电工与电子技术基础第2版课件第9章

9.1集成运算放大器简介运算放大器是一种放大倍数很高且可以放大直流信号的多级直接耦合放大器，简称运放。将运算放大电路中的二极管、三极管、电阻、电容和导线集中制作在一小块硅片上，封装成为一个整体的电子器件，称为集成电路（IC）。

运算放大器；功率放大器；高、中频放大器；稳压器等。集成电路按功能分类模拟集成电路数字集成电路组合逻辑电路时序逻辑电路9.1集成运算放大器简介运算放大器是一种19.1.1集成运算放大器的组成

集成运算放大器有二个输入端IN–、IN+和一个输出端OUT。标有“－”的输入端，称为反相输入端，输出端信号与该端输入信号相位相反；标有“＋”的输入端，称为同相输入端，输出端信号与该端输入信号相位相同。图形符号和内部电路如下图9-1集成运放的图形符号IN–IN+∞–++OUT图9-2集成运放的内部电路框图U–U++–Uo输入级偏置电路中间级输出级+–++––9.1.1集成运算放大器的组成集成运算放大器有二个输29.1.2运算放大器的主要参数和工作特点

(1)开环(差模)电压放大倍数Auo衡量运算精度的参数。Auo越高，精度越高。集成运放的Auo值可达几万至几十万。(2)开环差模输入电阻rid衡量从信号源取用电流大小的参数。rid愈大，取用电流越小。rid一般在几十千欧以上。

图9-3运算放大器的Auo、rid、roridAuo–+U–U+UO+–(U+-U-)Auoro1.集成运算放大器的主要参数

9.1.2运算放大器的主要参数和工作特点(1)3

(3)开环输出电阻ro衡量带负载能力的参数。ro越小，带负载能力越强。一般为几百欧。(4)共模抑制比KCMR衡量抑制干扰信号能力的参数。KCMR越大，抑制干扰的能力愈强。一般运放的KCMR达几十万以上。(5)最大输出峰－峰电压UOPP指运放加上标称电源电压、输出端开路时，运算放大器能输出的基本上不失真的最大峰值电压。UOPP一般为电源电压的±70％左右。(3)开环输出电阻ro衡量带负载能力的参数。41.集成运算放大器的工作特点(1)运放在线性工作时的特点(工作在负反馈时)

1)因rid很大，故I+、I–很小可认为近似等于零。两输入端可视断路，称为“虚断”，即

ii＝0（9-1）2)由于开环放大倍数Auo很高，(U+–U－)的电位差很小，两输入端可视为短路，称为“虚短”，即

U+–U－=0

(9-2)1.集成运算放大器的工作特点5(2)运放在非线性工作时的特点集成运放在非线性工作时Uo≠Auo·(U+–U－)因Auo很大，只要U+–U－≠0，Uo就会达到＋VOH或－VOL。1)当U＋>U－时，Uo=＋VOH，或＋VCC的70%；2)当U＋<U－时，Uo=―VOL或－VEE的70%。其电压传输特性Uo=f(U+–U－)，如图9-4所示。U+―U–(mV)理想特性实际特性OUo(V)+VOH―VOL

图9-4运算放大器的电压传输特性(2)运放在非线性工作时的特点U+―U–(mV)理想特性实际69.1基本运算放大电路9.2.1反相比例运算电路由“虚断”得Ii＝0，则U＋=IiR2=0，故由“虚短”得

U＋≈U－=0于是I1=IF图9-5反相比例运算电路∞–++UiR1UORFR2I1IF当RF=R1时，UO=–Ui，称反相器。9.1基本运算放大电路图9-5反相比例运算电路∞–+79.2.2同相比例运算电路由运放的线性工作特点可知U－≈U＋=Ui

Ii＝0则I1＝IF当RF=0时，Auf=1，称电压跟随器，如图9-6b。图9-6同相比例运算电路∞–++UiR1UORFR2I1IFa)∞–++UiUOR2b)9.2.2同相比例运算电路当RF=0时，Auf=1，称电压跟8当R11=R12=R1时当R11=R12=RF时UO=–(Ui1+Ui2)图9-7加法运算电路∞–++Ui2R12UORFR2I12IFUi1R11I119.2.3加减运算电路1.加法运算电路IF=I11+I12当R11=R12=R1时图9-7加法运算电路∞–++Ui92.减法运算电路

U–≈U＋＝

＝

Uo＝（1＋）Ui2–Ui1若RF＝R1＝R2＝R3时，Uo＝Ui2－Ui1图9-8减法运算电路∞–++Ui2R1UORFR2I1IFUi1R3由I–＝I＋得当R1=R2、RF=R3时，2.减法运算电路U–≈U＋＝＝Uo＝（1＋109.3电压比较器9.3.1电平比较器该电路工作在开环状态当Ui＜UT时，Uo输出高电平＋VOH；当Ui＞UT时，Uo输出低电平－VOL。在UT处出现由＋VOH跳变为－VOL或由－VOL跳变为＋VOH。Uo

+VOH

图9-10电平比较器∞–++UiRUOOUiUT–VOL

UTa)电路b)电压传输特性9.3电压比较器当Ui＜UT时，Uo输出高电平＋112.过零电压比较器电路工作在开环状态当Ui＜0V时，电压比较器输出高电平；当Ui＞0V时，电压比较器输出低电平。当Ui由负值变为正值时，Uo由+VOH跳变为-VOL；当Ui由正值变为负值时，Uo由-VOL跳变为+VOH。

Uo

+VOH

图9-11过零电压比较器∞–++UiRUOOUiUT=0V–VOL

UT=0V(a)电路(b)传输特性2.过零电压比较器电路工作在开环状态当Ui＜0V时12图9-12有限幅的过零电压比较器3.有限幅的过零电压比较器∞–++UiRUOUT=0V(a)电路VS∞–++UiRUOUT=0V(c)电路OUiUT=0V–VZ

(b)传输特性Uo+VZUo

+VZ

OUiUT=0V–VZ

(d)传输特性VSRR1)反相输入2)同相输入图9-12有限幅的过零电压比较器3.有限幅的过零电压比13Uo

+VOH

图9-14滞回电压比较器∞–++UiR1UOOUiUTL–VOL

URa)电路b)电压传输特性R2UTH9.3.2滞回电压比较器该电路工作在正反馈状态Uo+VOH图9-14滞回电压比较器∞–++UiR114

当Ui由0V开始增加，Uo为＋VOH，此时IN＋端的电压为UTH，称为上限电压，其电压为

在Ui＜UTH时，Uo=＋VOH，UTH不变，输出保持＋VOH。当Ui＞UTH时，Uo由＋VOH跳变为－VOL，此时U＋由UTH变为UTL，称下限电压

可见，当Ui上升到Ui＞UTH时，输出－VOL，参考电压为UTL。当Ui下降到Ui＜UTL时，输出Uo从－VOL跳变为＋VOH。则参考电压又从UTL跳变到UTH。

当Ui由0V开始增加，Uo为＋VOH，此时I159.4振荡电路9.4.1振荡电路原理振荡条件：1.振幅平衡条件，即≥12.相位平衡条件，即F=i正弦波振荡时，还必须有选频电路，如RC、LC元件等。

放大电路反馈电路FAUFUoUi放大电路CLAUFUoUi图9-17振荡电路的框图图9-18LC正弦振荡电路的构成选频电路9.4振荡电路振荡条件：1.振幅平衡条件，即169.4.2RC振荡电路++––UiUoR1R2C2C1图9-19

RC串并联电路1.RC串并联电路的选频特性9.4.2RC振荡电路++––UiUoR1R2C2C1图17当信号的频率f足够低时，1/ωC1>>R1，1/ωC2>>R2，因此可得到低频等效电路和相量图如图9-20a、b所示。可见uo超前ui接近90º，且uo为很低。随着ui频率的增高，uo增高，且uo超前ui角度减小。

图9-20低频等效电路

++–uiR2C1ia)电路b)相量图uo–≈90°I·UR2=Uo··UC·Ui·当信号的频率f足够低时，1/ωC1>>R1，1/ωC18当信号的频率足够高时，1/ωC1<<R1，1/ωC2<<R2，因此可得到高频等效电路和相量图，如图9-21a、b所示。可见uo滞后ui接近90º，且uo仍很低。随着ui频率的降低，uo增高，且uo滞后ui角度减小。图9-21高频等效电路

++–uiR1C2ia)电路b)相量图uo–≈90°I·UR1·Ui··UC2=Uo·当信号的频率足够高时，1/ωC1<<R1，119

当f由0∞时，uo与ui的由90º到－90º，则必有一频率fo

，=0，且Uo最大。分析得

常取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C。此时输出电压U2o与输入电压Ui的有效值关系为当f由0∞时，uo与ui的由90º到－90º201+=3，满足振幅平衡条件。f

＝时，Uo与U+同相，满足相位平衡条件。图9-22RC正弦波振荡电路

RRCC∞–++UOR1RF(2)RF、R1作负反馈，保证Auf=为此，常采用改变RF/R1来实现稳幅。可选择负温度系数的热敏电阻作RF或选择正温度系数的热敏电阻作R1，实现稳幅。2.RC正弦波振荡电路(1)RC串并联电路作正反馈。当(3)为稳幅，集成运放的Auf必须由大于3变到等于3。1+=3，满足振幅平衡条件。f＝211.RC充放电电路9.4.3方波振荡电路图9-23

RC充放电电路(a)电路UOuRuCituCiuRUOuRuCituCiuR–URCS+12U–++––uRuCi(1)充电过程设S在2时uC=0V，S由2到1后各电量的变化为(b)充电波形(c)放电波形1.RC充放电电路9.4.3方波振荡电路图9-2322

(2)放电过程S在1时，uC=U，S由1到2后各电量的变化为

(3)充放电规律1)电路中各物理量的变化规律都按指数规律变化；2)变化快慢由充电电路的时间常数决定。

τ=RC

从一种稳态到另一种稳态时间一般为t=(3~5)τ

(2)放电过程S在1时，uC=U，S由1到223图9-24

方波振荡电路

C∞–++UOR2R1uC(a)电路+–RUTuCOOUott+UTH

-UTL+VoH

–VoL

(b)波形+VoH

–VoL

2.方波振荡电路图9-24方波振荡电路C∞–++UOR2R1uC(a)电24

此时＋VOH经电阻R对C充电，uC由0V开始逐渐升高，到uc≥UTH时，Uo由＋VOH跳变为－VOL，则下限电压UTL为

因UO=－VOL，uc由UTH经R放电并对C反向充电，当uc下降到uc≤－UTL时，UO又从－VOL跳变为+VOH，C又进行充电，如此循环，UO为一方波电压。

设Uo=+VOH，则上限电压UTH为此时＋VOH经电阻R对C充电，uC由0V开259.1集成运算放大器简介运算放大器是一种放大倍数很高且可以放大直流信号的多级直接耦合放大器，简称运放。将运算放大电路中的二极管、三极管、电阻、电容和导线集中制作在一小块硅片上，封装成为一个整体的电子器件，称为集成电路（IC）。

运算放大器；功率放大器；高、中频放大器；稳压器等。集成电路按功能分类模拟集成电路数字集成电路组合逻辑电路时序逻辑电路9.1集成运算放大器简介运算放大器是一种269.1.1集成运算放大器的组成

集成运算放大器有二个输入端IN–、IN+和一个输出端OUT。标有“－”的输入端，称为反相输入端，输出端信号与该端输入信号相位相反；标有“＋”的输入端，称为同相输入端，输出端信号与该端输入信号相位相同。图形符号和内部电路如下图9-1集成运放的图形符号IN–IN+∞–++OUT图9-2集成运放的内部电路框图U–U++–Uo输入级偏置电路中间级输出级+–++––9.1.1集成运算放大器的组成集成运算放大器有二个输279.1.2运算放大器的主要参数和工作特点

(1)开环(差模)电压放大倍数Auo衡量运算精度的参数。Auo越高，精度越高。集成运放的Auo值可达几万至几十万。(2)开环差模输入电阻rid衡量从信号源取用电流大小的参数。rid愈大，取用电流越小。rid一般在几十千欧以上。

图9-3运算放大器的Auo、rid、roridAuo–+U–U+UO+–(U+-U-)Auoro1.集成运算放大器的主要参数

9.1.2运算放大器的主要参数和工作特点(1)28

(3)开环输出电阻ro衡量带负载能力的参数。ro越小，带负载能力越强。一般为几百欧。(4)共模抑制比KCMR衡量抑制干扰信号能力的参数。KCMR越大，抑制干扰的能力愈强。一般运放的KCMR达几十万以上。(5)最大输出峰－峰电压UOPP指运放加上标称电源电压、输出端开路时，运算放大器能输出的基本上不失真的最大峰值电压。UOPP一般为电源电压的±70％左右。(3)开环输出电阻ro衡量带负载能力的参数。291.集成运算放大器的工作特点(1)运放在线性工作时的特点(工作在负反馈时)

1)因rid很大，故I+、I–很小可认为近似等于零。两输入端可视断路，称为“虚断”，即

ii＝0（9-1）2)由于开环放大倍数Auo很高，(U+–U－)的电位差很小，两输入端可视为短路，称为“虚短”，即

U+–U－=0

(9-2)1.集成运算放大器的工作特点30(2)运放在非线性工作时的特点集成运放在非线性工作时Uo≠Auo·(U+–U－)因Auo很大，只要U+–U－≠0，Uo就会达到＋VOH或－VOL。1)当U＋>U－时，Uo=＋VOH，或＋VCC的70%；2)当U＋<U－时，Uo=―VOL或－VEE的70%。其电压传输特性Uo=f(U+–U－)，如图9-4所示。U+―U–(mV)理想特性实际特性OUo(V)+VOH―VOL

图9-4运算放大器的电压传输特性(2)运放在非线性工作时的特点U+―U–(mV)理想特性实际319.1基本运算放大电路9.2.1反相比例运算电路由“虚断”得Ii＝0，则U＋=IiR2=0，故由“虚短”得

U＋≈U－=0于是I1=IF图9-5反相比例运算电路∞–++UiR1UORFR2I1IF当RF=R1时，UO=–Ui，称反相器。9.1基本运算放大电路图9-5反相比例运算电路∞–+329.2.2同相比例运算电路由运放的线性工作特点可知U－≈U＋=Ui

Ii＝0则I1＝IF当RF=0时，Auf=1，称电压跟随器，如图9-6b。图9-6同相比例运算电路∞–++UiR1UORFR2I1IFa)∞–++UiUOR2b)9.2.2同相比例运算电路当RF=0时，Auf=1，称电压跟33当R11=R12=R1时当R11=R12=RF时UO=–(Ui1+Ui2)图9-7加法运算电路∞–++Ui2R12UORFR2I12IFUi1R11I119.2.3加减运算电路1.加法运算电路IF=I11+I12当R11=R12=R1时图9-7加法运算电路∞–++Ui342.减法运算电路

U–≈U＋＝

＝

Uo＝（1＋）Ui2–Ui1若RF＝R1＝R2＝R3时，Uo＝Ui2－Ui1图9-8减法运算电路∞–++Ui2R1UORFR2I1IFUi1R3由I–＝I＋得当R1=R2、RF=R3时，2.减法运算电路U–≈U＋＝＝Uo＝（1＋359.3电压比较器9.3.1电平比较器该电路工作在开环状态当Ui＜UT时，Uo输出高电平＋VOH；当Ui＞UT时，Uo输出低电平－VOL。在UT处出现由＋VOH跳变为－VOL或由－VOL跳变为＋VOH。Uo

+VOH

图9-10电平比较器∞–++UiRUOOUiUT–VOL

UTa)电路b)电压传输特性9.3电压比较器当Ui＜UT时，Uo输出高电平＋362.过零电压比较器电路工作在开环状态当Ui＜0V时，电压比较器输出高电平；当Ui＞0V时，电压比较器输出低电平。当Ui由负值变为正值时，Uo由+VOH跳变为-VOL；当Ui由正值变为负值时，Uo由-VOL跳变为+VOH。

Uo

+VOH

图9-11过零电压比较器∞–++UiRUOOUiUT=0V–VOL

UT=0V(a)电路(b)传输特性2.过零电压比较器电路工作在开环状态当Ui＜0V时37图9-12有限幅的过零电压比较器3.有限幅的过零电压比较器∞–++UiRUOUT=0V(a)电路VS∞–++UiRUOUT=0V(c)电路OUiUT=0V–VZ

(b)传输特性Uo+VZUo

+VZ

OUiUT=0V–VZ

(d)传输特性VSRR1)反相输入2)同相输入图9-12有限幅的过零电压比较器3.有限幅的过零电压比38Uo

+VOH

图9-14滞回电压比较器∞–++UiR1UOOUiUTL–VOL

URa)电路b)电压传输特性R2UTH9.3.2滞回电压比较器该电路工作在正反馈状态Uo+VOH图9-14滞回电压比较器∞–++UiR139

当Ui由0V开始增加，Uo为＋VOH，此时IN＋端的电压为UTH，称为上限电压，其电压为

在Ui＜UTH时，Uo=＋VOH，UTH不变，输出保持＋VOH。当Ui＞UTH时，Uo由＋VOH跳变为－VOL，此时U＋由UTH变为UTL，称下限电压

可见，当Ui上升到Ui＞UTH时，输出－VOL，参考电压为UTL。当Ui下降到Ui＜UTL时，输出Uo从－VOL跳变为＋VOH。则参考电压又从UTL跳变到UTH。

当Ui由0V开始增加，Uo为＋VOH，此时I409.4振荡电路9.4.1振荡电路原理振荡条件：1.振幅平衡条件，即≥12.相位平衡条件，即F=i正弦波振荡时，还必须有选频电路，如RC、LC元件等。

放大电路反馈电路FAUFUoUi放大电路CLAUFUoUi图9-17振荡电路的框图图9-18LC正弦振荡电路的构成选频电路9.4振荡电路振荡条件：1.振幅平衡条件，即419.4.2RC振荡电路++––UiUoR1R2C2C1图9-19

RC串并联电路1.RC串并联电路的选频特性9.4.2RC振荡电路++––UiUoR1R2C2C1图42当信号的频率f足够低时，1/ωC1>>R1，1/ωC2>>R2，因此可得到低频等效电路和相量图如图9-20a、b所示。可见uo超前ui接近90º，且uo为很低。随着ui频率的增高，uo增高，且uo超前ui角度减小。

图9-20低频等效电路

++–uiR2C1ia)电路b)相量图uo–≈90°I·UR2=Uo··UC·Ui·当信号的频率f足够低时，1/ωC1>>R1，1/ωC43当信号的频率足够高时，1/ωC1<<R1，1/ωC2<<R2，因此可得到高频等效电路和相量图，如图9-21a、b所示。可见uo滞后ui接近90º，且uo仍很低。随着ui频率的降低，uo增高，且uo滞后ui角度减小。图9-21高频等效电路

++–uiR1C2ia)电路b)相量图uo–≈90°I·UR1·Ui··UC2=Uo·当信号的频率足够高时，1/ωC1<<R1，144

当f由0∞时，uo与ui的由90º到－90º，则必有一频率fo

，=0，且Uo最大。分析得

常取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C。此时输出电压U2o与输入电压Ui的有效值关系为当f由0∞时，