第7章集成运算放大器

1、集成运算放大器基础知识集成运算放大器基础知识7.2 理想集成运算放大器理想集成运算放大器运算放大器的线性应用运算放大器的线性应用运算放大器的非线性应用运算放大器的非线性应用集成运算放大器集成运算放大器7.1 集成运放简介集成运放简介集成运算放大器概述 集成运算放大器的主要参数7.1.3 集成运算放大器的保护把整个电路的各个元件以及相互之把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。不可分的整体。体积小、外部接线少、功耗低、体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。可靠性高、灵活性高、价格低。 具

2、有很高开环电压放大倍数具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测的直接耦合放大器。用于模拟运算、信号处理、测量技术、自动控制等领域。量技术、自动控制等领域。输入级：输入级： 差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。差动放大器，减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：输出级： 射极输出器或互补对称功率放大器，提高射极输出器或互补对称功率放大器，提高 带载能力。带载能力。偏置电路：偏置电路： 为各级提供稳定、合适的静态工作点。为各级提供稳定、合适的静态工作点。偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间级输出级输出级中间级：中间级： 电压放大。电压放大。 集成运放的外形有双列直插式

3、、扁平式和圆壳集成运放的外形有双列直插式、扁平式和圆壳式式3种，如图所示。种，如图所示。 常见集成运算放大器的外形常见集成运算放大器的外形 2. . 输入失调电压输入失调电压 U IO及其温漂及其温漂dU IO/dT3. . 输入失调电流输入失调电流 IIO及其温漂及其温漂dI IO/dT1. . 开环差模电压增益开环差模电压增益 Aud4. .差模输入电阻差模输入电阻 r id)dB(lg20cdCMRooAAK5. .共模抑制比共模抑制比 KCMR6. . 最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdm7. .最大共模输入电压最大共模输入电压 UICm1. .输入保护输入保护 b）同相输入保护

4、图7-4 输入保护 a）反相输入保护2. .电源极性保护电源极性保护 uI1 uO uI2 VCC VEE VD1 VD2 图 7-5 电源极性错接保护 uI uO RF R2 VS1 VS2 图 7-6 集成运放输出保护 R1 R 3. .输出保护输出保护7.2 理想集成运理想集成运算放大器算放大器7.2.1 理想集成运算放大器的技术指标理想集成运算放大器的技术指标7.2.2 集成运算放大器的工作区集成运算放大器的工作区odA idr0o r CMRK 在分析运算放大器的电在分析运算放大器的电路时，一般把路时，一般把运算放大器看运算放大器看成理想元件。成理想元件。+ u+uuoHf0)( u

5、u 相当于两输入端之间相当于两输入端之间, 但又未真正短路，故但又未真正短路，故称称 “” 。 相当于两输入端之间相当于两输入端之间，但又未真正断路，故，但又未真正断路，故称称 “”。2. i+= i = 0 1. u+= u,而而uo是有限值是有限值,运放开环输入电阻运放开环输入电阻 idr 由于由于故从式故从式,可知可知 duA)(dO uuAuu+ u+uuoii+ 理想运放工作在非线性区的特点理想运放工作在非线性区的特点 （1）理想运放的输出电压）理想运放的输出电压 的值的值 当当 时，时， 当当 时，时， 在非线性区，在非线性区， “虚短虚短”现象不复存在。现象不复存在。uuomoU

6、uomoUuou （2）理想运放的输入电流等于零）理想运放的输入电流等于零 在非线性区，虽然运放两个输入端的电压不等，即在非线性区，虽然运放两个输入端的电压不等，即 ，但因为理想运放的但因为理想运放的 =，故仍认为此时的输入电流等于零，故仍认为此时的输入电流等于零，即，即 可见，可见，“虚断虚断”在非线性区仍然成立。在非线性区仍然成立。 uuidr0iiuu uO UOm UOm 非线性区 非线性区 u+u 线性区 理想特性 实际特性 o 图7-8 集成运放的传输特性7.3 集成运算放集成运算放大器的线性应用大器的线性应用7.3.1 比例运算电路比例运算电路7.3.2 加法运算电路加法运算电路

7、7.3.3 减法运算电路减法运算电路7.3.4 积分微分电路积分微分电路（1）反相比例运算电路0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地fFORiu 1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡电阻平衡电阻f1/RRR IOuu f1RR 若若则则iFR1Rfi1uIR + uou+u-（ 根据运放工作在线性区的两条分析根据运放工作在线性区的两条分析依据可知：依据可知：fii 1，iuuu而而Fo1i110RuuiRuRuif，由此可得：由此可得：i1Fo1uRRu输出电压与输入电压的相位相同。输出电压与输入电压的相位相同。为提高电路的对称性，平衡电阻为提高电路

8、的对称性，平衡电阻F12/RRR 闭环电压放大倍数：闭环电压放大倍数：1Fi0uf1ARRUU 可见同相比例运算电路可见同相比例运算电路的电压放大倍数的电压放大倍数，而且而且。R1iFRfi1uIR2+ uou+u-OFufI11uRAuR R1iFRfi1uIR2+ uou+u-上式表明：输出电压与输入电压上式表明：输出电压与输入电压之间也存在着比例运算关系，且之间也存在着比例运算关系，且输出电压与输入电压输出电压与输入电压。 电压跟随器电压跟随器IOuu 当当R1 = ，Rf = 0 时时uI+ uo 在集成运放的反相输入端增加若干个输入信号组成的电路，就构成了反相加法运算电路，如图所示

9、。iFR1Rfi1uI1R uI2+ uou+u-i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)R = R1 / R2 / Rf平衡电阻平衡电阻111RuiII222RuiII221121RuRuiiRuiIIIIFoF7.3.2 加法运算电路加法运算电路R2 在集成运放的两个输入端都加上输入信号，就构成了减法运算电路 ，如图所示 。iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+ uou+u-1-I11Ruui323I2RRRuuu F1ii 整理可得整理可得I11fI23231fo)1(uRRuRRRRRu fO

10、-FRuui )(I1I21fOuuRRu 当当21RR 时，时，3fRR 和和 输出电压与输入电压的差值成正比例，从而能进行减法运算。输出电压与输入电压的差值成正比例，从而能进行减法运算。 7.3.3 减法运算电路减法运算电路由于反相输入端虚地，且 ii，由图可得：CRiiRuiiR，dtduCdtduCiCoC由此可得：dtuRCui1o输出电压与输入电压对时间的积分成正比。若 ui为恒定电压 U，则输出电压 uo为：1 iCRCiRuIR + uou+u-7.3.4 积分和微分积分和微分电路电路如果如果在开始积分之前，电容两端已经存在一个初始电压，则积分电在开始积分之前，电容两端已经存在

11、一个初始电压，则积分电路将有一个初始的输出电压路将有一个初始的输出电压 ，此时，此时 )0(d1OIOUtuRCu例例: 利用积分电路将方波变成三角波。利用积分电路将方波变成三角波。10 k 10 nF 时间常数时间常数 = R1Cf = 0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 设设 uC(0) = 0tutd51 . 01o1 . 00ms1 . 0 = 5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/vt/ms5d)5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0 tut= 5 V5 5R1CfuIR + uo2 iCRCiRuIR + uou+u-+uI0Uuo0

12、t当当uI为阶跃电压时，为阶跃电压时， uo为尖脉冲电压。为尖脉冲电压。 7.4 集成运算放大集成运算放大器的非线性应用器的非线性应用7.4.1 单限电压比较器单限电压比较器7.4.2 滞回比较器滞回比较器 当运放工作于当运放工作于或或的工作状态时，运的工作状态时，运放工作在放工作在区。区。 运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术运放的非线性特性在自动控制系统和数字技术中有广泛应用。中有广泛应用。 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，并用输出电压不同的两种状态参考电压进行比较，并用输出电压不同的两种状态来表示比较结果。来表示比较结

13、果。R1R2ui+ uo+UREF+ui UREF当当ui UREF时时， uO = UOMui UREF时时， uo = +UOMui = UREF时时， uO 发生跃变发生跃变uoiuoUREF电压传输特性电压传输特性当参考电压当参考电压UREF=0时，时，称为过零比较器。称为过零比较器。若若ui为正弦波，画出为正弦波，画出uo的波形。的波形。uootoiutoiutuoot 在输出端与反相输入端接一个双向稳压管在输出端与反相输入端接一个双向稳压管 ，即可把输出电压限制在某一特定值。即可把输出电压限制在某一特定值。uoiuoR1R2ui+ uo+DZ当当ui 0时时， uO = UZui

14、0 时时， uO = +UZ7.4.2滞回比较器滞回比较器 滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电滞回比较器是一种能判断出两种状态的开关电路，广泛应用于自动控制电路中。路，广泛应用于自动控制电路中。 UT- UT+ +UZ RF -UZ RZ R1 R2 UREF uI VDZ 0 uO uI uO A （a）电路图）电路图 （b）传输特性）传输特性图图7-12 滞回比较器滞回比较器若若u uoU UZ Z，当，当uI逐渐增大使逐渐增大使uo从从UZ跳变为跳变为UZ所需的所需的上门限电平用上门限电平用UT+表示，则表示，则ZF22REFF2FTURRRURRRU若若u uo- -U UZ Z

15、，当，当uI逐渐减小使逐渐减小使uo从从UZ跳变为跳变为UZ所需的所需的下门限电平用下门限电平用UT-表示，则表示，则ZF22REFF2FTURRRURRRU上述两个门限电平之差称为门限宽度或回差，用符号上述两个门限电平之差称为门限宽度或回差，用符号U UT T表示，由以上两式可求得表示，由以上两式可求得 ZF22TTT2URRRUUU滞回电压比较器可用于矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦滞回电压比较器可用于矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦波信号产生电路，也可用于波形变换电路。用于控制系统时，波信号产生电路，也可用于波形变换电路。用于控制系统时，滞回电压比较器的主要优点是抗干扰能力强。在输入信号上升滞回电压比较器的主要优点是抗干扰能力强。在输入信号上升和下降的过程中