集成运算放大器及其应用

第3章集成运算放大器及其应用3.1集成运算放大器简介3.2差动放大器3.3理想运算放大器及其分析依据3.5放大电路中的负反馈3.4集成运放在模拟运算方面的应用3.6集成运放在信号测量方面的应用3.7电压比较器3.8集成运放在信号产生方面的应用第3章目录3.1.1集成运放概述3.1集成运算放大器简介3.1.2集成电路的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；2.二极管多用三极管的发射结代替；3.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；4.电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接。第3章31集成运放是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。3.1.3

集成运放的结构和符号

1.集成运放的内部电路结构框图输入级偏置电路输出级中间级输入级—差动放大器输出级—射极输出器或互补对称功率放大器中间级—电压放大器偏置电路—由镜像恒流源等电路组成第3章31输入级偏置电路中间级输出级输出2.集成运放741的电路原理图+VCCuO+–反相输入-VEE同相输入T12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C第3章31uiuou+u–3.集成运算放大器的符号输出端反相输入端同相输入端A信号传输方向第3章31理想运放开环电压放大倍数实际运放开环电压放大倍数RRB1C1uiuoTT12UCE13.2差动放大器3.2.1直接耦合方式及其存在问题1.前、后级静态工作点的相互影响当T2

接入后,有UCE1=UBE20.6V,使T1进入饱和状态,T1的动态范围很小。解决办法：提高VE2。(1)加入电阻RE2+VCCE2RRC2第3章3

2RRB1C1R

C2uiuoTT12RUz（2）在T2的发射极加入稳压管+VDzCC第3章3

2RRB1C1RE2uiuoTT12RC2VCC+（3）利用NPN型管和PNP型管进行电平移动第3章3

22.

直流放大器的零点漂移tu0当放大器的输入电压ui

=0时，其输出电压uO往往不为常数，称这种现象为放大器的零点漂移。差动放大器能够很好地抑制零点漂移。o第3章3

2uRCRCRRBBuo1ui1i2uuo2oCCV3.2.2差动放大器共模输入ui1

=

ui2差模输入ui1=

–

ui21.典型差动放大器RPREEET1T2第3章3

2RCRCRRRBBPuoCC+V1

双端输入双端输出方式T1REuiEEVui1ui22.

差动放大器的输入输出方式RRT2第3章3

2RCRCRRRBBPo1uuo2CC+V（2）单端输入单端输出方式REEEuiT1T2第3章3

2

RCRCRBRBRPRE33.具有恒流源的差动放大器CC+VEE–VuOT1T2

ui

R1R2T3第3章3

2

1.运算放大器的电压传输特性UOMUOM–UOM–UOMUim–Uim实际运放理想运放

uo=

f

(

ui

)

,其中

ui

=

u+–

u–

3.3理想运算放大器及其分析依据uOui0uiuo++–uiuO0第3章3

3“虚断路”原则+iiui对于理想运放rid相当于两输入端之间短路uiiirid=对于理想运放u–u+相当于两输入端之间断路uOii

0Auoui

0,rid,“虚短路”原则212.理想运放工作在线性区的分析依据第3章3

3+uo=ui–u–=uAuo+uiuO++––在右图所示电路中，因为存在负反馈信号,同相输入端不是“虚地”！ＦＲＲ２１uiuoＲ3

“虚地”的概念由“虚断路”原则ii

=0

,有u+=0

u+

u–=

0结论：反相输入端为“虚地”。当同相输入端接地时，第3章3

3ＲＦＲＲ１２uiuo由“虚短路”原则注意“虚断路”原则uiiirid=对于理想运放相当于两输入端之间断路ii

0rid,3.理想运放工作在非线性区的分析依据运放工作在线性工作状态的必要条件：必须引入深度负反馈。+iiuiriduO第3章3

3+注意:u+=u–

不一定成立！uiuoi1ifidRFR1R23.4

集成运放在模拟运算方面的应用3.4.1

比例运算电路虚断路id

0虚地uii1

=

—–R1uif

=

–—oRFi1

ifRF引入深度负反馈uo

=

uiRFR1故有：第3章3

41.反相比例运算电路uiuoi1ifRFR1R2虚地：ui1

=—iR1例:反相比例运算电路R3R4设:

RF>>R4

,求Auf解：R4R3R4+uo=–RF1代入

if

=

i1由RF>>R4

,有：Auf

=

=

–R1RF(1+)R4R3ui

uo第3章3

4uo'uo=R4R3R4+uo得'

uoif

=–RF'RFRR12uiuo

uo

=

1+

u+RFR1uf

=

1+

uiRFR12.同相比例运算电路虚断路id

0虚短路uiu=+uou

=

——–

fR1R1RF+u–u=+故有：第3章3

4uiuo同相跟随器uo

=uiRFR若接入电阻R、RF，运算关系不变第3章3

43.差动比例运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析ui1i2u"uo=u'o+uo=1+ui2RFR1R2+R3R3-

ui1RFR1''uO=-

ui1RFR1′第3章3

4uO=

1+

u+RFR1″

=

1

+

ui2RFR1R2+R3R3F1u

o31.

反相加法运算电路Pui1

ui3ui2

u

=–(

+

+

)

ui2

oui1

ui3

RFRFRFR1R2R3i1i2i3ifＲＲＲＲＲ3.4.2

加法运算电路第3章3

42F211uo2.同相加法运算电路23ui1ui2ui3ＲＲＲＲＲ22ＲRFR1

uO

=

1+

R

+

+

R21R23ui3ui1R22ui2其中

R

=

R21R22

R23R

第3章3

41.差动比例运算电路uoRFR1R2R3

=

1+

ui2

uoRFR1R2

+

R3R3-

ui1RFR13.4.3

减法运算电路ui2ui1差动比例运算是减法运算电路的一种形式第3章3

4

11ui121

2.两级反相输入减法运算电路132212N2N1uoF1uRRRRRRRi2第3章3

4F2uo=

—–

•

—–

–

—–ui1

ui2

11RRRRRR

13

12F1F2F2１ui1.反相积分运算电路CFuoＲＲ23.4.4积分和微分运算电路由虚断和虚地ui1

=——iR1iC

=i1iCuC

duCdt

CF

—–iC

=

uO=–uC可得=

–

——–uoR1CF１uidt∫第3章3

4C2.同相积分运算电路uuoiCＲＲ=

–—

uoRC

1ui

dt∫第3章3

4uuOi

3.

反相微分运算电路C1

duidtuo=

–

RF

C1

–—uouiＲＲF由于微分和积分互为逆运算，将电容与电阻位置对调即可。输出与输入的关系式为若输入为方波则输出波形为第3章3

4CF应用举例：PID调节器21uouiC1ＲFＲＲ输出与输入的关系式为第3章3

4duiu

=

–

[(

+

)

+RFC1–—

+

——

ui

dt

]

ouiRFR1R1CFC1CFdt1∫应用举例：求解微分方程uouiN1N3N2dtduo–5uo

=10ui10k100k100k150k50k50k0.1F根据电路参数，所要求解的微分方程为：第3章3

41.对数运算电路Ｒ2Ｒ1uou

>0iT

uo

=

–

UT

ln

——uiR1IS3.4.5

对数和反对数运算电路uDiDi1利用三极管发射结的指数特性i1

=iD

=IS(e

-1)uDUT

ISeuDUTu——iR1=有代入–

uDu=O第3章3

42.反对数运算电路ＲＲFuoTuiuo

=

–RF

IS

eui

/UT由于反对数和对数互为逆运算，将三极管与电阻的位置对调即可。输出与输入的关系式为第3章3

43.乘法和除法运算电路结构框图lnln+ln-1lnx1lnx2lnx1+（lnx1·x2

）Kx1·x2乘法除法lnx2x1x2lnx2lnln–lnx1-1lnlnx1lnx2–（lnx1/x2

）Kx1x2x1x2第3章3

4uo4.乘法器的原理电路ui2ui1uO=-

ui1·ui2

/RISＲＲＲRＲＲＲＲＲＲT1T2T3利用对数、加法和反对数运算构成乘法运算。第3章3

43.5

放大电路中的负反馈3.5.1反馈的基本概念正反馈xd

=

xi

+

xf负反馈xd=

xi

–

xfA=

xo

/

xdF=

xf

/

xoAf

=—

=

——–xo

xiA

1+

AFAFxoxixdxf闭环放大倍数xi

—总输入信号xd

—净输入信号xf

—反馈信号开环放大倍数反馈系数xo—输出信号反馈：将放大器输出信号的一部分或全部经反馈网络送回输入端。第3章3

51.电压串联负反馈FAuiudufuo3.5.2

负反馈的类型RLAFxoxixdxf在放大器输出端，F与A相并联,

xf与uo成正比，为电压反馈；信号x均以电压

u

的形式出现在放大器输入端,信号以电压出现,uf与ud相串联,为串联反馈；ud=

ui

–uf

<

ui，为负反馈。净输入电压第3章3

51.电压串联负反馈FA框图例图同相比例运算3.5.2

负反馈的类型RLuiudufuo第3章3

5R2uiu

oRLRFR1ＡＦuoidiiif2.电压并联负反馈RLAF在放大器输入端,

信号以电流出现,

if与id相并联,为并联反馈；id=

ii–

if<

ii

，为负反馈。净输入电流xoxixdxf在放大器输出端，F与A相并联,

xf与uo成正比,

为电压反馈；第3章3

5AF2.电压并联负反馈框图例图反相比例运算RLuoidiiif第3章3

5uiuoRFRLR2R1AF3.电流串联负反馈RLioAFud=

ui

–

uf

<

ui

，为负反馈。净输入电压,在放大器输入端,信号以电压出现,uf与ud相串联,为串联反馈；在放大器输出端，F与A相串联，xf与io成正比，为电流反馈；xoxixdxfuiudufuo第3章3

5AF3.电流串联负反馈框图例图电压控制电流源RLuiudufuoio12RRRLuiuoiouduf第3章3

5AFiouoRLAF在放大器输入端,

信号以电流出现,

if与id相并联,为并联反馈；

id=

ii–if<

ii

，为负反馈。净输入电流在放大器输出端，F与A相串联,

xf与io成正比，为电流反馈；信号

x

均以电流

i

的形式出现4.电流并联负反馈xoxixdxfidiiif第3章3

54.电流并联负反馈iAFiouiiidfRL框图例图oRL++iouoR2R1RFRiiidif第3章3

51.正反馈和负反馈uiRRF1RF2RF3N1N2N3uOufRF1电压并联负反馈(级间)RF2电压串联负反馈(级间)RF3电压并联负反馈(本级)if3.5.3

反馈的判别例1第3章3

5uiuoN1N2uf++uoRF1R1R2RFR4R3R5R6RF2利用瞬时极性法判断反馈的正负反馈类型：串联电压负反馈电流RLuf

与uo成正比io例2：反馈类型的判别第3章3

5xf

与uo成正比是电压反馈xf

与io成正比是电流反馈RLRFR1uduf2.电压反馈和电流反馈uiuoR2第3章3

5ioufuiR1R2uduoRL3.串联反馈和并联反馈(在输入回路中判别)xi

与

xf串联为串联反馈

xf必以电压形式出现xi

与

xf并联为并联反馈

xf必以电流形式出现xi

与

xf分别接在两个输入端为串联反馈xi

与xf接在同一个输入端为并联反馈uiuoiiidifRLR1RFR2第3章3

5+VCCRB1RCC1C2RSTRLuO

uSRB2RE2+CERE1例3：分析分压式偏置电路中反馈的类型。ui

++第3章3

5rbe

R'LRB1RB2

RE1

ib

ibufuOuiubeicuf

=

RE1iC

，与输出电流成正比，是电流反馈。

ube=

ui

uf

，

是串联比较，且三者同相，

uf削弱了ube。RE1引入了串联电流负反馈分析第3章3

5例4：分析射极输出器的反馈类型深度串联电压负反馈+VCCRBC1C2RSTRLui

REuS++uo

uf

=uo

，输出电压全部反馈到输入端。ube

=ui–

uf，

RE

引入了是串联比较，且三者同相，uf

削弱了ube

，uf

第3章3

53.5.4负反馈对放大器性能的影响AFxoxixdxf无负反馈0.707AuAufffLfH有负反馈1.扩展放大器的通频带AuAufAu0.707AuffLffHfBWfBWBWf

1AF

BW加入负反馈使放大器的通频带展宽0第3章3

5Aufuouiuiuoud负反馈改善了波形失真2.提高放大倍数的稳定性——

=

———11+

AFdAfAfdAA——

3.改善非线性失真FA加入负反馈无负反馈第3章3

54.改变输入电阻5.改变输出电阻串联负反馈提高输入电阻rif

>ri并联负反馈降低输入电阻rif

<ri电流负反馈提高输出电阻rof

>ro电压负反馈降低输出电阻rof

<ro因为：电压负反馈稳定了输出电压。因为：电流负反馈稳定了输出电流。第3章3

5UxUoV+–1.同相输入式直流电压表原理电路UO=

(1+RFR1)

UxR1R2RF3.6集成运放在信号测量方面的应用第3章3

62.反相输入式直流电流表电路MA+IfIx=I=（1+R1R2）IxIfIxRR2MAIx+I1I2IR1R第3章3

6Ix3.整流桥接在反馈回路的交流电流表原理电路I=0.9IxR1R2ID1D2D3D4若被测电流Ix为正弦电流，经过桥式整流，流过表头的是全波整流电流I，微安表的示数为平均值，故有关系式微安表为线性刻度特点第3章3

6A4.测量放大器ui1uO

=

(1

+

)(ui2–ui1)RFR2R1RP第3章3

6RFuoRN1N2N3ui2R1R1RPABRRFuo2uo13.7

电压比较器1.过零比较器R1R2uouiUOM-UOMuiuo-UOMUOM(1)

反相输入过零比较器(2)

同相输入过零比较器0uiuo0第3章3

7R1R2uouiR1R2例题：反相输入过零比较器的应用UOM-UOMttUOM-UOM000uiuouOuiuiuo第3章3

7R1R2uOui(1)反相输入过零限幅比较器2.过零限幅比较器DzUZ第3章3

7UZ-UZ0uOui-UZUZ(2)同相输入过零限幅比较器R1R2R3Dz0uiuouiuo第3章3

7UZ-UZ3.

同相输入任意电平比较器R1R2R3URDzUR0uiuouOui第3章3

7UZ设UR>0UZUZ–UZ–

—URR1R2R2R3R1URDzUZ4.反相求和型电压比较器0uiuouOui第3章3

7UZR2R3R1URtt-UZ–

—URR1R2UZ-UZUT

设UR<

0，UT>

0DzUZUT=–

—URR1R2门限电平：例题000uiuouiuouOui第3章3

7R1R2R3RFUZ-UZUT2UT1Dz

5.反相输入过零滞回比较器0uiuouOui第3章3

7UZR1R2uOuiR3RFUZ-UZUT2UT1过零滞回比较器tUT1UT20tUZ-UZDzUZ00uiuououi第3章3

7例题R1R2uOuiR3RFURuiuoUZ-UZ0UT2UT1U'RUZDzU'R

=———URR2

+RFRF

6.反相输入滞回电压比较器第3章3

7电压比较器的分析方法1.

输出电压跃变的条件u–u

=+由此可求出电压比较器的门限电压UT对过零比较器门限电压UT

=

02.

电压传输特性u–u

>+uo>0；时，u–u

<+uo<0。时，输出端不接

DZ时，

uo

=

UOM输出端接

DZ限幅时，

uo

=

UZ第3章3

73.8集成运放在信号产生方面的应用R1R2uOui

R3RFUZRDZ滞回电压比较器3.8.1方波发生器1.电路的组成方波发生器C第3章3

8RuOR2uoUZR3UZR1DzCuCFUZ-UZ-FUZt2.

方波发生器的工作原理T1T2ucuo=

–UZu+=

–FUZ设uo=UZu+=

FUZ，C充电；，C放电；当uC

=

FUZ0第3章3

8RuOR2uOUZR30UZR1DZCuCFUZ-UZ-FUZtuC3.方波发生器的主要参数周期

T=2RCln(1+2R2R1)幅度

Uom=UZT第3章3

8RuOR2UZR3R1DZCuCuo0UZFUZ-UZ-FUZtuo0UZFUZ-UZ-FUZt4.矩形波发生器D1RRPD2第3章3

8R4R1

R3R2UZDZ3.8.2

三角波发生器1.三角波发生器的组成N1

uiuO1CuOR5N2R三角波发生器由组成N1—滞后电压比较器N2—反相积分电路第3章3

82.三角波发生器的工作原理R4R1uO

R3R2UZDZR5RCN1N2uO1tt0UZ-UZuO1uOTTT2T23.三角波发生器的主要参数三角波幅值Uom=

UZ

R1

R2R1

R2UZ三角波周期T

=4RCR1

R20第3章3

8R1

R2UZ-R4R1uO

R3R2UZDZ3.8.3锯齿波发生器1.电路的组成和工作原理R5CN1N2R'D1RD2uO1RD2RD2R'D1R'D1充电放电当积分电容的充电和放电时间常数不同时，三角波发生器就变为锯齿波发生器。第3章3

8R4R