第五章集成运算放大器

1、2022-3-4东南大学计算机系1第五章第五章 集成运算放大器集成运算放大器5-1 5-1 运放的基本概念运放的基本概念 集成运算放大器是一种具有高放大倍数并集成运算放大器是一种具有高放大倍数并带有深度负反馈的直接耦合放大器。是一种常带有深度负反馈的直接耦合放大器。是一种常用的模拟集成电路。用的模拟集成电路。集成运算放大器在信号运算、信号处理、集成运算放大器在信号运算、信号处理、波形产生、和信号测量等方面有广泛应用。波形产生、和信号测量等方面有广泛应用。2022-3-4东南大学计算机系2一、集成运放的特点一、集成运放的特点4 4、集成电路中的二极管都采用晶体管构成。、集成电路中的二极管都采用晶

2、体管构成。1 1、在集成电路中，制造电感元件和大于、在集成电路中，制造电感元件和大于200pF200pF的电的电容很困难。运算放大器各级间都采用直接耦合。容很困难。运算放大器各级间都采用直接耦合。2 2、运算放大器的输入级都采用差动放大电路，集、运算放大器的输入级都采用差动放大电路，集成电路一致性较好，容易制成温度漂移很小的运算成电路一致性较好，容易制成温度漂移很小的运算放大器。放大器。3 3、在集成电路中，比较合适的阻值大致为、在集成电路中，比较合适的阻值大致为10010030k30k，高阻值制作不易。集成运算放大器中多用，高阻值制作不易。集成运算放大器中多用晶体管恒流源代替电阻。晶体管恒流

3、源代替电阻。2022-3-4东南大学计算机系3二、电路结构与符号二、电路结构与符号输入级输入级中间级中间级偏置电路偏置电路输出级输出级输出端输出端输入端输入端输入级：采用带恒流源的差放，尽量减小零点漂移输入级：采用带恒流源的差放，尽量减小零点漂移, , 提高提高K KCMRR CMRR , ,提高输入阻抗提高输入阻抗 r ri i。中间级：提供足够大的电压放大倍数。常采用带恒流中间级：提供足够大的电压放大倍数。常采用带恒流 源的共射、共基电路。源的共射、共基电路。2022-3-4东南大学计算机系4输出级：要向负载提供一定的功率，要求输出阻抗输出级：要向负载提供一定的功率，要求输出阻抗 r ro

4、 o 小，带负载能力强。小，带负载能力强。空脚空脚外接调零电位器外接调零电位器，输出端输出端稳压电源稳压电源正电源端，接正电源端，接稳压电源稳压电源负电源端，接负电源端，接同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端8516V157V15432 237CCV CCV WRK1K104 156外外部部接接线线图图偏置电路：保证输入为零时输出也为零。偏置电路：保证输入为零时输出也为零。2022-3-4东南大学计算机系5符号符号: u uou 新国标符号新国标符号 uoA旧国标符号旧国标符号2022-3-4东南大学计算机系6三、运放的主要技术指标三、运放的主要技术指标3 3、输入失调电压、输入失调电压U

5、 UiOiO如果要如果要U UO O=0=0，必须在输入端加一个很小的补偿电压，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压。越小越好。它就是输入失调电压。越小越好。1 1 、最大输出电压、最大输出电压U UOPPOPP: :能使输出电压和输入电压保持不失真的最大输出电能使输出电压和输入电压保持不失真的最大输出电压压, ,称为运算放大器的最大输出电压称为运算放大器的最大输出电压2 2、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数A AUOUO: :在没有外接反馈电路时，所测出的差模电压放大倍在没有外接反馈电路时，所测出的差模电压放大倍数，数，A AUOUO越大越好越大越好2022-3-4东南大学

6、计算机系7iCMiB2B1BiBiBio2B1BioioU6I2IIII5IIIII4、最大共模输入电压、最大共模输入电压越小越好。越小越好。即。即值，称为输入偏置电流值，称为输入偏置电流平均平均输入端静态基极电流的输入端静态基极电流的输入信号为零时，两个输入信号为零时，两个、输入偏置电流、输入偏置电流越小越好。越小越好。态基极电流之差，即态基极电流之差，即端静端静信号为零时，两个输入信号为零时，两个输入输入失调电流是指输入输入失调电流是指输入、输入失调电流、输入失调电流 = = = =2022-3-4东南大学计算机系8四、理想运放的近似条件四、理想运放的近似条件2IB1IBCMRRoiduo

7、II K0rrA= = 输输入入偏偏置置电电流流共共模模抑抑制制比比开开环环输输出出电电阻阻差差模模输输入入电电阻阻开开环环电电压压放放大大倍倍数数理理想想化化的的条条件件主主要要是是：2022-3-4东南大学计算机系9五、输入五、输入- -输出关系输出关系 u uou )uu(Auuoo = =式中：式中：Auo-开环电压放大倍数。一般为十几万开环电压放大倍数。一般为十几万 至几十万倍。至几十万倍。2022-3-4东南大学计算机系10六、运放的重要特性六、运放的重要特性1、虚地、虚地iuou 反相单端输入时反相单端输入时0u = = = = =uuuuuAoiouo 0uu u A ouo=

8、 = = = 为有限值为有限值 = = uu2022-3-4东南大学计算机系112、虚短、虚短 uou u = =uu ui信号双端输入：信号双端输入： :A ,u ,ruooid得得为有限值为有限值因因所以所以因因 = = = =0ii= = = = = uu 2022-3-4东南大学计算机系125-2 5-2 运放的应用运放的应用（一）反相比例器（一）反相比例器00= = = = = uuiifofof1i1i1RuRuuiRuRuui = = = = = = = iuou fR1RbR1ifi1 1、反相比例运算、反相比例运算利用利用“虚地虚地”概念概念一、比例器一、比例器2022-3-

9、4东南大学计算机系13 ii f1= =i1fouRRu = =iuou fR1RbR2 2、闭环电压放大倍数、闭环电压放大倍数1fioufRRuuA = = =3 3、平衡电阻、平衡电阻R Rb b的选取的选取1fbR/RR = =1ifi要求静态时要求静态时u+、 u- 对地电阻相同对地电阻相同2022-3-4东南大学计算机系14 u u- - = u = u+ + = 0 = 0 ， 反相输入端反相输入端“虚地虚地”。 Auf为负值，即为负值，即 uo与与 ui 极性相反。极性相反。因为因为 ui 加在反相输入端。加在反相输入端。 Auf 只与外部电阻只与外部电阻 R1、Rf 有关，与运

10、放本有关，与运放本身参数无关。身参数无关。 | Auf | 可大于可大于 1，也可等于，也可等于 1 或小于或小于 1 。2022-3-4东南大学计算机系15（二）同相比例器（二）同相比例器iuou fR1RbR1ifi1 1、同相比例运算、同相比例运算利用利用“虚短虚短”概念概念foi1if1iRuuRuiiuuu = = = = = = i1fou)RR1(u = =2022-3-4东南大学计算机系16iuou fR1RbR1ifi2、闭环电压放大倍数、闭环电压放大倍数3 3、平衡电阻、平衡电阻R Rb b的选取的选取1fbR/RR = =1fioufRR1uuA = = =2022-3-

11、4东南大学计算机系17 Auf 为正值，即为正值，即 uo与与 ui 极性相同。极性相同。因为因为 ui 加在加在同相输入端。同相输入端。 u- = u+u- = u+ 0 0 ，反相输入端不存在，反相输入端不存在“虚地虚地”现象。现象。 A Aufuf 1 1 ，不能小于，不能小于 1 1 。 A Aufuf只与外部电阻只与外部电阻 R R1 1、R Rf f 有关，与运放本身有关，与运放本身参数无关。参数无关。 2022-3-4东南大学计算机系18（三）电压跟随器（三）电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。

12、电压跟随器是电压跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。iuou bRfRiuou bRioufuu 1A= = =2022-3-4东南大学计算机系19二、加减运算电路二、加减运算电路（一）加法器（一）加法器1iuou fR1RbR1ifi2R2i3i3R2iu3iuf321iiii= = fo33i22i11iRuRuRuRu = = )uRRuRRuRR(u3i3f2i2f1i1fo = =2022-3-4东南大学计算机系20)uuu(RRu :RRRR:3i2i1ifo321 = = = = =则则若若)uuu(u :RR:3i2i1iof = = =则则若若 平衡电

13、阻：平衡电阻： Rb= R1 / R2 / /R3 / Rf2022-3-4东南大学计算机系21应为多大？应为多大？又：又：求求。其中其中已知电路如图已知电路如图例例2oi1fR ;u V2u ,R2R , :1 = = =iuou 1RfR2R1ou1f12i1foR32R/RRV6u)RR1(u= = = = = = =2022-3-4东南大学计算机系22系。系。与各输入电压的运算关与各输入电压的运算关电路如图。求电路如图。求例例ou :21iuou 1ou2iu3iuK1K10K10K10K5K5910K1 . 1)2210(321iiiouuuu = =1110iouu = =2022

14、-3-4东南大学计算机系23（二）减法器（二）减法器1iuou 2R1R4R1i2i3R2iu2o1i1RuuRuu = = 21ii = =o2111i212uRRRuRRRu = = 2i434uRRRu = = 2022-3-4东南大学计算机系24 = = uui112i212434ouRRu)RR1(RRRu = = RR RR :4231= = =条件条件当外电路满足平衡对称当外电路满足平衡对称21RR := =若若12oiiuuu=)uu(RRu1i2i12o = =有有:则则:2022-3-4东南大学计算机系25?uV5 . 2u V1 . 0u :12ioi1= = = =，求

15、，求，已知已知例例1iuou 1ou2iuK500M1K10011R12R1fRM12fR21R22RV5 . 0u2i= =vuRRuifo3 . 01 . 0 ) 21 ()1 (11111= = = = = =1003.010005.222 = = iiuu2022-3-4东南大学计算机系261iuou 1ou2iu1R2R4R3R iuuf3241A ,RR ,RR :2求求已已知知例例= = =)1(21RRuuAiouf = = =2022-3-4东南大学计算机系27)RR1(RRuuA RR :3431Fiouf4F = = =试证试证，已知已知例例iuou fR1R2R1ifi

16、3R4R3i4i2022-3-4东南大学计算机系28三、积分、微分运算电路三、积分、微分运算电路（一）积分运算电路（一）积分运算电路ou 1iiufiC1R2RCu:dtiC1uuRuii:0ufCo1if1即即故故由由图图，因因为为 = = = = = = = t duCR1ui1o = =2022-3-4东南大学计算机系29ou 1iiufiCfRbRCu（二）微分运算电路（二）微分运算电路即即由由图图，因因为为f1ffoiC1RiRiudtduCdtduCi = = = = = =dtduCRuifo = =2022-3-4东南大学计算机系30四、电压、电流变换电路四、电压、电流变换电路

17、（一）电压（一）电压-电流变换器电流变换器iuou LR1RR oi u uiuuu= = = 0ii= = = Ruiio= =2022-3-4东南大学计算机系31（二）电流（二）电流-电压变换器电压变换器oU fRLRbRsIfIoI0uu= = = fsII = =fsffoRIRIU = = = =sLfooIRRRUI = = =可见输出电压与输入电可见输出电压与输入电流成比例。流成比例。输出端的负载电流输出端的负载电流: :若若R固定固定,则输出电流与则输出电流与输入电流成比例输入电流成比例,此时该此时该电路也可视为电流放大电路也可视为电流放大电路电路.2022-3-4东南大学计算

18、机系32io4321u2u RRRRR :1= = = = = =证明证明。运放如图，运放如图，例例1R 1iu2iu2R3R4Riu1ou2ouou u2i2i432ou2u)RR1(u= = = =11o1i21i2oRuuRuu = = i2i1i2o211i21ou2)uu(2uRRu)RR1(u= = = = = =2022-3-4东南大学计算机系33。电路如图。试证明电路如图。试证明例例LiLRui :2= =RRRRR4321= = = = =1R 2R3RLRiu1ou2ouou uLi4R2022-3-4东南大学计算机系34五、五、低通滤波器低通滤波器滤波器的用途滤波器的用途

19、滤波器主要用来滤除信号中无用的频率滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。包含一些较高频率成分的干扰。2022-3-4东南大学计算机系35ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻四种典型的频率特性四种典型的频率特性ioUUioUUioUUoooo2022-3-4东南大学计算机系361 1、低通无源滤波器低通无源滤波器RCiU oU Icj1Rcj1UUio = =RCj11 = =oj11 = =)RC1(o= =传递函数：传递函数：2022-3-4东南大学计算机系37ojTj11)(=2)(11

20、)j (oT=1. 带负载能力差。带负载能力差。2. 无放大作用。无放大作用。3. 特性不理想，边沿不陡。特性不理想，边沿不陡。截止频率处：截止频率处：21=ioUUioUU01 0.707o截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：2022-3-4东南大学计算机系382、一阶有源低通滤波器、一阶有源低通滤波器fRiU oU 1RR1I fI CoioUU 0.7070of11URRRU = =RCj1UCj1Cj1RUUii = = = = 2022-3-4东南大学计算机系39o1f1fioufj1RR1RCj11)RR1(UUA = = = = = )RR1(A1fuf = =有放大作用

21、有放大作用时：时：、0 1= =21)RR1(A1fuf = =幅频特性与一阶幅频特性与一阶无源低通滤波器无源低通滤波器类似类似时：时：、 20 = =3、运放输出，带负载能力强。、运放输出，带负载能力强。2022-3-4东南大学计算机系40六、电平检测器六、电平检测器( (电压比较器）电压比较器） 电压比较器用来比较输入信号与参考电压电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的平。由此来判断输入信号的 大小和极性。

22、大小和极性。功能：功能：用途：用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。2022-3-4东南大学计算机系411、任意电压比较器、任意电压比较器iuou RU0omU omU ouiuRUomoRiomoRiUu ,uu ,Uu )2Uu ,uu ,Uu )1 = = = = 时时当当时时当当传输特性传输特性运放处于开环状态运放处于开环状态2022-3-4东南大学计算机系42iuou RU0omU omU ouiuRUomoRiomoRiUu ,uu ,Uu )2Uu ,uu ,

23、Uu )1= = = = 时时当当时时当当传输特性传输特性结论结论1：电压比较器能将连续变化的模拟信号电压比较器能将连续变化的模拟信号 经比较后输出数字信号。经比较后输出数字信号。2022-3-4东南大学计算机系430omU omU ouiu0UR= =iuou ouiu00omU ttomU 结论结论2：过零电压比较器具有将输入的任意波过零电压比较器具有将输入的任意波 形整形成矩形波的作用。形整形成矩形波的作用。2、过零电压比较器、过零电压比较器2022-3-4东南大学计算机系44iuou ZU 0ZU ZU ouiu0UR= =设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的，忽

24、略稳压管的正向导通压降正向导通压降则则 ui UR，uo=UZ3、有限幅作用的过零电压比较器、有限幅作用的过零电压比较器2022-3-4东南大学计算机系454、迟滞电压比较器、迟滞电压比较器iuou 3R1R2RRUouiuomU omU THUTLU0电路中引入正反馈电路中引入正反馈1. 提高了比较器的响应速度提高了比较器的响应速度2. 输出电压的跃变不在发生在同一门限上输出电压的跃变不在发生在同一门限上2022-3-4东南大学计算机系46iuu = = 当当 uo = +UOm , 则则 当当 uo = UOm , 则则上阈值电压上阈值电压下阈值电压下阈值电压定义：回差电压定义：回差电压o

25、m3 22TLTHURRR2UUU = = = =o322RuRRRuU = = = THom322RUURRRU= = = =TLom322RUURRRU= = = =2022-3-4东南大学计算机系47iu0tou0omU tomU THUTHU 结论结论3：1. U越大越大,抗干扰能力抗干扰能力越强。越强。2.调节调节R3或或 R2 可以改可以改变回差电压的大小。变回差电压的大小。3.改变改变UR可以改变可以改变UTH和和UTL , 但不影响回差但不影响回差电压电压 U。优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 缺点：灵敏度较低。缺点：灵敏度较低。2022-3-4东南大学计算机系48+u

26、oRR2R1uiURuoui0UTHUTL+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomUTHUTL迟滞比较器两种电路迟滞比较器两种电路传输特性传输特性的比较的比较:2022-3-4东南大学计算机系49例例1：R1=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UR=10V。当。当输入输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：VURRRURRRURZHT8212211= = = =VURRRURRRURZLT3212211= = = =2022-3-4东南大学计算机系503V8Vuiuo+UZ-UZ2022-3-4东南大学计算机系51u

27、ouiA-(UZ2+0.6V)UZ1+0.6VUR为基准电压为基准电压UZ1UZ2+ + R1R2R3uouiUR+R4UZ1 UZ2使输出使输出 uo 双向限幅。双向限幅。例2：电路如图，试画出输入/输出波形图212RRRRUU = = 212RARRRUUU = = = 2022-3-4东南大学计算机系52七、窗口检测器七、窗口检测器WHR RU LRiu1ou2ououWLRLHLHUU UU: 下限电压下限电压上限电压上限电压图中图中隔离二极管隔离二极管、基准电压基准电压21RDDUouiuHULU1D2DHULU2022-3-4东南大学计算机系53八、采样八、采样-保持电路保持电路

28、采样阶段：采样阶段： ui与与uo保持一致。保持一致。 保持阶段：输出保持该阶段开始瞬间的值不变。保持阶段：输出保持该阶段开始瞬间的值不变。uG+ u uiuGoutt2022-3-4东南大学计算机系54九、测量放大器九、测量放大器1 1、结构分析：前级为双入双出差放，、结构分析：前级为双入双出差放， 后级为双输入放大器。后级为双输入放大器。327654RR RR RR = = = =: :设设1R 1iu2iu2R3R4Riu1ou2ouou 5R6R7R2022-3-4东南大学计算机系55分析分析、ufA 22i122o1i121i121ou)RR21(uu)RR21(u)2/RR1(u

29、= = = = = =12i2o1o2i1i2o1o1ufRR21uuuuuuuA = = = = = =462o1oo2ufRRuuuA = = = =)RR21(RRAAA12462uf1ufuf = = = =2022-3-4东南大学计算机系56十、程控放大器十、程控放大器1 1、多路模拟双向开关多路模拟双向开关4052( (双四选一）双四选一）D0D1YD2D3A B功能示意图功能示意图功能表功能表3210D 1 1D0 1D 1 0D0 0 Y B A2、用用4052及运放构成程控放大器，分别对输入及运放构成程控放大器，分别对输入ui0,ui1,ui2,ui3 的放大倍数为的放大倍数

30、为10，50，100，200倍。倍。2022-3-4东南大学计算机系57)2/1(4052ou bR)2/1(4052K100iu1iu2iu3iuK100K500M1M2AB程控放大器结构图：程控放大器结构图：放大器功能：放大器功能：A B 输入输入Af0 0ui0100 1ui1501 0ui21001 1ui32002022-3-4东南大学计算机系58R1 = R3 ; R2= R4uoui+ +A4+ +A3+ +A1+ +A2R1R2R3R4R5R6ui1ui2例：运放电路如图，求例：运放电路如图，求 Au =uouiuiuO1uO22022-3-4东南大学计算机系59R+ +Uo2

31、R2R2R 2RRRUi例：已知输入例：已知输入Ui5V，求输出，求输出Uo？解：利用解：利用虚地虚地概念，阻值为概念，阻值为2R的电阻均可视作接地。的电阻均可视作接地。II1I2I3If8II 2II RUI21i= = = =RUI IRU85I85III Offi213 = = = = = = = =且且V125. 38558U5U iO = = = = = =2022-3-4东南大学计算机系601.1.振荡条件：振荡条件：(1)相位条件相位条件：ui与与uf同相。同相。(2)幅值条件幅值条件: uf ui 2.工作原理工作原理Z1=R+(1/j c)欲满足欲满足相位条件相位条件，应使虚部为零，应使虚部为零，即即: RC = 1 / RC得得 = 1 / RC = 0 - 振荡频率振荡频率此时此时 f= o / 3 f与与o同相。同相。即即 Uf = Uo/ 33 + j( RC - 1 / RC )of =oZ2Z1+Z2=幅值条件幅值条件: Af = 3-RfR1十二十二. .正弦波振荡器正弦波振荡器u u0 0 Z