运算放大器用

第16章集成运算放大器1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法（虚短，虚断）。3.掌握用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。第16章集成运算放大器1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法（虚短，虚断）。3.掌握用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。16.1集成运算放大器概述（1）采用四级以上的多级放大器，输入级一般采用差动放大器。输入电阻高、静态电流下、抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强；输入级常采用复合三极管或场效应管，以减小输入电流，增加输入电阻。（2）中间级主要进行电压放大，要求电压放大倍数高，一般由共射级电路构成，放大管常采用复合管，以提高电流放大倍数。（3）输出级采用互补功率放大电路或射极输出器，要求输出电阻小、带负载能力强、输出足够大的电压和电流（大的功率）。（4）偏置电路、为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态关注点。IC=IC1+IC2

=1IB+2(1+1)IB

=[1+2(1+1)]IBR2T3R1R3-UEE+UCCui2uoERCT1RCT2ui1T4为减小IB,提高输入电阻,T1、T2采用复合三极管=IC/IB

=1+2(1+1)12ICIBIE12IC1IC2IB2IE2T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE集成运放内部结构（举例）第1级：差动放大器第2级：差动放大器第3级：单管放大器第4级：互补对称射极跟随器极性判断放大电路性能指标+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiERSes+–ui+–riii放大电路RLe0+–uo+–roio＋－u－u+uo集成运算放大器符号－＋＋反相输入端u－同相输入端u+输出端uo国际符号：国内符号：(1)开环差模电压放大倍数(开环增益)大

Ao(Ad)=uo/(u+-u-)=104-107倍;

80dB~140dB(2)共模抑制比高

KCMRR=100db以上;(3)输入电阻大

ri>1M,有的可达100M以上;(4)输出电阻小ro=几-几十集成运算放大器的技术指标主要参数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。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB电压传输特性

uo=f(u+–u–)线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+-u–>u'

时，uo=+Uo(sat)

u+-u–

<u''

时，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区饱和区O运算放大器的传输特性uo++u+u–+UCC–UEE–2.理想运算放大器Auo

，rid，ro0，KCMRRuo++u+u–+UCC–UEE–i+i–+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性饱和区Ouo

=Auo(u+–

u–

)Auo(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”3.理想运放工作在线性区的特点(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O因为rid(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区4.理想运放工作在饱和区的特点开环与闭环uo++u+u––输入输出uo++u+u––输入输出反馈电路输入输出之间没有反馈电路开环电压放大倍数：Auo

闭环电压放大倍数：Auf开环：闭环：在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加负反馈，使运放工作于线性状态。运放线性运用运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路URuouiR2++–R1+–++––uoRFuiR2R1++––++–16.2运算放大器在信号运算方面的应用_++RFR1R2uiuoi1iFib-ib+虚地点i1=iF+

ib-=iF,ib-=0

ib+=0u+

=0

u－=u+=0平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R2=R1//RF电压放大倍数:i(1)反相比例运算放大器_++RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例题1.R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP应为多大？Au=-（RF/R1）=-20/10=-2uo=Auui=(-2)(-1)=2VRP=R1//RF=10//20=6.7k反相比例运算放大器输入电阻及反馈方式：ri=R1输入电阻(小):uo_++RFR1RPuii1iFib-ib+反馈电阻反馈方式：并联电压负反馈i1=iF+

ib-ib-=i1-iFu-=u+=uiib+=0ib-=0_++RFR1R2uiuoiFifAuf=1+RFR1iF=ifR2=R1//RFF1F1)(2)同相比例运算放大器_++RFRfRPuiuoiFif例题2.Rf=10k,RF=20k,ui=-1V。求:uo

，RP应为多大？uo=Aufui=(3)(-1)=-3VRP=Rf//RF=10//20=6.7kAuf=1+=1+20/10=3RFRf串联电压负反馈同相比例运算放大器输入电阻及反馈方式：_++RFRfRPuiuo输入电阻(高)反馈方式?输入电压:u+-u-=ui-uo

RfRf+RF_++RFRfRPuiuoAuf=1+RFRf当RF=0或Rf→∞时,Auf=1uo=ui此电路在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。电压跟随器以上电路的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.以上放大器均可级联,级联时放大倍数分别独立计算。例题3.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求:uo

uo_++R2R1R1R2ui1_++ui2_++R2R1RPuo=(uo2-uo1)=(20/10)[3-(-1)]=8VR2R1uo1=ui1=-1Vuo2=ui2(1+R2/R1)=3V例题3.若ui1=sintV，ui2=1V，求:uo

uo1=ui1=sintVuo2=ui2(1+R2/R1)=3Vuo=(uo2-uo1)=(20/10)(3-sint

)=6-2sint

(V)R2R1_++RFR11R12ui2uoRPui1i1i2iF虚地uo=-(ui1

R1RF+ui2

R2RF)若R1=R2=R,

uo=-(ui1

R

RF+ui2

)取RP=R11//R22//RFuo_++RFR1RPuiib+=0ib-=0,i1+i2=iFui1

R1=ui2

R2+-uo

RF(3)加法运算反相求和运算Au=RFRf1+uo=Auu+=()(+)RFRf1+R2R1+R2ui1R1R1+R2ui2取R1//R2=RF//Rf当R1=R2

时,uo=()(ui1+ui2)RFRf1+12RfRF++u

i1uoR1R2ui2-u+_++RFRfRPuiuo同相求和运算_++R2R1R1ui2uoR2ui1ib+=0ib-=0ui2R2R1+R2u+=u-=u+u-=uoR1+ui1R2R1+R2uoR1+ui1R2R1+R2ui2R2R1+R2=(4)减法运算u-=u+=0ui－++uoRR2i1iFCib-=0(5)微分运算tui0tuo0例：,求uo。ui－++uoRR2i1iFC90°i1iFu

i-++RRPCuoucuc=-uoib+=0ib-=0,iF=Cducdt-CduodtuiR=u-=u+=0(6)积分运算反相积分器：如果ui=直流电压U,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0Utuo0-UomTM积分时限=–tURC设Uom=15V,U=+3V,R=10k,C=1F=0.05秒反相积分器：如果ui=-U=-3V，画出uo的波形图。tui0tuo0+Uom-Uò-=t0o(-U)dtRC1u=tURC0.05秒设Uom=15V,U=3V,R=10k,C=1F应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0运算电路要求1.熟记基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.以上基本运算电路级联后输出的计算。3.会用ib-=0,ib+=0,u+=u-分析给定运算电路的放大倍数。16.3.3

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。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：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

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

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2输出带限幅的电压比较器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

=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

过零电压