chapter16集成运算放大器

1、 （b b）国内符号）国内符号 （c c）国际符号图）国际符号图 4-1 4-1 集成运算放大器方框图和符号集成运算放大器方框图和符号 (1) (1) 集成运放的总体结构集成运放的总体结构 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。Auo 高: 80dB140dBrid 高: 105 1011ro 低: 几十 几百KCMR高: 70dB130dBuo+Auou+u。 。+UCCUEE+UCCUEEuu+输入级中间级 输出级同相输入端输出端反相输入端 输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：要

2、求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。 输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。16.1.3 主要参数主要参数1. 最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压 UIO4. 输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流 IIB16.1.4 理想集成运算放

3、大器理想集成运算放大器1. 运放的电压传输特性：运放的电压传输特性：设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的Aod=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Aod 时，线性区时，线性区0VVuuA+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想运算放大器：理想运算放大器：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：理想运放工作在线性区的条

4、件： 电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法：虚短（虚短（u+=u-）虚断（虚断（ii+=ii-=0）3. 线性区线性区(放大区放大区)uu+A+RiiRuu+ffoi11Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR uo = Auo( (u+ u)4. 非线性区（正、负饱和状态）非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论VVuuA+io+10V-10V+Uom-Uom0uoui1

5、6.2.1 比例运算电路比例运算电路一一. 反相比例运算反相比例运算虚地点虚地点i1=if （虚断）（虚断）因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断u+ =0 u=u+=0（虚地）（虚地）反馈方式：反馈方式：电压并联负反馈电压并联负反馈uu+A+RiiRuu+ffoi11电压放大倍数电压放大倍数:1fioRRuuAfo1iRuRu 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的应用例题例题1. R1=10k , Rf=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo 、Ri。说明说明R0的作用，的作用， R0应为多大？应为多大？特点：特点：共模输入电

6、压共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：缺点：输入电阻小（输入电阻小（ Ri=R1） R0为平衡电阻为平衡电阻(使输使输入端对地的静态电阻入端对地的静态电阻相等相等):R0=R1/Rfuu+A+RiiRuu+ffoi110R210201fuRRAV2) 1)(2(iuouAu1iRR 二二. 同相比例运算电路同相比例运算电路u-= u+= uii1=if （虚断）虚断）平衡电阻平衡电阻R=Rf/R1foi1i0RuuRu 因为有负反馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断利用虚短和虚断反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈电压串联负反馈uu+A+ouu+fiRf1iR1Ri特点：特点：输入电阻高输入电阻高

7、缺点：缺点：共模输入电压共模输入电压0（u=u+=ui）电压放大倍数电压放大倍数:1fio1RRuuA负载电流的大小负载电流的大小与负载无关与负载无关11LRuii 负载浮地的电压负载浮地的电压-电流的转换电路电流的转换电路流过电流表的电流流过电流表的电流1xGRUI 1iRu Au=1三三.电压跟随器电压跟随器此电路是同相比此电路是同相比例运算的特殊情况，例运算的特殊情况，输入电阻大，输出输入电阻大，输出电阻小。电阻小。在电路中在电路中作用与分立元件的作用与分立元件的射极输出器相同，射极输出器相同，但是电压跟随性能但是电压跟随性能好。好。uuo+uA+uiui=u+= u-= uo因为有负反

8、馈，因为有负反馈，利用虚短和虚断：利用虚短和虚断： 由运放构成的电压跟 随器输入电阻高、输出 电阻低，其跟随性能比 射极输出器更好。uoui+uo+15kRL15k+15V 7.5k例：1. 反相加法器：反相加法器：若若R1 =R2 =R, 平衡电阻平衡电阻R0= R1/ R2/Rf0 uui1 + i2= if16.2.2 加法运算电路加法运算电路uuu0u2RAfofRi2+i+i2uR+i1Ri11虚地虚地fo2i21i1RuRuRu )(i22fi11fouRRuRRu )(i2i1fouuRRu 2. 同相求和运算：同相求和运算：当当R1 = R2 = Rf = R时时, uuuuR

9、i1RRf+i1A+ofiu+i2R12uu+A+ouu+fifRRRii112i2111i212)()(uRRRuRRRu of21i1i21212(1)()()uRRRuAuuuRRRRR 2ioi1uuu 同相比例运算同相比例运算: uRRu)1(fo16.2.3 减法运算电路减法运算电路1、利用加法器和反相比例器、利用加法器和反相比例器)(OA2fi11fuRRuRRuo i11fi22fi22fi11f)(uRRuRRuRRuRRuo uuu0fuuRi1RRoiA+1+R2fAR+uu+Ri2uOA/2R叠加原理叠加原理2、差动减法器、差动减法器 ui1作用作用i11fuRRuo

10、ui2作用作用i22331f)1(uRRRRRuo 综合：综合：i22331fi11f)1(uRRRRRuRRuo 231fRRRR 若若uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2uuuu3Rf+i1+12RRoARuuuR+ufA+o1RR2i2R+3uuui1+f+R3uAuRoR1+R2i2)(i1i21fuuRRuo 则有：则有：电路如图所示，已知 ui=1V，当电位器的滑动端从A点移到B点时，输出电压 uO的变化范围。-RR+-uOui ABRP+1-1 VL4L2ZOR106RRU UmA6 . 0K10V6RUII2Z2RL图中所示为恒流源电路，各参数如图中所标，已知稳压管工作

11、在稳压状态1)指出电路中采用的反馈类型2）求输出电压Uo的表达式3)试求负载电阻RL中的电流IL解:Ruii 虚地虚地tiCuud1CCO 16.2.4 积分电路积分电路tuRCd1i uu+oiiAC+iR1RCuC oiF1o-d10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt 反相积分器：反相积分器：如果如果u i=直流电压直流电压,输出将反相积分，经输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间积分时间设设Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1 FtuRCud1io tuRCi1 求积到饱和值的时间：求积

12、到饱和值的时间：MiOM1TuRCU s05. 0iOMM uRCUT5、在图（、在图（a）所示电路中，已知输入电压）所示电路中，已知输入电压uI的波形的波形如图（如图（b）所示，当）所示，当t0时时uO0。试画出输出电压。试画出输出电压uO的波形。的波形。若若t0时时uO0，则，则t5ms时时uO10055103V2.5V。当当t15mS时时uO100(5)10103（2.5）V2.5V。因此输出波形如图所示因此输出波形如图所示 将比例运算和积分运算结合在一起，就组成uoCFuiR2R1+RFifi1电路的输出电压 )d1(1F1FtiCiR)d1(iF1i1F tuCRuRR)(fFoCu

13、iRu 上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分 这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。16.2.5 微分电路：微分电路：u-= u+= 0Riu OdtduCiiC Cii dtduRCuio uuo1CRAi+R+iiC上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分 控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。fFoiRu CRfiii tuCRuddi11i )dd(i1Fi1FotuCRuRRu uoC1uiR2RF+R1i

14、fiRiC)90sin( tRC tRCuo cos tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio 90uuo1CRAi+R+iiC1. 1. 运放工作在非线性状态运放工作在非线性状态电路开环或引入正反馈。电路开环或引入正反馈。2. 2. 运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析方法： 若若U+U- 则则UO=+UOM； 若若U+U- 则则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOM16.3.3 16.3.3 比较器比较器uoui0+UOM

15、-UOM1. 过零比较器过零比较器: （门限电平（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM一一. .单门限电压比较器单门限电压比较器uuu-+ui+OA+uu-u+iOu+Atuituo+Uom-Uom例题：利用电压比例题：利用电压比较器将正弦波变为较器将正弦波变为方波。方波。uuu-+ui+OA+电压传输特性2. 单门限比较器（与参考电压比较）单门限比较器（与参考电压比较）阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+R1+可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。参考电压uitOUROuot +Uo m Uo mt1t2 当 ui 单方向变化时

16、， uo 只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性uiuoOURui UR，uo=+ Uomui 0时时 , uo = -UZ当当ui 0时时 , uo = +UZ 二二. 迟滞比较器迟滞比较器1.工作原理工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。（1）当）当uo =+UZ时，时，（2）当）当uo =-UZ时，时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T REFZURRRURRRUuf2ff22T UT+称上门限电压称上门限电压UT-称下门限电压称下门限电压UT+- UT-称为回差电压称为回差电压uuuA+R

17、-Zu+DO+fuRZiREFR1R2迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui , 当当ui = UT+时时, uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2例题：例题：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入当输入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：V82ff2f2T RZURRRURRRUV22ff2f2T RZURRRURRRUuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R22V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2 选用元件选用元件 消消 振振 调调 零零 保保 护护 扩大输出电