第3章 集成运算放大器

1、123456 CE1C1RB1RB2RERC+UccuO+uI+uO1uI2CE2C3RB1RB2RE2RC2C27 ,省去省去RB2。 RB1RC1RS+UCCRC2RLUsuO+uI+RB289uOtO ui=0uO+ +10变化缓慢变化缓慢11RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2uouI2-+uI2-+uI12无信号、无温度影响时：无信号、无温度影响时： 无信号、无信号、受温度影响后：受温度影响后：Ta iC1、iC2 uC1= uC2 uC1、uC2uO= uC1- uC2 uO=UCQ1 - UCQ20ICQ1ICQ2uI2uI1uO-UEERET2T1RC1RC

2、2+UCCRB1RB2 =(UCQ1 - uC1)-()-( UCQ2- uC2) )013ICQ1ICQ2uI2uI1uO-UEEReT2T1RC1RC2+UCCRB1RB214实验六、差分放大电路实验六、差分放大电路( (无输入无输入) ) EDA实验实验15EDA实验实验差分放大电路（无输入信号）差分放大电路（无输入信号）16EDA实验实验结结 论论:实验数据：实验数据：温度温度270C7. 108V7. 108 V0V温度温度800C7. 045V7. 045V0V17 uC1 iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2 uouI2-+ui2-+uI输入端有差

3、别输入端有差别输出才有变动输出才有变动18iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2uouI2-+uI2-+uIbeCIOdrRuuA 19uIRaRbUbaT2T1+UCCRCRCRBRB-UEEREuo怎么办？怎么办？RL+UCCRB2RCRB1 20T2T1+UCCRCRCRBRB-UEEREuOuI21uO1uIuO2-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB222uI-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2 +uO-23RaRbU ba差分放差分放大电路大电路横风横风风速风速模拟电模拟电信号信号消除干扰、消除干扰、噪声、漂噪声、漂移移物理变物理变

4、化量化量24RaRbU baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEEREuo25归纳归纳 2627 集成电路集成电路 优点：优点：28模拟集成：模拟集成：集成运算放大器、集成功率放集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等大器、集成稳压电源等数字集成：数字集成：集成门电路、集成触发器集成门电路、集成触发器29偏置电路偏置电路输输入入级级中中间间级级输输出出级级输入端输入端输出端输出端303115V负电源负电源10k调零电位器调零电位器41567231k输出端输出端15V正电源正电源同相输入端同相输入端反相输入端反相输入端32反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端 从外部看从外

5、部看, ,是一个是一个双端输入、单端输双端输入、单端输出的差动放大电路出的差动放大电路+_+ u+ u- uOA_+ u+ u- uO331.1.开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Auo2. 共模抑制比共模抑制比 KCMRR越大越好越大越好KCMR =差模差模Ad共模共模AC u u uO+_+344.开环输出电阻开环输出电阻 rO3.3.开环输入电阻开环输入电阻rid(差模输入电阻差模输入电阻 ) 5.输入失调电压输入失调电压 Uio u uO=0+_+35uo UOm高电平高电平uo UOm低电平低电平UCCUEE电压传输特性电压传输特性uOui=u - uO线性线性区区非线非线性区性区3

6、66.最大输出电压最大输出电压 UOPP37 u u uo+_+ 38 ii0 即即: iI0 u+ u- 即即u+ u-0iI u u uo+_+rid 394041集成运放应用电路的分类集成运放应用电路的分类 单限电压比较器单限电压比较器滞回电压比较器滞回电压比较器非正弦波发生器非正弦波发生器有源滤波有源滤波低通低通高通高通带通带通带阻带阻运算电路运算电路比例运算比例运算反相反相同相同相加减运算加减运算积分运算积分运算微分运算微分运算对数和指数运算对数和指数运算乘除运算乘除运算反馈网络反馈网络 uO u u+_+42加减运算加减运算 ui多路输入反相端多路输入反相端反相求和反相求和 ui多

7、路输入同相端多路输入同相端同相求和同相求和 ui多路输入两输入端多路输入两输入端加减法加减法43UCCUEE电压传输特性电压传输特性uOui=u - uO线性线性区区4412uI+_+RFR2R1uO+F12/RRR FAFAA11f 45 ii0 即即: iI0 u+ u- 即即u+ u-0iI u u uO+_+rid 复习复习46根据根据 u- = u+ = 0 , “虚地虚地”。根据根据i+ = i- =iI =0 ， 则则: i1 = iF+iI iF。1I1I1RuRuui 1FIOufRRuuA FOFOfRuRuui I1FOuRRu 故故 电压放大倍数：电压放大倍数：12uI

8、+_+RFR2R1uO+iFi1iI47解：解：11fiOf RRuuA5VuAuifO12uI+_+RFR2R1uO+iFi1iI510501FfRRA当当RF=R1时时称为反相器。称为反相器。48uI+uO+iFi1iI12+_+RFR2R1F12/RRR 根据根据 u- = u+ = 0 , i+ = i- =iI =0 ， 则则:u = uuI i1 iF49iFi1uI+uO+iI12+_+RFR2R11i11RuRui FIOF-OfRuuRuui I1FO)1(uRRu 故故电压放大倍数：电压放大倍数：1Fuf1RRA 501IOuf uuA同相比例电路电压放大倍数：同相比例电路

9、电压放大倍数：同相比例电路特例同相比例电路特例电压跟随器当当R1= (断开断开) 或或 RF = 0 时时uI+uO+_+与分立元件的射极输出器相比：与分立元件的射极输出器相比：1Fuf1RRA 51实验七实验七 反相比例运算电路反相比例运算电路EDA实验实验52EDA实验实验反相比例运算电路反相比例运算电路53：输出电压输出电压（mV V）输入与输输入与输出关系出关系可变电阻可变电阻100k35%-350.0可变电阻可变电阻100k95%-950IfOuRRu EDA实验实验54FRRRRR/3214uO+ uI3 uI2 uI1RFR1R3R2+_+R41255iFiIuO+ uI3 uI

10、2 uI1i1i2i3根据根据 u- = u+ , i+ = i- =iI =0 ， 则则:u = u 0, i1+i2+i3 iFRFR1R3R2+_+R4123I332I221I11Rui ,Rui ,RuifO321fRuiiii )uRRuRRuRR()Rii(iRiuI33FI22FI11FF321FFO当：当：321RRR时：时：)(3I2I1I1fOuuuRRu 56iFiIuO+ uI3 uI2 uI1i1i2i3RFR1R3R2+_+R412解：解：6.5VV)8 . 0()1(5 . 01050)(3I2I1I1fO uuuRRu57运算放大器的串级应用运算放大器的串级应用

11、解题思路解题思路R3RF2+_+A1+_+A2R1R2R4RF1 uI1 uI2uO1uO2+求输出电压求输出电压uO。1.1.先判别先判别A1、A2电路电路。2.2.按顺序（信号流经），先算按顺序（信号流经），先算A1的的uO1。3.3.其做为其做为A2的的uI2，再对，再对A2进行运算进行运算。4.4.uO里含有与里含有与uI1、uI2的运算关系的运算关系。58例例3-3-3已知：已知： R1=R3 =50k,R2=10k,10k,R4=R5, RF1= 10k，RF2= 500k， ui1= 30mV， ui2= 50mV。试计算试计算: :输出电压输出电压uO2。解：解：R4RF2+_

12、+A1+_+A2R2R3R5RF1 uI1 uI2uO1uO2+mV61i1F1O1 uRRu0.2V200mV)u50500u10500()uRRuRR(ui2O1I23F2O12F2O2R159F1O1111i11)(RRuuuRiuuii i23232uRRRu 1 i1Fi23231FO)R1 (uRRuRRRRu 两个输入端两个输入端都输入信号都输入信号 uI1 uI2uO+根据根据 :u = u 0, i1=i2 01 i1Fi2323223OuRRuRRRRRRu )uu(RRuRRuRRu1i2i1F1i1Fi223O )uu(RRu1i2i1FO 12R1R3+_+RFR26

13、0例例3-3-4已知：已知： R1=R2=4k,k,R3= RF= 20k，RF1= 500k， ui1= 1.5V， ui2= 1V。试计算试计算: :输出电压输出电压uO。解：解： uI1 uI2uO+12R1R3+_+RFR2-2.5V1.5)V-(1420)(1i2i1FO uuRRu61根据根据 u- = u+ = 0 , “虚地虚地”。根据根据i+ = i- =iI =0 ， 则则: i1 = iF+iI iF1I1I1RuRuui 12+_+R2R1uI+uO+iFi1iICF将反相输入运算电将反相输入运算电路中路中RF用用CF代替代替 电容上电压等电容上电压等于其电流的积分于其

14、电流的积分1I1FCRuiiiOOCuuuudtRuC1dtiC1u1IFCFO dtuRCuI1FO11.1.uO与与uI成积分关系成积分关系622.2.应用应用 tURCuI1FO1 ttOOuIuOttOOuOuI63例例3-3-5已知：已知： R1=1M,CF=1F, , U1= 1V， 试计算试计算: :t=0,0.02s,0.6s,1s时的时的输出电压输出电压uO各为多少？各为多少？解：解：iFi1uI+12+_+R2R1iICFuO+ R1CF=110610-6=1s当当t=0 0时：时： uO=0V当当t=t=0.6s时：时：uO=-0.6V；当；当t=1s时：时：uO=-1V

15、。当当t=0.02s时：时：V2 . 0112 . 01I1FO tURCu64iFi1iI12+_+R2R1CFuI+uO+将反相比例运算电将反相比例运算电路中路中R1用用CF代替代替根据根据 u- = u+ = 0 , “虚地虚地”。根据根据i+ = i- =iI =0 ， 则则: i1 = iF+iI iFdtduCdt)ud(uCiIFIF1FOFO-FRuRuui dtduCRuIF1O1.1.uO与与uI成微分关系成微分关系65测震仪用于测量物体振动的不同物理量。测震仪用于测量物体振动的不同物理量。 vdtx位位移移dtdv 加加速速度度dtdxv 速速度度66 iFi1iI12+

16、_+R2R1RFuI+uO+1I1I1RuRuui tdtiCRiu0FFFFO)1( tdtuRCRRu0i1FF1i)1()(1F1FIORCtRRuu 67iFi1iI12+_+R2R1RFuI+uO+)(1F1FIORCtRRUu ttOOuOuII1FURR- I1FOURRu 68i1uIi+_+R1D1D2D4D3 1I1Rui 69同相输入式同相输入式Z1FO)1 (URRU 反相输入式反相输入式Z1FOURRU UZ-+UO+-+USRR1DZR2RF +-+USRR1R2DZ +-UO+-UZ-+70同相输入式同相输入式反相输入式反相输入式UZ-+UO+-+USRR1DZR

17、2RF +-+USRR1R2DZ +-UO+-UZ-+71S1FFURRU UF+-USR1R2RF +-反相输入式反相输入式SF1FFF1FFS1FFFFL)(URRRRRRRRURRR/RUI FS1FLRURRI 恒定电压恒定电压72USR1 +-UF+-同相输入式同相输入式FSFFLRURUI 7374仅由无源元件仅由无源元件R、C、L组成。组成。 不仅有无源元件，也有有源元件（晶体管、场不仅有无源元件，也有有源元件（晶体管、场效应、集成运放）。效应、集成运放）。CFRFR1R2+_+uIuO75CFRFR1R2+_+1FIORRUU FFFFF1CRjRjX/RZC 对直流信号：对直

18、流信号：对交流信号：对交流信号：FF1F1FiOf11CRjRRRZUUAu 低通滤波器低通滤波器低频成份顺低频成份顺利通过，高频成份受到衰减。利通过，高频成份受到衰减。uIuO76对交流信号：对交流信号：FF1F1FiOf11CRjRRRZUUAu f0OfufAufOAufO21A截止频率：截止频率：FF0O12CRf FFO21CRf 低通滤波器的幅频特性低通滤波器的幅频特性CFRFR1R2+_+uiuO7778例例3-3-6已知：已知： R1=100k,RF/CF=5, , f0=10Hz。试计算试计算: : RF及及CF。解：解：iFi1uI+12+_+R2R1iICFuO+F0.0

19、32F100320F1050010212163F0F .RfCRF=5R1=500k 79 在控制系统中，为了驱动执行机构（记录仪、继在控制系统中，为了驱动执行机构（记录仪、继电器），需将电器），需将80RL做做为负反馈电阻。为负反馈电阻。 uIi1iL根据根据 u- = u+ = uI , i1 = iL1IL1Ruii 负载无接地端负载无接地端,电路改接为电路改接为负反馈负反馈RLR1+_+R1R2RF+_+正反馈正反馈81FO-F1I1RuuiRuui )11(323O23OLRRuRuRuRuui F11OFIRRRuRuu 因iL=i3-i21ILRui 231FRRRR 若若 负反

20、馈负反馈R1R2RF+_+i1iFiLi3正反馈正反馈82IFFFOiRRiu uIiFi1+_+RFR2R1uO根据根据 u- = u+ = 0 , i1 = iF8384uI1uI2uOiRABuO1uO2RR1_+A2_+A1R1R4R4MR2R2R3R3_+A385)(21 (1I2I123uuRRRR uI1uI2uOiRABuO1uO2R1R2R_+A2R1R4R4MR2R3R3_+A3_+A1根据根据 u- = u+ = uI 2II12OO1uuuu )(1O2O23OuuRRu )(21(1I2I123OuuRRRRu )(21()2(2I2I12112I1I12O1OuuR

21、RRRRuu)RR(iuuR 86uOiRABuO1uO2R1R2R_+A2R1R4R4MR2R3R3_+A3_+A1uI1uI2 )(21(1I2I123OuuRRRRu 0)(21(1I2I123O uuRRRRu87 输入阻抗输入阻抗104M、输出阻抗、输出阻抗0.1、共模共模抑制比抑制比100db。88数字式温度计电路R1R2Rw+UCCDuO1R4R5RW2uO2 测量范围：测量范围：-50+1500C；分辩率；分辩率0.10C测量电桥测量电桥+_+A2+_+A18990反馈网络反馈网络 uO uR uI+_+_+ uI uR uO概述概述91uo UOm高电平高电平uo UOm低电

22、平低电平UCCUEE电压传输特性电压传输特性uOui=u - uO线性线性区区非线非线性区性区复习复习92 u+ u- UCCUEEuOu- uO电压传输特性电压传输特性93( (一一) )概述概述2.2.用途用途 uO uR uI+_+一、比较器一、比较器1.1.电路功能电路功能94单限比较器单限比较器滞回比较器滞回比较器窗口比较器窗口比较器R2R1 uO uR uI+_+ uIRR1R2 uO UZDZ+_+ uI URL UHLR2R1DZ uOD1D2 uO2 uO1+_+A1+_+A295 UR0参考量参考量 UR=0模拟量模拟量 uI数字量数字量 uO反相输入式反相输入式R2R1+

23、_+96阈值电压阈值电压UR参考量参考量 UR=0模拟量模拟量 uI数字量数字量 uOR2R1+_+97O uI+ +UOS- -UOSURuO从一个电从一个电平跃变为另一个电平跃变为另一个电平的平的 临界条件临界条件参考量参考量 UR=0模拟量模拟量 uI数字量数字量 uOR2R1+_+98画电压传输特性三要素画电压传输特性三要素O uI+ +UOS- -UOS99讨论讨论Ot uI- -UOS+ +UOSOt uO参考量参考量 UR=0模拟量模拟量 uI数字量数字量 uOR2R1+_+O uI+ +UOS- -UOS100实验八实验八 过零电压比较器过零电压比较器EDA实验实验101EDA

24、实验实验过零电压比较器102EDA实验实验实验数据：实验数据：1032.2.一般单限比较器一般单限比较器阈值阈值电压电压O uO uI+UOSUR-UOS UR uI uOR2R1+_+104uO=UOS， 输出电压幅度决定输出电压幅度决定 以以UR为参照为参照画波形思路画波形思路Ot uOUROt uI+UOSt1t2t3UOS105t1t2+UOSOt uIOt uOOt uO-UOS+UOS-UOS（三）滞回比较器（三）滞回比较器抗干抗干扰能力差。扰能力差。 uO在阈值电压附近微小变在阈值电压附近微小变化，都引起化，都引起uO跳变。跳变。当当uI UR 时时，uO=-UOS 低电平低电平

25、1061.1.电路构成电路构成（1 1）未加参考电压）未加参考电压UR时时 R2R1 U+1 U+2两个门限电压两个门限电压不是同时产生不是同时产生!R uO uI+_+107（1 1）不加参考电压的滞回比较器）不加参考电压的滞回比较器阈值电压：阈值电压： th1OH2121UURRRu O uO uIUth1Uth22.2.工作原理工作原理th2OL2122UURRRu R2R1R uO uI+_+ U+1 U+2108l当当uI从小于从小于Uth1开始增大时开始增大时：+Uth1， uO保持保持高电平高电平保持保持低电平低电平阈值阈值电压变为电压变为Uth2l当当从大于从大于Uth2方向减

26、小时方向减小时： Uth2， uO保持保持低电平低电平 Uth2， uO保持保持高电平高电平阈值阈值电压为电压为Uth1=+Uth1 ， uO 跳变跳变 Uth2， uO 跳变跳变讨论讨论R2R1R uO uI+_+ Uth1 Uth2109l当当uI从足够高开始减小时：从足够高开始减小时：l当当uI从足够低开始增大时：从足够低开始增大时：曲线方向曲线方向性分析性分析O uO uIUth1+UOHUOLUth2讨论讨论110lab uI从足够低开始增大时：从足够低开始增大时：lb c uI从足够高开始减小时：从足够高开始减小时：lc d uI从足够低开始增大时：从足够低开始增大时：Uth2Ut

27、h1t1t2UOHOt uIOt uOOt uOUOLUOHUOLabcd111共同作用叠加共同作用叠加 uO uIR1(2)(2)加参考电压加参考电压UR时时 +_+ Uth1 Uth2 URR2OH212R2111thURRRURRRU 阈值电压：阈值电压： OL212R212th1URRRURRRU 112要判断要判断ui是否在两个给定电平之间，怎么办呢是否在两个给定电平之间，怎么办呢 ？窗口比较器窗口比较器单限比较器单限比较器O uO uI+UZUT滞回比较器滞回比较器+UZO uO uIUT1UZUT2O uO uIUOHUOL113传感器传感器温度温度环境环境温度温度大电路大电路信

28、号放信号放电压电压信号信号物理变物理变化量化量比较比较器器参考量参考量警电路警电路声光报声光报（四）实际电路举例（四）实际电路举例实用电路举例一实用电路举例一火灾报警电路火灾报警电路114火灾报警电路火灾报警电路-Ucc+Ucc-Ucc A1R1R1R2R2 A2R3R4R6T蜂鸣器蜂鸣器R5D差分放大电路差分放大电路电压比较电路电压比较电路 声光报警电路声光报警电路温度传温度传感器感器1温度传温度传感器感器2uI2uI1uO1uO2115火灾报警电路火灾报警电路一般单限比较器一般单限比较器 UCC在在R4 4上的分压上的分压-Ucc+Ucc-Ucc A1R1R1R2R2 A2R3R4R6T蜂

29、鸣器蜂鸣器R5D差分放大电路差分放大电路电压比较电路电压比较电路 声光报警电路声光报警电路温度传温度传感器感器1温度传温度传感器感器2uI2uI1uO1uO2116恒温控制系统框图恒温控制系统框图控控制制器器执执行行器器加热或加热或降温降温与设定与设定值比较值比较受控对象受控对象传传感感器器测量测量放大放大实用电路举例二实用电路举例二117恒温控制系统恒温控制系统原理图原理图118热敏热敏电阻电阻119功率功率放大放大滞回滞回比较比较1201.1.用途用途2.2.工作原理工作原理电压比较器电压比较器归纳归纳121(2)(2)滞回电压比较器滞回电压比较器3.3.种类种类(1)(1)简单电压比较器

30、（单限）简单电压比较器（单限）单限比较器单限比较器O uO uI+UZUth滞回比较器滞回比较器+UZO uO uIUth1UZUth2122二、方波发生器二、方波发生器 滞回电压比较器滞回电压比较器RC电路电路 UZDZ（一）电路组成（一）电路组成RF uO uC( u-)+R3+_+UB+R1R2C123阈值电压：阈值电压：Z2121thB1URRRUU Z2122thB2URRRUU uCUB uO=-UZ 为负值为负值 uC UBuO=+UZ 为正值为正值（二）工作原理及波形分析（二）工作原理及波形分析 uO UZDZRF uC( u-)+R3+_+UB+R1R2C124 1.1.接通

31、电源瞬间，假设接通电源瞬间，假设uO高电平高电平UZ时时阈值电平为阈值电平为Uth1，uC=0。+UZ初始暂态时，初始暂态时，uC=0稳态时，稳态时，uC +UZi充充Ot uCOt uOUth1+UZ-UZ 当当uC Uth1时时， uO跳变为跳变为-UZ。 Uth1 uO UZDZRFR3+_+UB+R1R2C uC( u-)+125 uO UZDZRFR3+_+UB+R1R2C uC( u-)+ 2.2.此时，此时，uO低电平低电平-UZ，UB=Uth2，uC=+uC，周而复始，产生自激振荡周而复始，产生自激振荡。 当当uCUTH2时时，uO=-UZ保持不变。保持不变。当当uC UTH2时时，uO跳变