重庆大学机械考研-电工学-第5章集成运算放大器

1、.第第5 5章章 集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 本章讲授学时：6学时集成运算放大器简介集成运算放大器简介集成运算放大器概述集成运算放大器概述集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点理想集成运算放大器理想集成运算放大器集成运算放大器概述集成运算放大器概述 集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有集成运放实质上是一种双端输入、单端输出的具有高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合高电压放大倍数，高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合放大器。它在发展初期主要用来实现模拟运算功能。后放大器。它

2、在发展初期主要用来实现模拟运算功能。后来，集成运放已成为象晶体管一样的通用增益器件，广来，集成运放已成为象晶体管一样的通用增益器件，广泛用于模拟电子线路的各个领域。泛用于模拟电子线路的各个领域。集成电路外形集成电路外形 LM741 1 2 3 48 7 6 5 741761432582 2反相输入端反相输入端6 6输出端输出端3 3同相输入端同相输入端4 4正电源端正电源端7 7负电源端负电源端8 8闲置端闲置端（NC）1 1、5 5接调零电位器接调零电位器运放举例：运放举例：LM741LM741集成运算放大器的电路构成集成运算放大器的电路构成 集成运算放大器的输入级都采用差动放大电路，集成运

3、算放大器的输入级都采用差动放大电路，中间级一般都是共发射极电压放大电路，输出中间级一般都是共发射极电压放大电路，输出级则由对称互补的功率放大器和射极输出器组级则由对称互补的功率放大器和射极输出器组成。成。unA2uA1uAiuou21iouu32iouu输入级中间级激励级输出级前置级.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. 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Auo Auo是决定运放电路稳定是决定运放电路稳定性个运算精度的重要因素，希性个运算精度的重要因素，希望望Auo越大越好。越大越好。dBUUAiouolg20 2. 最大输出电压最大输出电压UoPP 在一定电源电压下，集

4、成运放输出电压和输入电压保持不在一定电源电压下，集成运放输出电压和输入电压保持不失真关系的输出电压的峰值称为最大输出电压。其值比电源电失真关系的输出电压的峰值称为最大输出电压。其值比电源电压小。如电源电压为压小。如电源电压为15V，该值为，该值为10V左右。左右。3. 最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax Uidmax是指集成运放的反向输入端和同向输入端之间所是指集成运放的反向输入端和同向输入端之间所能承受的最大电压。能承受的最大电压。4. 最大共模输入电压最大共模输入电压Uicmax Uicmax是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超过这是指集成运放所能承受的最大共模输入电压，超

5、过这个值，集成运放的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损坏。个值，集成运放的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损坏。5. 差模输入电阻差模输入电阻rid rid是指集成运放两个输入端之间的电阻值。是指集成运放两个输入端之间的电阻值。rid越大越好，它越大越好，它标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小。标志集成运放输入端向差模信号源索取信号电流的能力大小。6. 输出电阻输出电阻ro ro是指集成运放输出级的输出电阻。是指集成运放输出级的输出电阻。它反应了运放的带负载能力。它反应了运放的带负载能力。7. 共模抑制比共模抑制比KCMRR KCMRR是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数

6、与共模输是指集成运放的开环差模输入电压放大倍数与共模输入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。入电压放大倍数之比值，用来衡量输入级各参数的对称程度。 KCMMR越大，运放的共模抑制能力越强。越大，运放的共模抑制能力越强。集成运算放大器的特点集成运算放大器的特点 为满足运算精度的要求，理想集成运算为满足运算精度的要求，理想集成运算放大器的开环电压放大倍数的数值很大。放大器的开环电压放大倍数的数值很大。零点漂移小。零点漂移小。 差模输入电阻很高，一般在差模输入电阻很高，一般在10105 510101111范范围，如果用围，如果用MOSMOS集成电路，输入级的输入集成电路，输入级的输入

7、电阻高达电阻高达10101111以上。以上。 输出电阻很低，一般输出级都采用互补输出电阻很低，一般输出级都采用互补对称电路作为输出级，所以，输出电阻对称电路作为输出级，所以，输出电阻一般在几十欧到几百欧。一般在几十欧到几百欧。理想集成运算放大器理想集成运算放大器 理想集成运放的电路模型理想集成运放的电路模型uuou 理想集成运放及其分析依据理想集成运放及其分析依据（1）开环电压放大倍数uoA（2）差模输入电阻idr（3）开环输出电阻0or（4）共模抑制比CMRRK理想集成运放的传输特性是指表示输理想集成运放的传输特性是指表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲出电压与输入电压之间关系的特性曲线。

8、如右图：线。如右图： 理想集成运放的理想集成运放的传输特性传输特性实际特性实际特性理想特性理想特性0 uuouo(sat)Uo(sat)U传输特性的特点传输特性的特点 传输特性可分为线性区和非线性传输特性可分为线性区和非线性区。所以，运算放大器可工作在线性区。所以，运算放大器可工作在线性区也可工作在非线性区，但是，其分区也可工作在非线性区，但是，其分析方法不一样。析方法不一样。0 uuouo(sat)Uo(sat)U线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区 当理想运放工作在线性区时当理想运放工作在线性区时 uu1.理想运放的两个输入端的电位相等理想运放的两个输入端的电位相等虚短虚短000

9、uouAuuuA2.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两个输入端的输入电流为零。0ii虚断虚断idr虚短虚短虚断虚断虚短虚短线性区线性区： u uo o=A=Auouo(u(u+ +-u-u- -) )r rid id ，故，故两输入端的输两输入端的输入电流为零入电流为零。 A Auouo ，u uo o为有限值为有限值故故 u u+ +-u-u- -=u=uo o/A/Auouo0 0 即即 u u+ + u u- -分析依据分析依据当有信号输入时当有信号输入时，如同相端接地，如同相端接地，即即u u+ +=0 =0 则则u u- - 0 0当理想运放工作在非线性区时：当理想运放

10、工作在非线性区时：1.理想运放的两个输入端的输入电流为零。理想运放的两个输入端的输入电流为零。0ii虚断虚断2.输出电压有两种取值可能输出电压有两种取值可能uuou当当)(satooUuuu )(satooUuuu uu只是两种状态的转换点只是两种状态的转换点式中：式中：+Uo（sat）为正饱和值为正饱和值-Uo（sat）为负饱和值；为负饱和值；0 uuouo(sat)Uo(sat)U集成运放的应用概述概述运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用运放应用中的反馈运放应用中的反馈集成运放的使用集成运放的使用 运放能完成信号的代数运算有：运放

11、能完成信号的代数运算有：比例、加减、积比例、加减、积分与微分分与微分等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘等简单运算，还能完成对数与反对数以及乘除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用除等复杂运算。它们都是线性范围内的运算，都适用叠加原理。叠加原理。 在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：在讨论运放的运算功能之前，要弄清几个问题：如何保证运放工作在线性区如何保证运放工作在线性区 ? ? 我们知道：我们知道：A Auouo，即当输入差模信号极小时，即当输入差模信号极小时（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。（如毫伏级以下的信号），也足以使运放饱和。 我们还知道：负反馈能减小放大倍数

12、，且反馈愈我们还知道：负反馈能减小放大倍数，且反馈愈深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大深作用愈明显；加上负反馈还可在其它方面改善放大电路的性能，所以电路的性能，所以解决之道是：解决之道是：在电路中引入深度负反馈在电路中引入深度负反馈。概述概述 下面的问题是从输出端将反馈下面的问题是从输出端将反馈引到同相端还是反相端引到同相端还是反相端 ？引回到反相端引回到反相端 答案是：答案是： uuouRf运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用比例运算比例运算加法运算加法运算减法运算减法运算积分运算积分运算微分运算微分运算比例运算比例运算反向输入反向输入反向比例运算反向比例运算ouiu

13、fu2R1RfR1ifi uuii0 因为输入信号从反向输入端输入，所以，因为输入信号从反向输入端输入，所以，称为反向输入。称为反向输入。 R Rf f 反馈电阻反馈电阻 R R2 2 平衡电阻平衡电阻用于消除静态基极电用于消除静态基极电流对输出电压的影响流对输出电压的影响 R R2 2= R= R1 1RRf f 反向输入反向输入反向比例运算反向比例运算001 uuuiiffofofiiRuRuuiRuRuui 1111RRuuAfiouf ifouRRu1 ouiufu2R1RfR1ifiuuii0当当R1= Rf时时11 RRuuAfioufiouu 说明：说明：1、式中的负号表示输出与

14、输式中的负号表示输出与输入反相，因此又把反相输入的入反相，因此又把反相输入的比例运算电路称为反相器；比例运算电路称为反相器；反馈类型反馈类型: : 深度并联电压负反馈深度并联电压负反馈 1RRuuAfiouf 2、如、如R1和和RF的阻值足够精确，而运放的开环的阻值足够精确，而运放的开环放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的放大倍数很高，就可以认为输出与输入信号的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的关系只取决于两电阻的比值，而与运放本身的参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳参数无关。因此，保证了比例运算的精度和稳定性（深度负反馈）。定性（深度负反馈）。比例运算比例运算同向输入同向输入

15、同向比例运算同向比例运算ouiufu2R1RfR1ifi uuii0因为输入信号从同向输入端因为输入信号从同向输入端输入时，称为同向输入。输入时，称为同向输入。iifuuuuuii 1foifofiRuuRuuiRui 11ifouRRu)1 (1 )1 (1RRuuAfiouf ouiufu2R1RfR1ifi)1 (1RRuuAfiouf ouiufu2R1R1ifiouiufu2RfRfi1)1 ( fioufRuuA1)01 (1 RuuAiouf电压跟随电路电压跟随电路(电压跟随器电压跟随器) uuii0加法运算加法运算i13ui3uo +-ifR13R2Rfi12R12i11R11

16、ui2ui1加法电路 在反相端输入若干路信在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路号，构成反相加法运算电路 131211fiiii)(313212111oiFiFiFuRRuRRuRRuFofRui11111Ruii12212Ruii13313Ruii由此得1131211RRRR当当时，时，FRR 1再若再若，则，则)(3211oiiiFuuuRRu)(321oiiiuuuu uuii0减法运算减法运算 当运放的两个输入当运放的两个输入端都加入信号时称为差端都加入信号时称为差动输入，如图。动输入，如图。2323iuRRRu 11111RuuRuuiii fofofRuuRuui uRRuR

17、Rufifo)1 (1112323111)(1 (ififouRRRRRuRRu fRRRR321)(121iifouuRRu uuii0ou2iufu2R1RfR1ifi1iu3R积分运算积分运算 如果将反馈电阻换成如果将反馈电阻换成电容，则比例运算电路就电容，则比例运算电路就变成了积分电路。如图：变成了积分电路。如图：ouiufu2R1RfC1ificu uuii00u11Ruiiif dtuCRdtiCuuifffco111iu0iUt0out)(0 satU负号表示输出与输入反向负号表示输出与输入反向当当ui为阶跃信号时为阶跃信号时tCRufo11 最后达到负的饱和值最后达到负的饱和值

18、微分运算微分运算 微分运算是积分运算的逆微分运算是积分运算的逆运算，所以，如果将输入电阻运算，所以，如果将输入电阻换成电容，则比例运算电路就换成电容，则比例运算电路就变成了微分电路。变成了微分电路。1Couiufu2RfR1ifi uuii00 uudtduCiiif11 dtduCRiRuiffo11 当当ui为阶跃信号时，为阶跃信号时，uo为尖脉冲电压为尖脉冲电压输出电压与输入电输出电压与输入电压的一次微分成正比。压的一次微分成正比。iu0iUt0out 运放除了能完成信号的运算，还运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及比能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。较等处理工

19、作。电压比较器电压比较器有源滤波器有源滤波器运放在信号处理方面的应用运放在信号处理方面的应用电压比较器电压比较器ouiuRU)()(0satoosatooUuuuUuuuii 0RUouiu)(satoU)(satoU 该电路是对输入该电路是对输入电压电压ui进行比较和鉴进行比较和鉴别的电路，是集成运别的电路，是集成运放的非线性应用的基放的非线性应用的基本电路。集成运放工本电路。集成运放工作在开环状态。作在开环状态。工作原理工作原理 （1）UR为参考电压，加在同相输入为参考电压，加在同相输入端。输入电压端。输入电压ui加在反向输入端。加在反向输入端。（3）其电压传输特性如图所示）其电压传输特性

20、如图所示:（2）当）当uiUR时时,输出电压输出电压uo=- -U(sat）.如果输入信号是正弦信号如果输入信号是正弦信号:RU0iutou)(satoU)(satoU0touiuRU0RUouiu)(satoU)(satoU)()(0satoosatooUuuuUuuuii 调节调节UR的大小的大小,可以改变输出波形正负半周的宽度可以改变输出波形正负半周的宽度.如果如果UR=0,则构成过零比较器则构成过零比较器.过零比较器过零比较器: :0ouiu)(satoU)(satoU传输特性传输特性ouiu电路电路0iutou)(satoU)(satoU0t 如果想限制输出电压如果想限制输出电压的大

21、小的大小,可以在输出端接可以在输出端接双向稳压管双向稳压管.0ouiuzUzUZD过零滞回比较器过零滞回比较器: : 在许多应用电路中在许多应用电路中,要求电压比较器的传输特性具有滞回特性。要求电压比较器的传输特性具有滞回特性。这样，在输入信号为变化缓慢的信号或信号幅值较小时，可以消这样，在输入信号为变化缓慢的信号或信号幅值较小时，可以消除由于干扰在输出电压中可能出现的颤动现象。除由于干扰在输出电压中可能出现的颤动现象。传输特性传输特性电路的构电路的构ouiufR1R2R3RfuuZD0ouiuzUzUthLuthHu电路电路特点特点 （1）输出端至反向输入端之间没有反馈通路，所以属）输出端至

22、反向输入端之间没有反馈通路，所以属于开环应用，输出电压必为高低两种电平。于开环应用，输出电压必为高低两种电平。 （2）R2和和Rf组成正反馈电路，只是为了加快电压比较组成正反馈电路，只是为了加快电压比较器状态的翻转过程，使电压传输特性变的更陡。器状态的翻转过程，使电压传输特性变的更陡。工作过程分析工作过程分析ouiufR1R2R3RfuuZD0:iuIfZoUu ZfthHiiURRRUuu22ZoUu0:iuIfZoUuZoZfthLiiUuURRRUuu 022 可见：输出电压的变化总是滞可见：输出电压的变化总是滞后于输入电压的变化，所以叫过零后于输入电压的变化，所以叫过零滞回比较器。滞回

23、比较器。0iutZfURRR 22ZfURRR 22ZUouZU0t有源滤波器有源滤波器 滤波器是一种选频电路滤波器是一种选频电路选出有用信号，选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。带通和带阻等。 将由将由RCRC组成的无源滤波器再接到运算放大组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器（因运放是有器的输入

24、端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到较大的改善：体积源器件），性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。小、效率高、频率特性好等。 在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波在此仅介绍有源低通滤波和有源高通滤波器器有源低通滤波器有源低通滤波器电路的组成电路的组成ouiufR1RCRCu工作原理工作原理RCjUUCjRCjUUiiC 111 URRUfo)1 (10111111jRRRCjRRUUffio RC10 称为截止角频率称为截止角频率001111)()()(jARCjRRjUjUjTuffio 称为电路的频率特性称为电路的频率特性200)(1| )(|)( ufAjTA

25、频率特性可分为幅频特性频率特性可分为幅频特性和相频特性如下：和相频特性如下：0arctan)( 画出其幅频特性为画出其幅频特性为| )(|jT|0ufA|210ufA00| )(|00ufAjT |21| )(|000ufAjT 0| )(| jTouiufR1RCRCu有源高通滤波器有源高通滤波器ouiufR1RCR工作原理工作原理RCjUUCjRRUUiiC111 URRUfo)1 (101111111jRRRCjRRUUffio RC10称为截止角频率称为截止角频率0011111)()()(jARCjRRjUjUjTuffio 称为电路的频率特性称为电路的频率特性200)(1| )(|)( ufAjTA频率特性可分为幅频特性频率特性可分为幅频特性和相频特性如下：和相频特性如下：0arctan)( 画出其幅频特性为画出其幅频特性为0| )(|0 j