《电子技术》(吕国泰版) 第3章 集成运算放大器

1第三章集成运算放大器电子技术第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数第一节差分放大电路第三章集成运算放大器第三节运算放大器的线性应用第四节运算放大器的非线性应用第五节运算放大器的选用及使用注意问题第一节差分放大电路一、直接耦合方式二、差分放大电路5一、直接耦合方式耦合——级与级之间的连接方式。阻容耦合直接耦合变压器耦合耦合方式光电耦合输出端输入端A1AnA2

多级放大电路——选择多个基本放大电路，合理连接。第一节差分放大电路6

优点：各级直流状态独立，设计调试方便。缺点：①不利于集成化：C容量大,制做困难。②低频特性差：C对变化缓慢的低频信号容抗大，低频信号大部分衰减在C上，不向后级传递。1.阻容耦合方式CE1C1RB1RB2RERCT1+UccuO–+uI–+uO1uI2CE2C3R'B1R'B2RE2RC2T2C2第一节差分放大电路72.直接耦合方式

T2的基极电阻为T1的RC1,省去RB2。T1和T2的直流相互流通。

RB1RC1RS+UCCRC2RLT1T2UsuO–+uI–+前级输出端直接接到后级输入端。RB2第一节差分放大电路8

优点：①低频特性好：可放大变化缓慢的信号。②利于集成化：没有大容量C，易于集成。缺点：①各级直流状态相互影响，设计调试不便。②存在温度漂移（零点漂移）现象。第一节差分放大电路9

uOtO3.零点漂移现象

（1）零点漂移现象：输入信号为零时，输出电压不为零,且缓慢变化(偏离初始值)的现象。

ui=0–+直接耦合放大电路mVuO–+

对于阻容耦合:电容对漂移信号容抗大，漂移被隔在本级，不被放大。对于直接耦合:使漂移信号逐级被放大。第一节差分放大电路10

（3）危害：当漂移电压和信号电压频率相近时（变化缓慢），难以分辨，有用信号被淹没。（4）抑制方法：直流反馈：Q点稳定电路差分放大电路（2）产生原因：温度影响、管子老化，电源电压波动。

主要是温度变化引起半导体器件参数的变化，导致Q点的变化。第一节差分放大电路11T1T2

电路对称双端输入—双端输出接法公用发射极电阻RE（一）电路组成二、差分放大电路RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2＋uo－uI2-+uI2-+uI＋－

双电源

——

UCC一定时，RE过大，使ICQ过小，Q点偏低，接入电源UEE补偿直流压降。第一节差分放大电路121.抑制零漂原理无信号、无温度影响时：

无信号、受温度影响后：

（1）电路对称性，使每管零漂电压在输出相互抵消。

Ta∆iC1、∆iC2

∆uC1=∆uC2

∆uC1、∆uC2uO=∆uC1-∆uC2

uO=UCQ1-UCQ2＝0ICQ1ICQ2(二)工作原理uI2uI1＋uO－-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2讨论有无输出电压？漂移电压在输出端如何抵消？

=(UCQ1-∆uC1)-(

UCQ2-∆uC2)＝0第一节差分放大电路13（2）公用RE对零漂电压有很强的负反馈。

uE＝2∆iC1RE讨论如果电路不对称怎么办？RE对漂移电压为何有负反馈？ICQ1ICQ2uI2uI1＋uO－-UEEReT2T1RC1RC2+UCCRB1RB2

共模信号——大小相等，方向相同的信号。零漂电压折合到输入端，相当两管输入端加共模信号。

RE也称共模反馈电阻。

第一节差分放大电路14实验六、差分放大电路(无输入)

实验目的：差分放大电路抑制零漂的原理。建立电路：1.双端输入—双端输出接法。

2.无输入信号状态。EDA实验

链接EDA6实验步骤：1.用电压表分别测量T1、T2的C极输出电压uC1与uC2

。2.测量无温度影响时差分放大电路的输出电压

uo=UCQ1-UCQ2=0。3.测量受温度影响后差分放大电路的输出电压

uo=∆uC1-∆uC2=0

。第一节差分放大电路15EDA实验差分放大电路（无输入信号）第一节差分放大电路16EDA实验

结论:

实验数据：uC1uC2uo温度270C7.108V7.108V0V温度800C7.045V7.045V0V1.无温度影响时，差放的输出电压为零。2.受温度影响后，每管的输出电压减小了，但差放的输出电压仍为零。第一节差分放大电路17iC1

uC1

2.对有用信号的放大作用

差模信号——大小相等，方向相反的信号。iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2∴∆

uO＝∆

uC1

－(－∆

uC2)

＝2∆

uC1

讨论差模信号有输出吗？

（1）采用差模输入方式

另一管iC2

uC2

＋uo－uI2-+ui2-+uI＋－输入端有差别输出才有变动第一节差分放大电路18（2）公用RE无负反馈作用

经RE

的iC的增量和减量抵消，RE上无差模信号电压。讨论RE对有用信号有负反馈吗？

iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2＋uo－uI2-+uI2-+uI＋－

双入—双出差动电路的放大能力只相当单管的放大能力。差模放大倍数第一节差分放大电路19＋uI－思考题RaRbU＋－baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uo－怎么办？RL+UCCRB2RCRB1

如果双端输出差分电路后面要接输入有一端接地的放大电路，而双端输出没有接地端。20（三）输入、输出方式零漂小，广泛应用。信号源和负载不能接“地”端。双入单出单入双出单入单出双入双出1.双端输入—双端输出T2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uO－＋uI－第一节差分放大电路21

静态时输出端直流电位不为零。无法利用电路的对称性抑制零漂。仅靠RE负反馈作用。2.双端输入—单端输出

用于将差模信号转换为单端输出信号，以便与负载和后级放大器有公共端接“地”。uO1＋－uI＋－uO2＋－-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2第一节差分放大电路223.单端输入—双端输出uI＋－-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2+uO-

信号源有一端接“地”,用于将单端输入信号转换为单端输出信号，作为下一级差放的差模输入信号。4.单端输入—单端输出

输入、输出信号都有一端接“地”。第一节差分放大电路23RaRbU＋－ba差分放大电路（四）应用举例横风传感器横风风速模拟电信号消除干扰、噪声、漂移物理变化量电路信号处理横风传感器电路框图第一节差分放大电路24第一节差分放大电路RaRbU＋－baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uo－横风传感器信号处理电路横风传感器电路25归纳3.抑制零点漂移的最好方法：差分放大电路。1.直接耦合放大电路的零点漂移现象：输入信号为零时，输出电压不为零,且缓慢变化。

2.零点漂移主要原因：晶体管的温漂导致Q

点的变化。4.差分放大电路工作原理。5.差分放大电路的四种接法：根据输入端和输出端接地情况不同。第一节差分放大电路第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数二、集成运算放大器的符号二、主要参数三、电压传输特性四、理想运算放大器27集成电路简介1.什么是集成电路

集成电路——集元器件、电路、系统为一体的新型电子器件。

优点：体积小、功耗低、可靠性高、成本低。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数282.分类

集成运算放大器就是模拟集成电路的基础电路模拟集成：集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源等数字集成：集成门电路、集成触发器集成运算放大器的概念1.什么是集成运算放大器高增益多级直接耦合放大器

初期，用于信号的数字运算。目前，应用于信号的产生、放大、交换、处理、测量等。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数29偏置电路输入级中间级输出级输入端输出端2.电路的框图及组成

第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数30

结论：集成运放具有电压放大倍数大，输入电阻高（几百千欧），输出电阻低（几百欧），零漂小等优点。中间级——进行电压放大，要求电压放大倍数大，采用共射电路。输出级——要求Ro小，带负载能力强。供给负载较大功率，采用互补对称的射极输出器。偏置电路——建立Q点，采用恒流源电路。输入级——要求减少零点漂移，提高Ri，采用差分放大电路。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数31第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数管脚功能－15V负电源10kΩ调零电位器41567231kΩ输出端＋15V正电源同相输入端反相输入端一、集成运算放大器的符号32反相输入端同相输入端输出端反相输入端与输出端反相同相输入端与输出端同相

从外部看,是一个双端输入、单端输出的差动放大电路

∞+_+

u+

u-

uOA_+

u+

u-

uO符号第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数331.开环电压放大倍数

Auo2.共模抑制比KCMRR二、主要参数运放F007的AO约为100db(105倍)。无外加反馈时，差模放大倍数越大越好

为了综合考察对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力，引入新参数。KCMR=差模Ad共模AC运放F007的

KCMRR约为80db

u+

u-

uO∞+_+第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数344.开环输出电阻rO3.开环输入电阻rid(差模输入电阻

)

rid越大，从信号源流入的电流越小。精度越高，运放F007的rid约为1~2MΩ。rO越小，运放带负载能力越强。精度越高，运放F007的rO约为500Ω。5.输入失调电压Uio

由于差分放大电路的不对称，输入电压为零时，输出电压不为零。静态时保证输出电压为0的补偿电压加一理想电压源，几毫伏级

uIO

uO=0∞+_+第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数35三、电压传输特性1.线性区

uo与ui成线性关系

uo＝Auo(u+－u-)2.非线性区（饱和区）uo

与ui不是线性关系uo有两种可能uo＝＋UOm

高电平uo＝－UOm

低电平＋UCC－UEE电压传输特性uOui=u+-u-O线性区因Auo=∞ui很小，要加负反馈不加反馈，或加正反馈第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数非线性区366.最大输出电压UOPP

失真不超过允许值时的最大输出电压，一般用峰－峰值表示，也称为动态输出范围。运放F007的UOPP约为±12~±13V。第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数37集成运放的理想化条件:③开环输出电阻

rO→0。①开环电压放大倍数AuO→∞。②差模输入电阻rid→∞。④共模抑制比KCMRR→∞。四、理想运算放大器

u+

u-

uO∞+_+

集成运放可视为一个理想电压放大器

uO＝AuO(u+－u-)

第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数382.“虚断”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0

因rid=∞,iI近似为零。1.“虚短”的概念

u+

＝u-

即u+

－u-＝0线性区分析依据iI

因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，

ui很小即可产生uO。

u+

u-

uO∞+_+rid

运用两个重要依据，可大大简化运放电路的分析第二节运算放大器的电压传输特性和主要参数第三节运算放大器的线性应用一、反相输入运算电路二、同相输入比例运算电路三、加法运算电路四、减法运算电路五、积分运算电路六、微分运算电路七、PI调节器八、交流电压表电路九、电压源和电流源十、有源低通滤波器十一、电流、电压转换电路十二、精密放大电路41集成运放应用电路的分类

有无外加反馈，组成不同功能的应用电路引入负反馈不加反馈单限电压比较器加正反馈滞回电压比较器非正弦波发生器有源滤波低通高通带通带阻运算电路比例运算反相同相加减运算积分运算微分运算对数和指数运算乘除运算反馈网络负反馈应用开环应用正反馈应用

uO

u+

u-∞+_+第三节运算放大器的线性应用42加减运算

ui多路输入反相端——反相求和

ui多路输入同相端——同相求和

ui多路输入两输入端——加减法二、三极管比例运算

ui反相端入——反相比例

ui同相端入——同相比例电容C电阻R负反馈元件微分运算——

R换C积分运算——RF换成C对数运算指数运算→组合运算

乘法器

幂运算

除法运算取决于反馈元件的性质第三节运算放大器的线性应用43第三节运算放大器的线性应用

运放的线性应用主要实现各种模拟信号的比例、加减、微分、积分、对数、指数等运算，以及有源滤波、信号检测、采样保持等。用途十分广泛。

线性区

uo与ui成线性关系

uo＝Auo(u+－u-)＋UCC－UEE电压传输特性uOui=u+-u-O线性区因Auo=∞ui很小，要加负反馈44一、反相输入运算电路从反相输入端输入信号12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+加平衡电阻R2（补偿电阻）。为使输入级两差分放大管对称,负反馈电阻深度负反馈

放大倍数取决于反馈网络，与基本放大电路无关什么负反馈？电压并联负反馈？第三节运算放大器的线性应用452.“虚断”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0

因rid=∞,iI近似为零。1.“虚短”的概念

u+

＝u-

即u+

－u-＝0线性区分析依据iI

因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，

ui很小即可产生uO。

u+

u-

uO∞+_+rid

运用两个重要依据，可大大简化运放电路的分析第三节运算放大器的线性应用复习46从反相输入端输入信号根据u-=u+=0,“虚地”。根据i+=i-

=iI=0，则:i1=iF+iI≈iF。电压放大倍数：12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+iFi1iI负号表示uO与ui反相第三节运算放大器的线性应用47[例3-3-1]已知：

R1=10kΩ,RF=50kΩ，若ui=-1V，试计算:输出电压uO。解：第三节运算放大器的线性应用12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+iFi1iI48uI–+uO–+iFi1iI12∞+_+RFR2R1二、同相输入运算电路从同相输入端输入信号加平衡电阻R2（补偿电阻）。根据u-=u+=0,i+=i-

=iI=0，则:u+=u-≈uIi1

≈

iF什么负反馈？电压并联负反馈第三节运算放大器的线性应用49iFi1uI–+uO–+iI12∞+_+RFR2R1从同相输入端输入信号电压放大倍数：uO与uI同相第三节运算放大器的线性应用50同相比例电路电压放大倍数：同相比例电路特例电压跟随器当R1=∞(断开)或RF=0时uI–+uO–+∞+_+与分立元件的射极输出器相比：4.具有良好的电压跟随和隔离作用。1.电压放大倍数Auf=1。2.输入电阻高。3.输出电阻低。第三节运算放大器的线性应用51实验七反相比例运算电路实验目的：集成运放的运算功能。建立电路：1.取一个理想的运放、电阻、可变电阻组成反相比例运算电路

2.同相输入端接地。

3.反相输入端接2V电压。实验步骤：1.观察输出电压和输入电压的大小。EDA实验2.调整可变电阻的大小，再观察两者电压。

链接EDA7第三节运算放大器的线性应用52EDA实验反相比例运算电路第三节运算放大器的线性应用53

结论:

输出电压与输入电压成比例且具有反相的关系。实验数据：输出电压（mV）输入与输出关系可变电阻100k✕35%-350.0可变电阻100k✕95%-950EDA实验第三节运算放大器的线性应用54三、加法运算电路平衡电阻（补偿电阻）在同一输入端输入多组信号第三节运算放大器的线性应用uO–+

uI3

uI2

uI1RFR1R3R2∞+_+R21255在同一输入端输入多组信号iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3根据u-=u+,i+=i-

=iI=0，则:u+=u-≈0,

i1+i2+i3≈

iFRFR1R3R2∞+_+R212当：时：第三节运算放大器的线性应用56iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3RFR1R3R2∞+_+R212[例3-3-2]已知：

R1=R2=R3=10kΩ,RF=50kΩ，ui1=0.5V，ui2=-1V，ui3=-0.8V。试计算:输出电压uO。解：第三节运算放大器的线性应用57运算放大器的串级应用解题思路R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+求输出电压uO。1.先判别A1、A2电路。2.按顺序（信号流经），先算A1的uO1。3.其做为A2的uI2，再对A2进行运算。4.uO里含有与uI1、uI2的运算关系。第三节运算放大器的线性应用58[例3-3-3]已知：

R1=10kΩ,R2=50kΩ,R3=R4,RF1=10kΩ，RF1=500kΩ，

ui1=30mV，ui2=50mV。试计算:输出电压uO2。解：R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+A1是同相输入运算电路，A2是加法运算电路。第三节运算放大器的线性应用59两个输入端都输入信号四、减法运算电路

uI1

uI2uO–+减数被减数根据:u+=u-≈0,

i1=i2≈0输出电压为两个输入电压之差

既能放大差模信号又能抑制共模信号差分输入运算电路第三节运算放大器的线性应用12R1R3∞+_+RFR260[例3-3-4]已知：

R1=R2=4kΩ,R3=RF=20kΩ，RF1=500kΩ，

ui1=1.5V，ui2=1V。试计算:输出电压uO。解：A是减法运算电路。第三节运算放大器的线性应用

uI1

uI2uO–+12R1R3∞+_+RFR261根据u-=u+=0,“虚地”。根据i+=i-

=iI=0，则:i1=iF+iI≈iF12∞+_+R2R1uI–+uO–+iFi1iICF五、积分运算电路将反相输入运算电路中RF用CF代替

电容上电压等于其电流的积分1.uO与uI成积分关系第三节运算放大器的线性应用62延迟：

t=0时，uI由0跳变到-3V,uO随着CF的充电，逐渐变为+6V，延迟了一段时间。方波变三角波：不同时间段里，uI正跳变或负跳变，uO充放电，变三角波。2.应用

当为一阶跃直流电压时：ttOOuIuOttOOuOuI第三节运算放大器的线性应用63[例3-3-5]已知：

R1=1MΩ,CF=1μF,

U1=1V，试计算:t=0,0.02s,0.6s,1s时的输出电压uO各为多少？解：iFi1uI–+12∞+_+R2R1iICFuO–+

R1CF=1☓106☓10-6=1s当t=0时：uO=0V当t=0.6s时：uO=-0.6V；当t=1s时：uO=-1V。当t=0.02s时：第三节运算放大器的线性应用64iFi1iI12∞+_+R2R1CFuI–+uO–+六、微分运算电路将反相比例运算电路中R1用CF代替根据u-=u+=0,“虚地”。根据i+=i-

=iI=0，则:i1=iF+iI≈iF1.uO与uI成微分关系第三节运算放大器的线性应用652.应用

方波变尖顶波。3.实用电路

测震仪用于测量物体振动的不同物理量。电磁传感器（速度传感器）微分器积分器放大器123V测量速度测量加速度测量位移第三节运算放大器的线性应用66七、PI调节器比例-积分运算电路。uO与uI成比例-积分关系

iFi1iI12∞+_+R2R1CFRFuI–+uO–+当uI为恒定值时：第三节运算放大器的线性应用67iFi1iI12∞+_+R2R1CFRFuI–+uO–+当uI为恒定值时：ttOOuOuI

当t=0时：C上电压不能突变。反相比例运算电路。

当t>0时：C充电，积分运算起作用。第三节运算放大器的线性应用68i1uImAi∞+_+R1D1D2D4D3八、交流电压表电路

在交流量的测量中，一般把交流信号整流变为直流后，再加到电压表头上去。待测交流信号表头整流电桥交流电流只能单相流向表头。ui正半周时的电流路径:

输出端→D2→表头→D4→R1→地。ui负半周时的电流路径:

地→R1

→D1→表头→

D3→输出端。与表头内阻、二极管非线性无关，精度高u-=u+=uI第三节运算放大器的线性应用69九、电压源和电流源由运放接上适当负反馈。同相输入式反相输入式UZ-+UO+-1.电压源电路+USRR1DZR2RF∞

++-+USRR1R2DZRF∞

++-UO+-UZ-+电阻匹配R2=R1//RF第三节运算放大器的线性应用70同相输入式反相输入式UZ-+UO+-+USRR1DZR2RF∞

++-+USRR1R2DZRF∞

++-UO+-UZ-+

引入电压负反馈，输出阻抗小，UO可看作恒压，不受负载RL变化的影响。改变RF,可调UO

。第三节运算放大器的线性应用712.电流源电路ILUF+-USR1R2R'F∞

++-RLRFF反相输入式

引入电流负反馈，输出阻抗大，IO可看作恒流，不受负载RL变化的影响。因为u-≈0恒定电压改变RF或R'F,可调IL

。72USR1∞

++-RLRFILFUF+-同相输入式因为U-≈US=UF改变RF,可调IL

。第三节运算放大器的线性应用73十、有源低通滤波器

滤波器——选频电路，选择有用频率的信号，抑制无用频率的信号。种类：低通、高通、带通、带阻。

低通滤波器——让输入信号中的低频成份顺利通过，而抑制或衰减高频成份的滤波电路。

高通滤波器——让输入信号中的高频成份顺利通过的滤波电路。带通滤波器——只允许通过有用频段信号。

带阻滤波器——抑制已知干扰和噪声。第三节运算放大器的线性应用74无源滤波：RC电路。有源滤波：RC电路＋集成运放。仅由无源元件R、C、L组成。

不仅有无源元件，也有有源元件（晶体管、场效应、集成运放）。优点：①信号可被放大。②输入、输出阻抗易于匹配，频率特性不受负载变化的影响。CF有源低通滤波器

由

RF和CFL组成的并联电路代替反馈电阻。RFR1R2∞+_+uIuO第三节运算放大器的线性应用75CFRFR1R2∞+_+对直流信号：对交流信号：

对于低于截止频率f0的谐波分量（直流和低次谐波分量）放大倍数较大。而对于高于f0的谐波分量放大倍数较小。

低通滤波器——低频成份顺利通过，高频成份受到衰减。uIuO第三节运算放大器的线性应用76对交流信号：f0Of截止频率：低通滤波器的幅频特性CFRFR1R2∞+_+uiuO第三节运算放大器的线性应用771.希望抑制50Hz电源的干扰2.有用信号的频率低于10Hz3.输入信号的频率为100Hz~120Hz，希望防止干扰信号的混入——带阻滤波器。——低通滤波器。——带通滤波器。讨论采用何种滤波器?第三节运算放大器的线性应用78[例3-3-6]已知：

R1=100kΩ,RF/CF=5,

f0=10Hz。试计算:

RF及CF。解：iFi1uI–+12∞+_+R2R1iICFuO–+第三节运算放大器的线性应用RF=5R1=500kΩ

79

在控制、遥控、遥测、近代生物物理合医学等领域，常常需要将模拟信号进行转换。

在控制系统中，为了驱动执行机构（记录仪、继电器），需将电压转换成电流。

在监测系统中，为了数字化显示，需将电流转换成电压。

在整流电路中，需将交流信号转换成直流信号。

在数字测量系统中，为了数字化显示，需将模拟信号转换成数字信号。十一、电压、电流转换电路第三节运算放大器的线性应用801.电压—电流变换电路RL做为负反馈电阻。

uIi1iL根据

u-=u+=uI,i1

=iL

输出电流iL与输入电压uI成正比，而与RL无关

负载无接地端,电路改接为负反馈RLR1∞+_+RLR1R2RFR3∞+_+正反馈第三节运算放大器的线性应用81因iL=i3-i2

注：负反馈深度要大于正负反馈深度。负反馈RLR1R2RFR3∞+_+i1iFiLi3正反馈第三节运算放大器的线性应用82uIiFi1∞+_+RFR2R1uO2.电流—电压变换电路根据

u-=u+=0,i1

=iF

输出电压uI与输入电流

iL成正比，而与RL无关第三节运算放大器的线性应用83

十二、精密放大电路1.用途与特点

要求：输入阻抗大、输出阻抗低、增益稳定、抑制共模信号能力强。

经传感器采集的的信号很弱，等效电阻随所测物理量而变，且干扰和噪声严重，使放大电路不能正常工作。

特点：高增益、高输入阻抗、高共模抑制比。第三节运算放大器的线性应用84

2.电路组成uI1uI2uOiRABuO1uO2RR1∞_+A2∞_+A1R1R4R4MR2R2R3R3∞_+A3同相放大器（电压跟随器）差分放大器同相放大器高输入电阻加减运算第三节运算放大器的线性应用85

3.工作原理uI1uI2uOiRABuO1uO2R1R2R∞_+A2R1R4R4MR2R3R3∞_+A3∞_+A1根据

u-=u+=uI

第三节运算放大器的线性应用86(1)抑制共模信号uOiRABuO1uO2R1R2R∞_+A2R1R4R4MR2R3R3∞_+A3∞_+A1uI1uI2

大小相等、方向相同的信号(2)放大差模信号

大小相等、方向相反的信号第三节运算放大器的线性应用87

4.集成仪表用放大器（INA102）

输入阻抗104MΩ、输出阻抗0.1Ω、共模抑制比100db。第三节运算放大器的线性应用88数字式温度计电路5.应用举例R1R2Rw+UCCDuO1R4R5RW2uO2

测量范围：-50〜+1500C；分辩率0.10C测量电桥仪表用放大器及电压跟随器数字电压表∞+_+A2∞+_+A1隔离改变Au温度传感器数字显示第三节运算放大器的线性应用第四节运算放大器的非线性应用一、比较器二、方波发生器90

无外加反馈或加正反馈。

uO有两种可能:UOH

高电平

-UOL

低电平无反馈正反馈反馈网络第四节运算放大器的非线性应用

uO

uR

uI∞+_+∞+_+

uI

uR

uO概述

运放工作在非线性区91第四节运算放大器的非线性应用电压传输特性1.线性区

uo与uI成线性关系

uo＝Auo(u+－u-)2.非线性区（饱和区）uo

与uI不是线性关系uo有两种可能uo＝＋UOm

高电平uo＝－UOm

低电平＋UCC－UEE电压传输特性uOui=u+-u-O线性区非线性区因Auo=∞ui很小，要加负反馈不加反馈，或加正反馈复习921.“虚断”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0

因rid=∞,iI近似为零。非线性区分析依据

因uI＝u+－u-，当uI大于零或小于零时，分别接近正或负电源电压。当uI过零时会产生跳变，不再存在u+≈u-

。2.无“虚短”的概念

u+

＝u-

＋UCC－UEEuOu＋-u－O线性区非线性区电压传输特性第四节运算放大器的非线性应用93(一)概述2.用途

模数转换、电平检测、自动控制、组成各种非正弦波的产生和变换电路。电压比较器是一种模拟信号处理电路。

对输入信号进行鉴别和比较的电路，比较两输入电压uI和参考电压uR大小，确定输出状态。

uO

uR

uI∞+_+一、比较器1.电路功能第四节运算放大器的非线性应用94单限比较器滞回比较器窗口比较器3.电压比较器种类R2R1

uO

uR

uI∞+_+

uIRR1R2

uO

±UZDZ∞+_+

uI

URL

UHLR2R1DZ

uOD1D2

uO2

uO1+∞_+A1+∞_+A2第四节运算放大器的非线性应用951.过零电压比较器（1）电路组成：

UR＝0（二）单限比较器两种类型UR＝0

过零比较器UR≠0

一般单限比较器参考量

UR=0模拟量

uI数字量

uO反相输入式R2R1∞+_+第四节运算放大器的非线性应用96（2）工作原理当uI>0时，

uO低电平当uI=0时，uO发生跳变当uI<0时，uO高电平uO是高电平还是低电平，取决于输入信号uI与参考量UR的比较阈值电压UR参考量

UR=0模拟量

uI数字量

uOR2R1∞+_+第四节运算放大器的非线性应用97

（3）电压传输特性O

uO

uI+UOS-UOSURUR——uO从一个电平跃变为另一个电平的临界条件UR——阈值电压（门限电平、转折电压）。

参考量

UR=0模拟量

uI数字量

uOR2R1∞+_+第四节运算放大器的非线性应用98（3）uI变化经UR时，uO跃变的方向：是从高电平跃变为低电平，还是相反。画电压传输特性三要素（2）输出电压：

高、低电平UOS、-UOS。（1）阈值电压：UR

uI=UR时，电路uO发生跃变。uI加反相端：uI<UR，uO高电平uI加同相端：跃变方向相反O

uO

uI+UOS-UOSUR第四节运算放大器的非线性应用99第四节运算放大器的非线性应用

（4）波形变换作用讨论Ot

uI-UOS+UOSOt

uO参考量

UR=0模拟量

uI数字量

uOR2R1∞+_+O

uO

uI+UOS-UOSUR100实验八过零电压比较器实验目的：过零电压比较器的输出波形。建立电路：1.建立过零电压比较器电路

2.输出端限幅电路。

3.输入端二极管保护电路。

4.输入正弦波。实验步骤：1.用示波器观察输入、输出波形及电压的大小。

2.改变稳压管类型(如uA723—ZD2),

再观察输出波形及电压。EDA实验

链接EDA8第四节运算放大器的非线性应用101EDA实验过零电压比较器第四节运算放大器的非线性应用102EDA实验

结论:输入正弦形，输出方波。实验数据：输入波形输出波形第四节运算放大器的非线性应用1032.一般单限比较器阈值电压当uI>UR

时，uO低电平-UOS当uI=UR

时，uO发生跳变当uI<UR

时，uO高电平+UOSO

uO

uI+UOSUR-UOS

UR

uI

uOR2R1∞+_+第四节运算放大器的非线性应用104②uO=±UOS，

输出电压幅度决定

①以UR为参照画波形思路Ot

uOUROt

uI+UOSt1t2t3－UOS当uI>UR时，

uO低电平当

uI=UR

时，uO发生跳变当uI<UR

时，uO高电平波形图第四节运算放大器的非线性应用105t1t2+UOSOt

uIOt

uOOt

uO-UOS+UOS-UOSUR（三）滞回比较器

单限比较器缺点:抗干扰能力差。

uO在阈值电压附近微小变化，都引起uO跳变。当uI<UR

时，uO=+UOS

高电平当uI=UR

时，uO

跳变当uI>UR

时，uO=-UOS

低电平第四节运算放大器的非线性应用106

1.电路构成在单限比较器基础上引入正反馈。两种方式未加参考电压UR加参考电压UR（1）未加参考电压UR时

输出电压±UO反馈到同相端，两个阈值电压±U+。R2R1

U+1

U+2讨论能否产生两个阈值电压?两个门限电压不是同时产生!R

uO

uI∞+_+第四节运算放大器的非线性应用107（1）不加参考电压的滞回比较器阈值电压：

O

uO

uIUth1Uth22.工作原理R2R1R

uO

uI∞+_+

U+1

U+2第四节运算放大器的非线性应用108

当uI从小于Uth1开始增大时：uI<+Uth1，uO保持高电平uI>+Uth1

，uO保持低电平阈值电压变为Uth2当uI从大于Uth2方向减小时：uI>

Uth2，uO保持低电平uI<

Uth2，uO保持高电平假设电源接通瞬间，uO高电平。阈值电压为Uth1uI=+Uth1

，uO

跳变uI=

Uth2，uO跳变讨论R2R1R

uO

uI∞+_+

Uth1

Uth2第四节运算放大器的非线性应用109在Uth1处发生跃变，Uth2不起作用。当uI从足够高开始减小时：在Uth2处发生跃变，

Uth1不起作用。

当uI从足够低开始增大时：曲线方向性分析O

uO

uIUth1+UOH－UOLUth2讨论电压传输特性第四节运算放大器的非线性应用110a→b

uI从足够低开始增大时：在Uth1处发生跃变，Uth2不起作用。b→c

uI从足够高开始减小时：在Uth2处发生跃变，Uth1不起作用。c→d

uI从足够低开始增大时：在Uth1处发生跃变，Uth2不起作用。Uth2Uth1t1t2UOHOt

uIOt

uOOt

uOUOLUOHUOLabcd第四节运算放大器的非线性应用111UR参考电压作用Uth

－UOL低电平

+UOH高电平共同作用叠加uO作用

uO

uIR1(2)加参考电压UR时

∞+_+

Uth1

Uth2

URR2阈值电压：

第四节运算放大器的非线性应用112

单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，只能检测一个电平。uI单方向变化时，uO跃变两次，形似窗口。要判断ui是否在两个给定电平之间，怎么办呢？窗口比较器单限比较器O

uO

uI+UZUT－UZ滞回比较器+UZO

uO

uIUT1－UZUT2O

uO

uIUOHURLUOLURH第四节运算放大器的非线性应用113传感器温度环境温度大电路信号放电压信号物理变化量比较器参考量警电路声光报（四）实际电路举例实用电路举例一——火灾报警电路第四节运算放大器的非线性应用114火灾报警电路-Ucc+Ucc-Ucc

A1R1R1R2R2

A2R3R4R6T蜂鸣器R5D

用两个温度传感器检测同一室内温度，分别放在金属和塑料壳内。正常情况下，发光二极管不亮，蜂鸣器不响；有火情时，报警。差分放大电路电压比较电路声光报警电路温度传感器1温度传感器2uI2uI1uO1uO2第四节运算放大器的非线性应用115火灾报警电路讨论哪种类型的电压比较器？阈值电压为多少？三极管工作在什么状态？

一般单限比较器

UCC在R4上的分压工作在开关状态-Ucc+Ucc-Ucc

A1R1R1R2R2

A2R3R4R6T蜂鸣器R5D差分放大电路电压比较电路声光报警电路温度传感器1温度传感器2uI2uI1uO1uO2第四节运算放大器的非线性应用116恒温控制系统框图控制器执行器加热或降温与设定值比较受控对象传感器测量放大实用电路举例二第四节运算放大器的非线性应用117恒温控制系统原理图第四节运算放大器的非线性应用118传感器电路热敏电阻第四节运算放大器的非线性应用119控制器和执行器电路功率放大滞回比较第四节运算放大器的非线性应用1201.用途

输入模拟信号输出只有高电平和低电平两种状态（数字信号）。2.工作原理uI

>Uth

输出低电平uI<Uth

输出高电平(2)比较uI与Uth，确定uO状态

电压比较器

广泛用于模数转换、电平检测、自动控制，组成各种非正弦波的产生和变换电路。反相输入式无外加反馈或加正反馈。(1)工作在非线性区归纳第四节运算放大器的非线性应用121(2)滞回电压比较器优点：抗干扰性。构成：加正反馈。阈值电压：Uth1、Uth2。传输特性：单方向跳变一次。3.种类(1)简单电压比较器（单限）构成：无反馈的运放。阈值电压：Uth。传输特性：单方向跳变一次。单限比较器O

uO

uI+UZUth－UZ滞回比较器+UZO

uO

uIUth1－UZUth2122二、方波发生器

滞回电压比较器＋RC电路

±UZDZ（一）电路组成RF

uOuC(u-)–+R3∞+_+UB–+滞回比较器负反馈网络R1R2双向限幅获得合适的UOH、UOL。无论输出高低电平：uO=±(UZ+UD)≈±UZ两只反串稳压管：

一只击穿工作UZ，

另一只正向导通UD

=

0.7VCRC电路第四节运算放大器的非线性应用123

阈值电压：

uO通过RF对C充电，通过C放电，C上电压按指数规率变化。比较器将uC与UB比较：

uC>UB

uO=-UZ为负值

uC<UB

uO=+UZ为正值（二）工作原理及波形分析

uO

±UZDZRFuC(u-)–+R3∞+_+UB–+R1R2C第四节运算放大器的非线性应用124

1.接通电源瞬间，假设uO高电平＝＋UZ时阈值电平为Uth1，uC=0。+UZ初始暂态时，uC=0稳态时，uC→

+UZi充Ot

uCOt

uOUth1+UZ－UZ-UZ

当uC<Uth1时，uO高电平保持不变。

uC随时间增长而升高，最终趋于+UZ

uC=0，uO通过RF向C充电，当uC>Uth1时，uO跳变为-UZ。

Uth1

uO

±UZDZRFR3∞+_+UB–+R1R2CuC(u-)–+第四节运算放大器的非线性应用125

uO

±UZDZRFR3∞+_+UB–+R1R2CuC(u-)–+

2.此时，uO低电平＝-UZ，UB=Uth2，uC=+uC，周而复始，产生自激振荡。当uC>UTH2时，uO=-UZ保持不变。当uC<UTH2时，uO跳变为+UZ高电平。C通过RF放电，uC随时间增长而下降，趋于-UZ。-UZi放稳态时，uC→-UZ+UZUth2Uth1Ot

uCOt

uO－U