为 。1.1.最大输出电压最大输出电压Uopp 能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。大输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。 6. 6. 输入失调电流输入失调电流 IIO 5. 5. 输入偏置电流输入偏置电流IIB 2B1BIB21III 2B1BIOIII 输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值

7、，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。用于表征差分级输入电流不对称的程度。 7. 最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 8. 共模抑制比共模抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在其典型值在80dB80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB180dB。 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范在保证运放正常工作条

8、件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。器失去共模抑制能力。 运放的特点运放的特点理想运放：理想运放： rid KCMRR ro 0 0Auouo 运放符号：运放符号：u-u+ uo16.1.4 理想运算放大器及其分析依据国内符号：国内符号： 同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端输出端输出端国际符号：国际符号：VVV+_ _Auu-_uo 运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的Auo=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处

9、于线性区。VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区Auo越大，线性区越小，当越大，线性区越小，当Auo 时，线性区时，线性区0Auo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输出与输入之间之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。实际特性实际特性+10V-10V+Uom-Uom0uoui理想特性理想特性运算放大器线性应用时的分析依据运算放大器线性应用时的分析依据1. 1. 差模输入电阻差模输入电阻 ,两个输入端的输入电流两个输入端的输入电流可

10、认为是零，即可认为是零，即虚断虚断。idr 2. 2. 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 输出电压是一个有输出电压是一个有限值，限值，uoA ou o0uuuA uu 即即虚短虚短。0,u 如果信号从反向端输入，同相端接地如果信号从反向端输入，同相端接地 0u 反相端近于反相端近于“地地”电位，即电位，即虚地虚地。运算放大器在饱和区时的情况运算放大器在饱和区时的情况 当当 时时，uu oo(sat)Uu uu oo(sat)Uu 当当时，时，注意注意：此时输入端的输入电流也等于零此时输入端的输入电流也等于零16.2 运算放大器在信号运算方面的应用虚拟短路虚拟短路虚拟断路虚拟断路放大倍数与负载无

11、关，放大倍数与负载无关， 可以分开分析可以分开分析。i0I uuu+uo_+ uIi信号的放大、运算信号的放大、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0uui1= ifoi1FuuRR oFui1uRAuR 虚短虚短虚断虚断1 1、反相输入、反相输入.1比例运算比例运算Foi1RuuR oiuu 当RF= R1时，反相器反相器uo_+ + RFR1RPuii1if电位为电位为0 0，虚地，虚地RP =R1 / RF平衡电阻，使输入端对地的静态电阻平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。相等，保证静态时输入级的对称性。特点：特点：共模输入

12、电压共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：缺点：输入电阻小（输入电阻小（ Ri=R1）uo_+ + RFR1RPuii1if2 2、同相输入、同相输入u-= u+= uiioi1F0uuuRR Foi1(1)RuuR11RRuuAFiou虚短虚短虚断虚断结构特点结构特点：负反馈引到反相输入负反馈引到反相输入 端，端， 信号从同相端输入。信号从同相端输入。_+ + RFR1R2uiuoi1if特点：特点：输入电阻高输入电阻高缺点：缺点：共模输入电压共模输入电压0（u=u+=ui）o-+iuuuu 此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，此电路的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。

13、但是电压跟随性能好。3 3、电压跟随器、电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全部引输出电压全部引到反相输入端，信号从同相到反相输入端，信号从同相端输入。端输入。电压跟随器是电压跟随器是同相同相比例运算放大器的特例。比例运算放大器的特例。_+ + RFR1R2uiuoi1if_+ + uiuo当 (开路)或 时, 称为电压跟随器。01FRRFu1(1)1RAR 例：图中同相比例运算电路，图中同相比例运算电路，,k10FR,k21R,k22R,k183RV,1iu求：ou需要帮忙吗？点击我会有新发现。R2R1RF+ui-R3+uo-+-解：此电路为同相比例运算电路，此电路为同相比例运算电路，0.

14、9VV18211832i3RRuRu于是于是5.4VV9 . 02101ou式式uRRu1Fo1中的中的u是指加在同相是指加在同相输入端的输入电压输入端的输入电压R2R1RF+ui-R3+uo-+-1 1、反相求和运算、反相求和运算R12_+ RFR11ui2uoRPui1P1112F/RRRR 16.2.2 16.2.2 加法运算加法运算平衡电阻：平衡电阻：0uu1112Fiii )(2 12 F1 11 FiiouRRuRRui12iFi11R12_+ RFR11ui2uoRPui1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，不影响输入电压和输出电压

15、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。( (虚短虚短) )( (虚断虚断) )oi1i21112F1112F,uuuiiiRRR 2 2、同相求和运算、同相求和运算1F2122/RRRR -R1RF+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+ 为输入为输入 ，则，则输出为：输出为：Fo1(1)RuuR -R1RF+ui1uoR21R22ui2u+ 与与 ui1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？F2221oi1i2121222122(1)()RRRuuuRRRRR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

16、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）2221i1i221222122RRuuuRRRR _+ + RF R1 R2ui2uoR3ui1uu oi11FuuuuRR i223uuuRR 3FFoi2i11231(1)RRRuuuRRRR 解出：解出：16.2.3 16.2.3 减法运算减法运算用叠加原理求解：用叠加原理求解：_+ + RFR1R2ui2uoR3ui1Fo1i11RuuR 3Fo2i2123(1)()RRuuRRR 3FFoi2i11231(1)()RRRuuuRRRR ui1单独作用时为反相输入比单独作用时为反

17、相输入比例运算电路，其输出电压为：例运算电路，其输出电压为：ui2单独作用时为同相输入单独作用时为同相输入比例运算，其输出电压为比例运算，其输出电压为： ui1和和ui2共同作用时，输出电压为：共同作用时，输出电压为： R2 + + uo RF R1 ui1 ui2 R3 由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。法运算。该电路又称为差动输入运算电路或差动放大电路。注意：这种输入方式存在较大的共模电压，应选用这种输入方式存在较大的共模电压，应选用KCMRR较大的运放，并应注意电阻阻

18、值的选取。较大的运放，并应注意电阻阻值的选取。3FFoi2i11231(1)()RRRuuuRRRR 123FRRRR 若若 ，且且 ， 则则: :Foi1i21()RuuuR123FRRRR 若若 ， 则则: :oi1i2()uuu ：电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成。o1i2uu Rp2 RP1 + + uo ui1 RF + + uo1 R R R1 R2 ui2 A2A1FFFFoi1o1i2i11221()RRRRuuuuuRRRR 例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压例：图示是集成电路的串级应用，试求输出电

19、压uo。解：R R2 2R R1 1R RF Fu uo oui2ui1R R2 2R RF Fu uo oA A1 1A A2 2A1A1是电压跟随器，是电压跟随器，i1o1uuA2A2是差动运算电路，是差动运算电路，o11Fi21Fo1uRRuRRui11Fi21F1uRRuRR想一想：为什么要加A1？i1if16.2.4 16.2.4 积分运算积分运算fddCuiCt 且且由于反相输入端虚地，由于反相输入端虚地，由图可得由图可得：f1ii 虚断ui-+RR2Cuo+uc-Ruii1 虚地oCf1duuitC i1du tRC tui0tuo0U-UomTM积分时限积分时限反相积分器：反相

20、积分器：如果如果ui=直流电压直流电压,输出将反相积分，经输出将反相积分，经 过一定的时间后输出饱和。过一定的时间后输出饱和。tuRCud1io tuRCi1 设设Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1 F求积到饱和值的时间：求积到饱和值的时间：MiOM1TuRCU s05. 0iOMM uRCUT 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成将比例运算和积分运算结合在一起，就组成uoCFuiR2R1+ RFifi1电路的输出电压电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCuiRu 上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对

21、输入电压的比例- -积分运算积分运算 这种运算器又称这种运算器又称 PI 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以保以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调可调整比例系数和积分时间常数整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。以满足控制系统的要求。练习练习: : 画出在给定输画出在给定输入波形作用下积分器入波形作用下积分器的输出波形。的输出波形。tui0212345tuo0-2-4-6i1ifui-+RR2Cuo+uc-其中：其中：R=10K,C=0.1Fu= u+= 0ofuiR i1dduiCt 1fii iod

22、duuRCt isinut 若输入：若输入：则：则：ocossin(90 )uRCtRCt 16.2.5 16.2.5 微分运算微分运算tui0tuo090ui+uoRR2i1ifC16.3 运算放大器在信号处理方面的应用滤波电路的分类滤波电路的分类1. 按信号性质分类按信号性质分类3. 按电路功能分类按电路功能分类: 低通滤波器低通滤波器（LPF）；高通滤波器；高通滤波器（HPF）；带通滤波器带通滤波器（BPF）；带阻滤波器；带阻滤波器（BEF）。）。2. 按所用元件分类按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器4. 按阶数分类按阶

23、数分类: 一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶 滤波器的功能：滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰 信号，保留下有用信号。 有源滤波器的优点：有源滤波器的优点：1. 不使用电感元件，体积小重量轻。不使用电感元件，体积小重量轻。2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。除滤

24、波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。16.3.1有源滤波器FFoi111(1)(1)1RRUUURRj RC i1j1jCUURC i11 jURC 1、有源低通滤波器、有源低通滤波器RR1RFC+-+iU oU传递函数传递函数oi()()()UjwT jwUjw Fufo100111RARwwjjww 01wRC 0argtg 幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：uf020()1()AT jwww Fufo11RAR 通带增益：通带增益：截止频率：截止频率：01RC oi()()()UjwT jwUjw ufo01Awjw 电路的特点：电路的特点：2. = o 时，时，1. =0 时，

25、时，3. 时，幅频特性21Au0ouf020()1()AT jwww uf0()T jwA uf0()2AT jw 0)(jwT当当 0时，时，| T(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R

26、1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O2、有源高通滤波器、有源高通滤波器1o1FRUURR UUi1jRUURC i111 jURC oFi1()1(1)1()1 jU jwRU jwRRC R1RF+-+iU oU 高通滤波器高通滤波器R 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被的信号被阻止，称为阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 uf020(j)1()AT uf0(j)TA 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUTuf0

27、01jA 其模为其模为,0时时当当 uf0(j)2AT 幅频特性幅频特性uf012A 0| Auf0 | T(j ) | O模拟开关模拟开关模拟输入信号模拟输入信号电路电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路采样保持电路，多用于模，多用于模 - 数转换电路（数转换电路（A/D）之前之前。由。由于于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。转换电路的需要。采样存储采样存储电容电容控制信号控制信号电压跟随器电压跟随器1

28、6.3.2 uG为高电平，为高电平， S 闭合闭合(场效应管导通场效应管导通)， ui对存储电容对存储电容C充电，充电， uo= uC = ui 。 uG为为 0， S 断开断开(场效应管截止场效应管截止)，输出，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。保持该阶段开始瞬间的值不变。uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+ 16.3.2 16.3.3 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Uo(sat)。uiR2(a) 电路 (b) 电压传输特性 - +R10uoURuiuoURUo(sat)-Uo(sat)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