电子技术-6运算放大器

第16章 集成运算放大器集成运算放大器的简单介绍运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用绪

论电路可分为两类：分立电路：由各种单个元件联结起来的电子电路集成电路：把整个电路的元件及相互之间的连接制作在一块半导体 上，组成的具有特定功能的电子电路特点：体积小、性能好集成电路按功能可分为模拟集成电路数字集成电路集成电路是将二极管、三极管和电阻电容等元件按照电路结构的要求，制作在一小块半导体材料上，形成一个完整的具有一定功能的电路，然后封装而成。集成电路是60年代后期，随着电子技术的发展而迅速发展起来的。使用集成电路和使用分立元件组装的电路相比，具有元件少、重量轻、体积小、性能好和省电等多项优点。所以电子产品的集成化已成为电子技术发展的必然趋向。16.1

集成运算放大器的简单介绍Auo

高:80dB~140dBro

低:几十

~几百一、集成运算放大器的特点集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻、低输出电阻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。rid高:105

~

1011KCMR高:70dB~130dB由于在集成电路工艺中难于集成L、C，所以多级放大电路都采用直接耦合。运放的输入级都采用差分放大电路。高阻值的电阻常用恒流源代替。二极管，大多采用晶体管发射结构成。二、集成运算放大器组成原理框图电压放大级输出级差分输入级u+u–uo输入级中间级输出级偏置电路输入级：采用差分放大电路:输入电阻高,能减小零点漂移和抑制干扰信号中间级：用于电压放大，一般采用多级放大电路。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般采用射极输出器构成。偏置电路：为各级提供合适的工作电流+UCCuo–UEEu+电路的简单说明：输入级中间级 输出级同相输入端输出端反相输入端u–三、集成运算放大器外形、管脚集成运放的符号uou+–

。u

。。Auo–

+++UCC–UEE8

7

6

5F0071

2

3

4集成运放的外形及管脚1脚：反向输入端4脚：负电源端，-15V3脚：同向输入端7脚：正电源端，+15V6脚：输出端1脚和5脚：外接调零电位器的两个端子8脚：空脚4、理想运算放大器及其分析依据1.在分析运放器时，一般将它看成是一个理想运算放大器，理想化的条件：Auo

，

rid

，ro

0

，

KCMR

o

i2.

电压传输特性

u

=f

(u

)线性区：uo

=

Auo(u+–

u–)非线性区：u+>u–时，uo

=+Uo(sat)u+<u–时，uo=–Uo(sat)+Uo(sat)uoo(sat)理想特性实际特性uou+u––

+++UCC–UEE线性区u+–

u–饱和区–UO理想运放器的两个重要特征：即u+≈u–,称“虚短”(1)由uo

=Auo(u+–u–)又由Auo

，而uo是一个有限的数值u即i+=i–

0,称“虚断”uo–uu+i––

∞++i+u+–

u–电压传输特性uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)OAuou

u

0

0+

-

-若u=0，则u

≈0，即u

电位接近于“地”，但并不接“地”，称为虚地(2)

因为rid

所以输入电流约等于0u+–

u–uo–Uo(sat)输出只有两种可能,+Uo(sat)

或–Uo(sat)当u+>u–时，uo

=+Uo(sat)当u+<u–时，uo

=–Uo(sat)不存在“虚短”现象i+=i–

0,仍存在“虚断”现象理想运放工作在饱和区的特点电压传输特性+Uo(sat)O饱和区1i1

RFif

ui

u

u

uoR(1)电路组成因虚短和虚断,所以u–=u+=0，因虚断，i+=

i–

=

0

，

所以

i1

ififi1i–i+uoRFR2R1+ui+––+–

+16.2

运算放大器在信号运算方面的运用一、比例运算1.反相比例运算：输入信号从反相输入端引入的运算因要求静态时u+、u–对地电阻相同，所以平衡电阻R2

=R1

//RF：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。②Auf只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。③|

Auf

|

可大于1，也可等于1

或小于1。④当R1=RF时，uo=-ui，Auf=-1，就是反相器。uo10KuiR++–

1K

1K1K例1：求电压放大倍数和Ri1Fo)uu

(1

RRi

1RuAuf

1

RF

uouoRFuiR2R1++––+–

+因虚短，所以u–=u+=ui平衡电阻：R2=R1//RFu+u–2、同相比例运算：输入信号从反相输入端引入的运算因虚断，所以u+=uiuf

o

i：①A

为正值，即u

与u

极性相同②Auf只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关③

Auf

≥1④u–=u+≠0

，反相输入端不存在“虚地”现象。当R1=∞(断开)或RF

=0时，有Auf=1,这就是电压跟随器(1)电路组成ifi1因虚断，i1=if1

FRR即0

u

01Ru

(1

RF

)u通式当R1=且RF

=0

时，uo

=ui，Auf

=1，称电压跟随器。RFuouiR2R1++––++–

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。ui+u+–o–+–

+o+––

+

+15kRL15k7.5k例：+15Vo1Ru

u

(1

RF

)u

7.5V二、加法运算电路1.

反相加法运算电路：反相输入端增加若干个输入的电路运算u故得

ui1

ui

2

oRi1

Ri

2

RF平衡电阻：R2=

Ri1//

Ri2

//

RFifRi1

Ri

2

RF因虚短,u–=u+=0ui1

u

ui

2

u

u

uoui2+uoui1ii2

Ri2ii1

Ri1+–

+R2RF

因虚断，i–

=0

所以

ii1+

ii2

=

if–

RFoi1i

2i1i

2u

)Ru

(

RF

uR2.

同相加法运算电路i1i1 i

2Ri

2uR

Ru

i2同理，u

单独作用时1o

RRu

(1

F

)uu

?i

2i

2i11ouR

R

R

(1

RF

)ui1

i

2Ri1i11Ri

2uR

R

R

(1

RF

))(i

2i1 i

2i1i1 i

21Fou

)Ri1Ri

2RR

Ru

R

R

Ru

(1

ui2uRFui1Ri2Ri1++–

R1+o–方法1:根据叠加原理ui1单独作用(ui2＝0)时，方法2：uo

(1

i

2i

2i1Ri1i1i1

i

2Ri

2uR

Ru

R

Ru

)uRR1Fu+)(i

2u

)i11

i1 i

2

i1 i

2FRi1Ri

2ou

(1

Ru

R

R

R

R

Ru+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。RFui1ui2Ri2平衡电阻：Ri1

//

Ri2

=

R1

//

RFRi1+–

+R1+uo–i

232R3uR

Ru

由虚短可得：u

u分析方法1：由虚断可得：

ui2uoRFui1R3R2++–

R1+–++–

–i11o i

2R如果取R1

=R2

，R3=RFR则：u

F

(u

u

)如R1

=R2

=R3

=RF则：u

u

uo i

2

i1输出与两个输入信号的差值成正比。平衡电阻：R2

//R3

=R1

//RFoi

2

i11

2

31R3Ru

(1

RF

)u

RF

uR

R

R1ui1FRR三、减法运算电路：两个输入端都有信号输入ifi11由

i

RRu1

(1

F

)uoi

21uR3R R2

R3

(1

RF

)1i

2

i1R31R R2

R3

(1

RF

)Ru

RF

uui11FouRRu

uo

uo

uoi2RFuR3u

R2+

++–R1+uo–+i1+––分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。(1)u

单独作用i1(2)

ui2

单独作用四、积分运算电路

CdtduRuF

C1

idu

odtF

CR

C1

Fo

iu

1

u

dt

CdtduF

Fi

C1i1Rui

if=?ifiuoCFR21

R1+ui+–––

+

+uC+

–由虚短及虚断性质可得i =i1

f-

+u

u

0若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则u

U

dtRC1i1

Foi1

FUtRC

uitO积分饱和线性积分时间–Uo(sat)uotO+

Uo(sat)ui

=Ui

>0ui

=

–Ui

<0Ui–UiuoCuiR1++–

R2

––

+

+F

RFifi1将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。电路的输出电压

11i

dt

)FF

1

(

R

iC1

(iu

dt

)1

Fi1Fu

R

CRRuo

(RFif

uC

)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。五、微分运算电路Fi1dtduR

uoCdtduiuo

RFC1ifi1

C1由虚短及虚断性质可得i1

=ifuiR2RF+uo+–––

++uituotOUiO–Ui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。Ru

du

idt11

C

iF

1i1

Fodt

dui

)RRu

R

Cu

(比例-微分运算电路

—PD调节器uo

RF

ifif

iR

iCiCC1uR2RF+i+u–o––

++i

R1ifR16.3

运放在信号处理方面的应用1、有源滤波器滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。优点：体积小、效率高、频率特性好。按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等1.有源低通滤波器0

1

1

1

RF1

j

R

R1

RFUi

1

jRCUi1UR

j

C

C

U

U

C设输入为正弦波信号,则有

j

1RU1

(1

RF

)Uo01RC式中

称为截止角频率故：oi+uoRFuCCR+–

+R1–++u––0iU

(j

)T

(j

)

Uo

(j

)

1

j

R11

RF若频率

为变量，则电路的传递函数01

j

uf0

A当

0时,0当

时,01

(

)2Auf0其模为：T

(j

)uf0T

(j

)

A当

时,

T

(j

)

2Auf0T(j

)

0幅频特性uf021A0|

Auf0

||

T(j)

|

O当

>0时，|

T(j)|

衰减很快显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。2.

有源高通滤波器（

）1

j

0jRCFR1Fo1

1

1

R11

RRUU

i1R

j

C

R

U

U

i

(1RU1o+uoRFR+R1

–

+–+ui

C–设输入为正弦波信号，则有故：1式中0

RC

称为截止角频率1

j

0Ui

(j

)T

(j

)

Uo

(j

)

R11

RF若频率为变量，则电路的传递函数1

j

0Auf0当

0时,当

时,1

(0

)2Auf0其模为：T

(j

)uf0T

(j

)

AT(j

)

00当

时,2T

(j

)

uf0A幅频特性可见，电路使频率大于0

的信号通过，而小于0

的信号被，称为有源高通滤波器。uf021A0uf0|

A

||

T(j)

|O3

电压比较器功能：用来比较输入信号与参考电压的大小。用途：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。运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：电压传输特性uou+–u––Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O1.

输出只有两种可能+Uo(sat)

或–Uo(sat)当u+>u－时，uo=+Uo(sat)当u+<u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象2.

i+=i－

0

仍存在“虚断”现象电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态(1)基本电压比较器uiuoOURURuoR2++–

R1+–+ui+–

–可见，在ui

=UR

处输出电压uo

发生跃变。阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。参考电压即ui<UR

时，uo

=+Uo(sat)即ui

>UR

时，uo

=–Uo(sat)当u+>u–时，uo=+Uo

(sat)当u+<u–时，uo=–Uo(sat)过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为UR+uoR2+–

+R1–+ui+––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoORU

=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OuitUROuot+Uo

(sat)O–Uo

(sat)t1

t2UR+uo+uiR2+–

+R1–+––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。输出带限幅的电压比较器当ui<UR

时，uo'=+Uo

(sat)当ui

>UR

时，uo'=–Uo

(sat)设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则：ui

<UR，uo

=UZui

>