第8章集成运算放大器及其应用

1、1.1.集成电路集成电路: :它是用一定的生产工艺把它是用一定的生产工艺把晶体管、场效晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容应管、二极管、电阻、电容、以及它们之以及它们之间的连线所组成的整个电路间的连线所组成的整个电路集成集成在一块半在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为个完整的、具有一定功能的器件，也称为2.2.优点：优点：工作稳定、使用方便、体积小、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了重量轻、功耗小，实现了元件、电元件、电路和系统路和系统的三结合。的三结合。3.集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的

2、特点1. 单个的精度不是很高单个的精度不是很高, ,但由于是在同一硅片上、但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，用相同工艺生产出来的，性能比较一致；性能比较一致； 元器件相互离得很近元器件相互离得很近, ,温度特性较一致；温度特性较一致；3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造都不易制造 ；4.4.电感难于制造电感难于制造, ,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造；不易制造；返回目录返回目录4.集成电路的封装集成电路的封装双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212

3、、1414、1616等种类等种类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212等种类等种类返回目录返回目录5.集成电路的分类集成电路的分类就集成度而言就集成度而言: :有小规模，中规模，大规模，超有小规模，中规模，大规模，超大规模（大规模（SSI,MSI,LSI,VLSI)SSI,MSI,LSI,VLSI)就导电类型而言就导电类型而言：有双极型，单（场效应管）和：有双极型，单（场效应管）和两者兼容的两者兼容的就功能而言就功能而言：有数字集成电路和模拟集成电路：有数字集成电路和模拟集成电路模拟集成电路包括有模拟集成电路包括有：集成运算放大器，集成功：集成运算放大器，集成功率放大器

4、，集成稳压电源，集成数模和数模转换率放大器，集成稳压电源，集成数模和数模转换等多种等多种(1)电感难于制造电感难于制造,电容一般不超过电容一般不超过200pF,大电容不易制造；大电容不易制造；避免使用电容器。避免使用电容器。(2)运算放大器的输入级都采用差动级放大电路，要求两管运算放大器的输入级都采用差动级放大电路，要求两管的性能应该相同。的性能应该相同。(3)比较合适的电阻值大致为比较合适的电阻值大致为100欧姆到欧姆到30千欧姆。千欧姆。(4)集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极三者适当组配使用。极、集电极三者适当组配使

5、用。 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。1.电路方框图电路方框图中间级中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 二、二、2.电路的简单说明电路的简单说明输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级偏置偏置电路电路运算放大器方框图运算放大器方框图 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干输入电阻高，能减小零点漂移和

6、抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器扰信号，都采用带恒流源的差分放大器 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。射极放大电路构成。 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 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。 15VI3430PfR815VUi1IET1T3T7T5R1R2R3T4T6T2I82IB9T8IC9T9IB13IB122IB13T13IR

7、R5R6T15R7D2D1T16T17T18T19T14R9T10T11R4I10Ui2F007的内部电路图的内部电路图 运算放大器的管脚和符号运算放大器的管脚和符号反相反相输入端输入端同相同相输入端输入端+UCCUEEuo+uu +Auo信号传信号传输方向输方向输出端输出端实际运放开环实际运放开环电压放大倍数电压放大倍数(a)(b)(a) 符号符号; (b)引脚引脚 7 6 5 F0071 2 3 4 U-U+-UCC+UCC输出输出集成运放集成运放 741的的电路原理图电路原理图同相输入同相输入输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+UCCuo+- -UEET12T1T2T3

8、T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C反相输入反相输入输出输出运放的特点：运放的特点：3.运放的特点和符号运放的特点和符号返回目录返回目录uo+Auou+u。 。+UCCUEE 运放的管脚功能：运放的管脚功能： 007运放的管脚运放的管脚功能：功能：2为反相输入端；为反相输入端；3为同相输入端；为同相输入端；4为负电源；为负电源；7为为正电源正电源;6为输出；为输出；8为空脚为空脚;和和为为外接调零电位器外接调零电位器的两个端子的两个端子Auo 高高: 80dB140dBrid 高高: 105 1

9、011 ro 低低: 几十几十 几百几百 KCMR高高: 70dB130dB三、主要参数三、主要参数 1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。 2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 A Au uo o愈高，所愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。 6. 6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 U UICMICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共运放所

10、能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。 3. 3. 输入失调电压输入失调电压 U UIOIO 4. 4. 输入失调电流输入失调电流 I IIOIO 5. 5. 输入偏置电流输入偏置电流 I IIBIB 由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化, 为此为此,后面对运后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。(1) 开环电压放大倍数开环电压放大倍数 (

11、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 ouA idr0or CMRRK 在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的想的运算放大器。理想化的主要条件：运算放大器。理想化的主要条件：1. 理想化的主要条件理想化的主要条件四、四、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 线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ 0 ui = Ui 0 采用集成运算放大器组成的积

12、分电路，由于充电采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故电流基本上是恒定的，故 uo 是时间是时间 t 的一次函数，的一次函数，从而提高了它的线性度。从而提高了它的线性度。输出电压随时输出电压随时间线性变化间线性变化tCRUF1i 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：输出电压是对输入电压的比例-积分积分 这种运算器又称这种运算器又称 PI

13、 调节器调节器, 常用于控制系统中常用于控制系统中, 以以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和和 CF，可调整比例系数和积分时间常数可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的以满足控制系统的要求。要求。Foi1ddRutuC tuCRuddi1Fo ifi1由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 u+= u-= 0, i1 = ifuoC1uiR2RF+ uitOuotO上式表明：输出电压是对输入电压的比例上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分微分 控制系统中，控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作调节器在调节过程中起加速作用，即

14、使系统有较快的响应速度和工作稳定性。用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+ R1ifiRiC例例4：设设RFR4，试证：，试证：)1 (431FioufRRRRuuA uoRFuiR2R1+ R3R4Ai1ifi3i4证：证：0f1 uuii，由由FA1iRuRu 得得i1FAuRRu 4313fiiiii 由由4A3Ao1iRuRuuRu 得得i41F34Fi414F34FouRRRRRRuRRRRRRRu ）（）（431Fiouf1RRRRuuA 例例5：已知：已知：ui1

15、 = 1V， ui2 = 2V， ui3 = 3V， ui4 = 4V， R1 = R2 = 2k， R3 = R4 = RF = 1k，求，求uo。ui1uoRFui2R1R2+ R3ui3ui4R4u+u-解：解：应用节点电压法求应用节点电压法求u+：5V.324311434i43i3 RRRuRuu应用叠加原理求应用叠加原理求uo：i22Fi11F21Fo)/1(uRRuRRuRRRu 5V. 52211215 . 3)111( 例例6：求求uo与与ui1、ui2的运算关系式。的运算关系式。解：解：第一级：第一级：i1i111o1)11()/1(uKuRKRu 第二级：第二级：i2uuu

16、 2o2o1KRuuRuu o1i2o)1(KuuKu )(1(i1i2uuK 例例7：求求uo。ui+2Ruo2+RFR1Ruo1 +uoR2R23解：解：uo1 = uiRfR1第一级：第一级：第二级：第二级：uo2 = uo12RR2RfR1= uiuo2 = uo2uo1 2RfR1RfR1= ui + ui 3RfR1= ui 例例8：图示电路是广泛应用与自动调节系统中的比例图示电路是广泛应用与自动调节系统中的比例积分微分电路。试求该电路积分微分电路。试求该电路 uo 与与 ui 的关系式的关系式 。uo+CFuiR1C1R2RF u+ = u = 0uo = (RFif + if

17、dt ) 1 CFif = i1 = + C1ui R1 dui dtuo = ui + RF C1 + + C1 dt RFR1 dui dt 1 CFui R1) dui dt(C1CF =RFR1 1 R1CF) dui dt(+ui + RF C1 ui dt解：解：i1iR1iC1iftuCiCddFFf tiCud1fFCFRB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+esRB+UCCC1C2RRLui+uo+RS(b) 带反馈带反馈(a)不带反馈不带反馈AoXiX电子电路方框图电子电路方框图+fXiXAoXfidXXX 净输入信号净输入信号dX 反馈信号反馈信号fX 输出信号

18、输出信号oX净输入信号：净输入信号：FiXdX反馈电路反馈电路比较环节比较环节 输入信号输入信号iX基本放大电路基本放大电路 若若三者同相，则三者同相，则Xd = Xi - Xf , 即即Xd Xi ，即反馈信号起了增强净输入信号的，即反馈信号起了增强净输入信号的作用则为作用则为正反馈。正反馈。1、反馈分类、反馈分类 +uf+ud设输入电压设输入电压 ui 为正，为正，差值电压差值电压 ud =ui uf各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图uf 减小了净输入电压减小了净输入电压(差值电压差值电压) 负反馈负反馈 uoRFuiR2R1+ +例例1：uoRFuiR2R1+ +例例2：设输入电压

19、设输入电压 ui 为正，为正，差值电压差值电压 ud =ui + uf各电压的实际方向如图各电压的实际方向如图uf 增大了净输入电压增大了净输入电压 正反馈正反馈 +uf+ud 在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。在振荡器中引入正反馈，用以产生波形。 在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激在放大电路中，出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。振荡，使放大器不能正常工作。RB1RCC1C2RB2RERL+UCCuiuo+RBRERLuiuo+ie如果有发射极旁路电容，如果有发射极旁路电容， RE中仅有直流分量的信中仅有直流分量的信号通过号通过 ，这时，这时RE引入的引入的则是

20、直流反馈。则是直流反馈。引入交流引入交流负反馈的负反馈的目的：目的：改改善放大电善放大电路的性能路的性能引入直流引入直流 负反馈的负反馈的目的：目的：稳稳定静态工定静态工作点作点 (1)根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压根据反馈所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。反馈和电流反馈。如果反馈信号取自输出电压，叫如果反馈信号取自输出电压，叫电压反馈电压反馈。如果反馈信号取自输出电流，叫如果反馈信号取自输出电流，叫电流反馈电流反馈。 (2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。

21、反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较，称为号以电压形式作比较，称为串联反馈串联反馈。 反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较，称为号以电流形式作比较，称为并联反馈并联反馈。oF11fuRRRu AF+ufuduiuO(b)方框图方框图fofRui AF+ifidiiuO(b)方框图方框图RuRuiifo 特点特点: 输出电流输出电流 io与负载电阻与负载电阻RL无无关关 同相输入同相输入恒流源电路或电恒流源电路或电压压- -电流变换电电流变换电路。路。AF+ufud

22、uiiO(b)方框图方框图oFfiRRRi AF+ifidiiiO(b)方框图方框图f11i1 iiRui ，且且因因iF1o)1(1 uRRRi 所所以以oFfiRRRi doXXA ofXXF fidXXX AFAXXA 1iof+fXdXAoXFiXAA fdfXX、中中，在在 1 fAFAA dfofdoXXXXXXAF AFAA 1fAAAFAAd11dff 若若|AF| 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 例例：|A|=300，|F|=0.01。7501. 030013001 f AFAA则则：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAF

23、AAd11d ff 则则：加入加入负反馈负反馈无负反馈无负反馈FufAuiuo大大小小接近正弦波接近正弦波uouiA+uidufBWFABW)1(of 无负反馈无负反馈f|AO|0.707|Auo|Of 2| Afo |f2|Af|, |Af |0.707|Afo|uiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。i0if)1(rFAr biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：biifiur uf+bbeiu FArr0ifi1 ifbbeiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：ibeifiur

24、iiibube+o0of)1(rFAr FArr0oof1 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。恒流输出特性，故输出电阻提高。四种负反馈对四种负反馈对 ri 和和 ro 的影响的影响串联电压串联电压 串联电流串联电流并联电压并联电压并联电流并联电流思考题：为了分别实现：思考题：为了分别实现： (1) 稳定输出电压；稳定输出电压； (2) 稳定输出电流；稳定输出电流； (3) 提高输入电阻；

25、提高输入电阻； (4) 降低输出电阻。降低输出电阻。应引入哪种类型的负反馈？应引入哪种类型的负反馈？riro减低减低增高增高增高增高增高增高增高增高减低减低减低减低减低减低RE2对交流不起作用，引入的是直流反馈；对交流不起作用，引入的是直流反馈；RE1、RF对交、直流均起作用，所以引入的对交、直流均起作用，所以引入的是交、直流反馈。是交、直流反馈。RB1RC1C1RB2RE1+RS+RFRC2CE2C2RE2RL+UCC+T1T2解解：+ RB1RC1C1RB2RE1+RS+RFRC2CE2C2RE2RL+UCC+T1T2例例4：如果如果RF不接在不接在T2 的集电极，而是接的集电极，而是接C

26、2与与RL 之间，两者有何不同之间，两者有何不同 ？解：解：因电容因电容C2的隔直流作用，这时的隔直流作用，这时RE1、RF仅引入仅引入 交流反馈。交流反馈。RB1RC1C1RB2RE1+RS+RFRC2CE2C2RE2RL+UCC+T1T2如果如果RF的另一端的另一端不接在不接在T1 的发射极，而是接在的发射极，而是接在它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈它的基极，两者有何不同，是否会变成正反馈 ？ 解：解：+ RB1RC1C1RB2RE1+RS+RFRC2CE2C2RE2RL+UCC+T1T2RF2(R1、R2): 直流反馈直流反馈（稳定静态工作点）（稳定静态工作点）RF 、CF :

27、交流交流电压并联负反馈电压并联负反馈+UCC(a)RE1+R1RF1RF2C2RC2RC1CE2RE2R2+C+RF1、RE1: 交直流交直流电压串联负反馈电压串联负反馈+RE2: 直流反馈直流反馈RF+UCC+RBC2RC2RC1CE2RE2+C1CF(b)+电流并联负反馈电流并联负反馈正反馈正反馈两个两个2k 电阻电阻构成交直流反馈构成交直流反馈两个两个470k 后后级级交交直直流流反反馈馈前前级级直直流流反反馈馈20 F+sE 470k 600 3.9k +20 F470k 3.9k 50 F2k 470 50 F100 F470 30k 3DG63DG6(c)+6V+(d)+50k 2

28、k 2k 8k 3k 3k 50 F50 F50 F+20V8.4 运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用01F1Fioj11j11 RRRCRRUUiC1j1jUCRCUU URRU)(11Fo频率频率角角称为截止称为截止RC1: 0 式中式中uiuoRFuCCR+ R1+设输入为正弦波信号设输入为正弦波信号, 则有则有故：故：,0时时当当 ,0时时当当 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT0f0j1 uA,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 2)(jf0uAT 0)(j T其模为其模为 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) |

29、 O 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+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O 01F1Fioj11

30、j111 RRRCRRUUi1jUCRRU URRU)(11Fo称为截止角频率称为截止角频率 式中式中RC10: uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有故：故： 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 的信号被阻止，称为的信号被阻止，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 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 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）之前。由于前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进