第8章《电工电子技术》课件8

1、新编电气与电子信息类本科规划教材电工电子技术电工电子技术 樊立萍樊立萍 张国光张国光 宋婀娜宋婀娜 主编主编 肇肇 巍巍 袁艳敏袁艳敏 林晓梅林晓梅 参编参编集成运算放大器概述集成运算放大器概述8.1集成电路简介集成电路简介8.1.1集成运算放大器的基本构成集成运算放大器的基本构成8.1.2集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数8.1.3集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性8.1.4集成运放的理想特性集成运放的理想特性8.1.5集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用8.2集成运放构成运算电路集成运放构成运算电路8.2.1集成运放用于信号处理集成运放用于信号处

2、理8.2.2第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器3. 掌握理解集成运算放大器的应用。掌握理解集成运算放大器的应用。本章要求本章要求:1. 了解集成运算放大器的基本结构、主要参数了解集成运算放大器的基本结构、主要参数和特性和特性2. 熟练掌握理想运算放大电路的分析方法熟练掌握理想运算放大电路的分析方法下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器8.1集成运算放大器概述集成运算放大器概述8.1.1 集成电路简介集成电路简介 集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器

3、等元器件，并按照多层布制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成的完整电子电路。线或遂道布线的方法将元器件组合成的完整电子电路。 应用应用: 工、民用电子设备，军事、通讯、遥控等方面。工、民用电子设备，军事、通讯、遥控等方面。 优点：优点：集成电路具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、集成电路具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。便于大规模生产。下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器模拟集成电路用来产生、放大和

4、处理各种模拟信号。模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号。分分类类按集成密度按集成密度 集成运算放大器是一种集成化的半导体器件，是模拟集成集成运算放大器是一种集成化的半导体器件，是模拟集成电路的一种。电路的一种。超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSI）大规模集成电路（简称大规模集成电路（简称LSI）中规模集成电路（简称中规模集成电路（简称MSI）小规模集成电路（简称小规模集成电路（简称SSI）模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路下一页下一页上一页上一页返回返回按功能按功能第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器两路电源供电。两路电源供电。8.1.2 集成运算放大器的

5、基本构成集成运算放大器的基本构成两个输入端：一个称为反相输两个输入端：一个称为反相输入端，一个称为同相输入端；入端，一个称为同相输入端；一个输出端；一个输出端；下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器辅助环节：辅助环节：过载保护电路及高频补偿环节等。过载保护电路及高频补偿环节等。输入级：输入级：通常采用双端输入的通常采用双端输入的差动放大电路组成，以抑制零差动放大电路组成，以抑制零漂，提高输入电阻。其差模输漂，提高输入电阻。其差模输入电阻一般可达入电阻一般可达105106。中间级：中间级：整个电路的主放大器，进行一级或多级电压放大。要求它的电整个电路的主放大

6、器，进行一级或多级电压放大。要求它的电压放大倍数高，一般采用多级共发射极放大电路组成。压放大倍数高，一般采用多级共发射极放大电路组成。输出级：输出级：与负载相接，要求其输出电阻小，有较强的带负载能力，且非与负载相接，要求其输出电阻小，有较强的带负载能力，且非线性失真小，一般由互补对称电路或射极输出器构成。线性失真小，一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路：偏置电路：为各级放大电路提供合适的静态工作点。一般由恒流源电路为各级放大电路提供合适的静态工作点。一般由恒流源电路构成。构成。下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 集成放大电路在没有外接反馈电路、

7、输出端开路状态下集成放大电路在没有外接反馈电路、输出端开路状态下的电压放大倍数。它是决定运算精度的重要因素。的电压放大倍数。它是决定运算精度的重要因素。 要求要求Auo越大越好。越大越好。8.1.3 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数1最大输出电压最大输出电压Uopp 使输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的最使输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的最大值。大值。2开环电压放大倍数开环电压放大倍数Auo下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器3、输入失调电压、输入失调电压Uio 输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入电

8、压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做输入失调电压输入端加的补偿电压叫做输入失调电压Uio。 Uio的大小反映了运放中电路制造的对称程度和电位配合的大小反映了运放中电路制造的对称程度和电位配合情况。情况。Uio愈大，电路的对称性愈差。愈大，电路的对称性愈差。4、输入失调电流、输入失调电流Iio 当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差，称当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流之差，称为输入失调电流为输入失调电流Iio。 Iio是由差动放大电路的三极管特性、参数不一致等原因是由差动放大电路的三极管特性、参数不一致等原因引起的。希望其愈小愈好。引起的。希望其愈小

9、愈好。下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器8.1.4 集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性 集成运放的电压传输特性是指集成运放的电压传输特性是指开环输出时输出电压与输入电压开环输出时输出电压与输入电压之间的关系曲线。之间的关系曲线。线性区：输出信号线性区：输出信号uo与输入信号与输入信号 (同相输入端和反相输入端电位差同相输入端和反相输入端电位差)是线性关系，即：是线性关系，即：)(uoouuAu 为了使集成运放工作在线性区，常引入深度负反馈，以为了使集成运放工作在线性区，常引入深度负反馈，以减小净输入电压，保证输出电压不超出线性范围

10、。减小净输入电压，保证输出电压不超出线性范围。 下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器非线性区：当集成运放非线性区：当集成运放处于开环工作状态或者引入正反处于开环工作状态或者引入正反馈时馈时，一般工作在非线性区，即输出电压不再随着输入，一般工作在非线性区，即输出电压不再随着输入电压变化线性增长，而是进入饱和状态。电压变化线性增长，而是进入饱和状态。 uuOMoUu当当 时：时： uuOMoUu当当 时：时：下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器与实际运放符号的主要不同在于开环放大倍数用与实际运放符号的主要不同在于开环放

11、大倍数用“ ”表示。表示。8.1.5 集成运放的理想特性集成运放的理想特性理想集成运放的特性：理想集成运放的特性：（1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Auo = ；（2）输入电阻）输入电阻ri = ；（3）输出电阻）输出电阻ro = 0；下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器虚短和虚断。虚短和虚断。 “虚短虚短”和和“虚断虚断”是理想集成运放的重要特征，也是分是理想集成运放的重要特征，也是分析运放工作电路的重要依据。析运放工作电路的重要依据。理想运算放大器的两个重要推论：理想运算放大器的两个重要推论： 理想运放的净输入电压为零，即理想运放的净输入电压为

12、零，即 由于理想运放的输入电阻为无穷大，可认为两个输入端的由于理想运放的输入电阻为无穷大，可认为两个输入端的输入电流为零，相当于断路而非断路，称之为输入电流为零，相当于断路而非断路，称之为“虚断虚断”。或或0uu uu 由于理想运放的开环放大倍数由于理想运放的开环放大倍数 ，输出电压为有限值，当，输出电压为有限值，当集成运放工作在线性区时，净输入电压集成运放工作在线性区时，净输入电压 ，即反，即反相输入端与同相输入端电位近似相等，称之为相输入端与同相输入端电位近似相等，称之为“虚短虚短”。0uooAuuu 理想运放的净输入电流为零，即理想运放的净输入电流为零，即0ii下一页下一页上一页上一页返

13、回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器8.2 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用集成运放的基本应用集成运放的基本应用线性应用线性应用:当集成运放外加负反馈使当集成运放外加负反馈使其闭环工作在线性区时，可构成模其闭环工作在线性区时，可构成模拟信号运算放大电路、正弦波振荡拟信号运算放大电路、正弦波振荡电路和有源滤波电路等，称为线性电路和有源滤波电路等，称为线性应用。应用。非线性应用非线性应用:当集成运放处于开环或当集成运放处于开环或外加正反馈使其工作在非线性区时，外加正反馈使其工作在非线性区时，可构成各种幅值比较电路和矩形波可构成各种幅值比较电路和矩形波发生器等，称为非线性应

14、用。发生器等，称为非线性应用。下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 集成运放外接不同的负反馈或输入电路，并使其工作在线集成运放外接不同的负反馈或输入电路，并使其工作在线性区，可完成对模拟信号的多种运算，如比例、加法、减法、性区，可完成对模拟信号的多种运算，如比例、加法、减法、积分、微分等等运算。积分、微分等等运算。8.2.1集成运放构成运算电路集成运放构成运算电路1比例运算电路比例运算电路（1）反相比例运算电路）反相比例运算电路 R2为补偿电阻，为补偿电阻，Rf为反馈电为反馈电阻。阻。f12/RRR 怎么分析呢？怎么分析呢？下一页下一页上一页上一页返回返

15、回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 负号表明输出电压与输入电压相位相反，它们的大小负号表明输出电压与输入电压相位相反，它们的大小彼此成一定的比例关系，故称为反相比例放大器。彼此成一定的比例关系，故称为反相比例放大器。0ii0uuu0uf1ii uu0u1i1RuuifofRuuii1fouRRu1fioufRRuuA利用虚短、利用虚短、虚断概念虚断概念又又而而则：则： 当当Rf = R1时，时， Auf= -1，输出电压与输入电压大小相等、相位相反，这，输出电压与输入电压大小相等、相位相反，这时电路称为倒相器或反相器。时电路称为倒相器或反相器。电路分析：电路分析：下一页下一页上一页

16、上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器解：解： 510501fufRRAV515iufo）（uAu例例8.1 在图在图8.4所示比例运算器中，设所示比例运算器中，设 。求求Auf。如果。如果 ，则，则 为多大？为多大？k50k10f1RR，V1iuou对于反相比例运算器有：对于反相比例运算器有：下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器电路分析：电路分析：（2）同相比例运算电路）同相比例运算电路 与反相比例运算电路不同，输入信号从同相端引入，反馈与反相比例运算电路不同，输入信号从同相端引入，反馈电阻电阻Rf 接法不变，输入回路中接入电阻接法

17、不变，输入回路中接入电阻 。 f12/ RRR iuuuf1ii 1i11RuRuifoifofRuuRuuii1fo)1 (uRRu1fiouf1RRuuA又又则：则：下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器虚短就一定虚地吗？虚短就一定虚地吗？ 当当R1 = （断开）或（断开）或Rf = 0（短接）时，（短接）时，Auf = 1，输出，输出电压和输入电压大小相等、电压和输入电压大小相等、相位相同，此时称为相位相同，此时称为电压跟电压跟随器随器，它，它是同相比例放大器是同相比例放大器的一个特例的一个特例。 在同相输入的运算放大器中，在同相输入的运算放大器中，

18、 ，而近似等于，而近似等于输入电压输入电压 ，虚地概念不再存在，这是同相输入运算放，虚地概念不再存在，这是同相输入运算放大器与反相输入运算放大器的大器与反相输入运算放大器的重要区别重要区别。0uiu下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 在反相输入端增加若干输入支路，则构成反相加法运算器。在反相输入端增加若干输入支路，则构成反相加法运算器。 2加法运算电路加法运算电路 由于反相输入端净输入电流由于反相输入端净输入电流为零，则有：为零，则有： 131211fiiiifo13i312i2111 iRuRuRuRu根据根据“虚地虚地”的概念，则有：的概念，则有：

19、i313fi212fi111fouRRuRRuRRu电路分析：电路分析：下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器即输出电压等于各输入电压之和。即输出电压等于各输入电压之和。加法运算电路中相加项的比加法运算电路中相加项的比例系数只与外部电路的电阻有关，与放大器本身的参数无关例系数只与外部电路的电阻有关，与放大器本身的参数无关，故稳定性高。故稳定性高。 输出电压等于各输入电压按照不同比例相加。输出电压等于各输入电压按照不同比例相加。 i313fi212fi111fouRRuRRuRRu如果如果 ，则有：，则有：131211RRRi3i2i11fouuuRRu 该

20、电路为反相输入比例放大器，其输出电压与各输入电压之该电路为反相输入比例放大器，其输出电压与各输入电压之和成比例，实现和成比例，实现“和放大和放大”，称为，称为反相加法器反相加法器。 加法器中的平衡电阻加法器中的平衡电阻R2 = R11 / R12 / R13 / Rf。 当当 时，则时，则f321RRRRi3i2i1ouuuu第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器例例8.3 在图在图8.8所示电路中，已知所示电路中，已知 ， ，30k21RRk153Rk204Rk105Rk206R k57RV5 . 0i1uV1i2uou ， ， ， ， ， 。求输出电压。求输出电压 。反相反相器器 反

21、相输入加法反相输入加法器器 下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器.5V0-1 i1 i121ouuRRu.5V211020.5020202i561o46o）（）（uRRuRRu第二级为反相输入加法器，故输出电压为：第二级为反相输入加法器，故输出电压为：第一级是反相器，其输出电压为：第一级是反相器，其输出电压为：解：解： 下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 如图如图8.9为差动减法运算电路。输为差动减法运算电路。输入信号分别加到放大器的反相输入入信号分别加到放大器的反相输入端和同相输入端。端和同相输入端。 3减法运

22、算电路减法运算电路1 i11uRiu2i323uRRRu uuf1i1f1RRuuiioi11fi23213f1o)()(uRRuRRRRRRu电路分析：电路分析：则：则：还有其它还有其它思路吗？思路吗？下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 在本例中，因为运放工作在在本例中，因为运放工作在线性区，所以可以采用叠加原线性区，所以可以采用叠加原理进行分析。理进行分析。 差动输入运算放大器可以理解为差动输入运算放大器可以理解为是由是由ui1，ui2分别单独作用时的反相分别单独作用时的反相输入比例运算器和同相输入比例运输入比例运算器和同相输入比例运算器组合而成的

23、。算器组合而成的。 差分输入运算电路在自动控制系统以及测量系统中得到广差分输入运算电路在自动控制系统以及测量系统中得到广泛应用。泛应用。当当R1 = R2，Rf = R3时，时， 输出电压与两个输入电压的差值成正比，这种输入方输出电压与两个输入电压的差值成正比，这种输入方式为差分输入方式。式为差分输入方式。此时电路成为一个减法器。此时电路成为一个减法器。)(i1i21fouuRRu当当R1 = R2 = Rf = R3时，则有：时，则有：)(i1i2ouuu下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 用电容代替反相比例运算电用电容代替反相比例运算电路中的反馈电

24、阻路中的反馈电阻Rf，就构成了，就构成了积分运算电路。积分运算电路。 4积分运算电路积分运算电路电路分析：电路分析：uu00ii1if1RuiidtuCRdtiCuuif1ffCo11下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 当当 为一幅值等于为一幅值等于U的正向阶跃电压时，则有：的正向阶跃电压时，则有：tCRUuf1oiu 输出电压输出电压uo将随时间线性增长，直到将随时间线性增长，直到uo达到饱和值。达到饱和值。 下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 将积分运算电路中的反相输入端的电阻与反馈电容调换位置，将积分运算

25、电路中的反相输入端的电阻与反馈电容调换位置，可得到如图所示的微分运算电路。可得到如图所示的微分运算电路。5微分运算电路微分运算电路下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器f1ffffoRiRiRiuudtduCiC11dtduCRui1fo而 所以所以 输出电压与输入电压的微分成正比。输出电压与输入电压的微分成正比。电路分析：电路分析：0uu而而下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器例例8.4 试求如图所示电路试求如图所示电路uo与与ui的关系式。的关系式。解：由图可列出解：由图可列出:dtiCRiuRiuuffffCf

26、fo11i1Ruui0uuf1ii dtuCRuRRuif1i1fo1又又故得故得 该电路是反相比例运算和积分运算两者的结合，称为比例该电路是反相比例运算和积分运算两者的结合，称为比例积分调节器，简称积分调节器，简称PI调节器。调节器。ouiu1RfC2R1ifiCufRPI调节器调节器下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器ffoRiudtduCRuiiii11iCRfdtduCRuRRui1fi1fo解：解：故得：故得： 该电路称为该电路称为PD调节器。调节器。例例8.5 试求如图所示电路试求如图所示电路uo与与ui的关系式。的关系式。下一页下一页上一页

27、上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器8.2.2 集成运放用于信号处理集成运放用于信号处理 集成运放在信号处理方面也得到广泛的应用，常用于信号的集成运放在信号处理方面也得到广泛的应用，常用于信号的幅度比较、信号滤波、波形发生等方面。幅度比较、信号滤波、波形发生等方面。1电压比较器电压比较器 电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，在测量、电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，在测量、控制、波形发生器中有着广泛的应用，是集成运放的几种控制、波形发生器中有着广泛的应用，是集成运放的几种非非线性典型应用线性典型应用之一。之一。下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章

28、章 集成运算放大器集成运算放大器 当当ui UR时，时，uo = UOM 。因此，。因此，由输出电压的正负即可判断输入电压由输出电压的正负即可判断输入电压ui与给定值与给定值UR的相对大的相对大小。小。 这是只有一个参考电压的单限电压比较器及其传输特性，这是只有一个参考电压的单限电压比较器及其传输特性，UR为给定的参考电压，无反馈环节，为给定的参考电压，无反馈环节，集成运放工作在非线性集成运放工作在非线性区区。1电压比较器电压比较器下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 当当UR = 0时，即参考电压为时，即参考电压为0 V时，称为过零比较器。其电时，称为

29、过零比较器。其电路和传输特性如图（路和传输特性如图（a）、（）、（b）所示。）所示。 当为任意交变的信号时，输出将为方当为任意交变的信号时，输出将为方波，如图波，如图8.17所示。所示。利用过零比较器可利用过零比较器可将任意输入波形整形成方波将任意输入波形整形成方波。下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 过零比较器输出的方波是外加正弦波转换过来的，是一种波过零比较器输出的方波是外加正弦波转换过来的，是一种波形转换电路。形转换电路。如果在运算放大器的同相输入端引入适当的电压如果在运算放大器的同相输入端引入适当的电压正反馈，使电路的电压放大倍数更高，则运算放

30、大器在不接外正反馈，使电路的电压放大倍数更高，则运算放大器在不接外部信号的情况下就可自行输出方波。部信号的情况下就可自行输出方波。 2方波发生器方波发生器下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 u2与与uo同相位。同时，输出电压同相位。同时，输出电压uo又经又经RF与与C组成的积分电路，将电容组成的积分电路，将电容电压电压uc作为输入电压接至反相端，与基准电压作为输入电压接至反相端，与基准电压u2进行比较。进行比较。 如图为方波发生器的基本电路，输出电压如图为方波发生器的基本电路，输出电压uo经电阻经电阻R1、R2分压，将部分分压，将部分电压通过电压通过R3反馈到同相输入端作为基准电压，其基准电压为：反馈到同相输入端作为基准电压，其基准电压为：o2122uRRRu下一页下一页上一页上一页返回返回第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器 设接通电源之前，电容电压设接通电源之前，电容电压uc=0，则接通电源之后，由于干扰电压的作用，则接通电源之后，由于干扰电压的作用，将使输出电压将使输出电压uo很快达到饱和值，其极性随机而定。如设很快达到饱和值，其极性随机而定。如设uo=+UOM, ,则此时同相输则此时同相输入端电压为：入端电压为：2MOM212UURRRu同时电容充电