运放原理及典型芯片电路课件

运算放大器及其应用

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数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。集成电路分类按集成度按导电类型按功能小、中、大和超大规模双、单极性和两种兼容数字和模拟各类型号集成芯片运算放大器的特点1.元器件参数的一致性和对称性好；

2.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；

3.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；

4.二极管多用三极管的发射结代替。一、电路的基本组成输入级

中间级

输出级偏置电路运算放大器方框图

输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器

。

中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。

偏置电路:

由镜像恒流源等电路组成

输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。集成运放741的电路原理图同相输入输入级偏置电路中间级输出级+UCCuo+–-UEET12T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T13T14T16T18T17T20T15T19R1R2R3R4R5R7R8R9R10R11R12C同相输入输出二、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IIB1.开环电压放大倍数

2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比

由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。三、理想运算放大器及其分析依据

在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件：2.理想运放工作在线性区的特点因为uo

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”(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)O3.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)(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饱和区四、运算放大器的应用在信号运算方面的应用：对信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。在信号处理方面的应用:对信号进行滤波、比较等处理。在信号发生方面的应用：用于产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等波形例:电路如下图所示，已知R1=10k

，RF=50k。求:1.Auf

、R2；

2.若R1不变,要求Auf为–10,则RF

、R2应为多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuORFuiR2R1++––++–2）.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短，所以

u–=u+＝

ui

，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++–u+u–3）加法运算电路a.反相加法运算电路

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++–R2+–)(2i2iF1i1iFouRRuRRu+-=4)减法运算电路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF常用做测量放大电路5)积分运算电路

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++–uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有

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。ifi1电路的输出电压上式表明：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。uoCFuiR2R1++––++–RFuoC1uiR2RF++––++–R1比例-微分运算电路上式表明：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。—PD调节器ifiRiC2.

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。

有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。

按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。a.有源低通滤波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––

幅频特性0|Auf0||T(j)|Ob.有源高通滤波器uiuoRFCR++–R1+–+–

幅频特性0|Auf0||T(j)|OSuC+–ui+–uo+–++–模拟开关模拟输入信号a.电路2).采样保持电路

采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。

用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。采样存储电容控制信号电压跟随器b.工作原理a.电路采样阶段：

uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，

ui对存储电容C充电，uo=uC

=ui

。保持阶段：

uG为0，

S断开(场效应管截止)，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。SuC+–ui+–uo+–++–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)O饱和区电压传输特性–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–UZ电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O(2).滞回比较器上门限电压下门限电压

电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RF当uo=+Uo(sat)，则当uo

=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2－－uoui++–R1+–+–oF

2

2uRRRu+=+)(o(sat)F22URRRUu

++=¢=++)(o(sat)F

2

2

URRRUu-+=¢¢=++上门限电压U'+

：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui

逐渐减小时的门限电压uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFuoui++–R1+–+–根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性当参考电压UR不等于零时定义：回差电压与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰能力越强。结论：1.调节RF

或R2

可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影响回差电压U。

电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。解：对图（1）

上门限电压

下门限电压例：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）解：对图（2）

例：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）（2）+UR–RFR2uoui++–R1+–+–RFR2uoui++–R1+–+–（1）+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226

图(1)的电压传输特性图(2)的电压传输特性uouiO-661.335.33RFR2uoui++–R1+–+–

例1：图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。

温度超过规定值，ui

>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。

温度未超过规定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo电压传输特性uoOUO(sat)–UO(sat)例2:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各电压波形如右图所示。R1R2uiuo+–+CDRLR3.

运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。1).RC桥式正弦波振荡电路RC选频网络正反馈网络放大电路

用正反馈信号uf作为输入信号

选出单一频率的信号(1)电路结构uf–+R++∞RFR1CRC–uO–+同相比例电路选频网络(3)工作原理

输出电压

uO

经正反馈(兼选频)网络分压后，取uf

作为同相比例电路的输入信号ui

。1)起振过程2)稳定振荡

A

=

0，仅在f

0处F

=

0,满足相位平衡条件，所以振荡频率f

0=12RC。改变R、C可改变振荡频率

由运算放大器构成的RC振荡电路的振荡频率一般不超过1MHz。3)振荡频率

振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率的调整++∞RFRCC–uO–+KKR1R2R3R3R2R1

改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。振荡频率4)起振及稳定振荡的条件稳定振荡条件AuF

=1，|F|=1/3，则起振条件AuF

>1，因为|F|=1/3，则

考虑到起振条件AuF

>1,一般应选取RF略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。

由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。带稳幅环节的电路(1)

热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。

在起振时，由于uO

很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF

的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于AuF=1，

振荡稳定。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+IDUD带稳幅环节的电路(2)振荡幅度较小时正向电阻大振荡幅度较大时正向电阻小

利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–稳幅环节2）矩形波发生器矩形波产生电路

uc+–UR+–1.电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成。

电容电压uc

即是比较器的输入电压，2.工作原理设电源接通时，

uo

=+UZ，uc(0)=0。

电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。uo

通过RF对电容C充电，uc

按指数规律增长。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1动画当uo

=+UZ时，电容充电，uc上升，电容放电，

uc下降，当uc=UR

时，uo

跳变成–UZ当uc=–UR

时，uo

跳变成

+UZ，电容又重新充电。2.工作原理放电uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充电

Z2

1

2RURRRU+-=-3.工作波形T2T=T1+T2电容充放电过程，uc的响应规律为4.周期与频率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的频率充放电时间常数相同：=RC

矩形波常用于数字电路中作为信号源在充电过程中在放电过程中4.

运放在信号测量方面的应用

在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。测量放大器的原理电路ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A