电工学少课时第10章集成运算放大器1

第10章集成运算放大器集成电路本章内容10.2集成运算放大器概述10.1

集成电路10.5

基本运算电路10.7

RC正弦波振荡器10.6

电压比较器10.4

理想运算放大器10.8

有源滤波器本章要求1.了解集成运放的基本组成及主要参数。2.了解掌握运算放大器的电压传输特性和基本分析方法。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.了解有源滤波器的工作原理。5.理解电压比较器的工作原理和应用。§10.1集成电路

集成电路采用微电子技术将二极管、晶体管、场效应管、电阻、电容和连接导线等元器件，将整个电路都集合在一小块半导体晶片上，封装上外壳，向外引出若干个管脚，构成一个完整的、具有一定功能的电路。按集成度分类：小规模、中规模、大规模、超大规模。按处理信号分类：模拟电路、数字电路§10.2集成运算放大器的概述

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。它是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。运放的应用领域：信号处理、信号测量、波形转换、自动控制等。运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积分、微分、对数等运算。§10.2集成运算放大器的概述一、运算放大器的组成输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入级

中间级输出级输入端输出端中间级：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。输出级：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。1、电路组成：uo+u+u––§10.2集成运算放大器的概述2、运放的电路符号：+UCC–UEEuo++∞u+u––uo++∞u+u––一、运算放大器的组成反相输入端同相输入端输出端§10.2集成运算放大器的概述二、集成运算放大器的特点1、Auo

高:80dB~140dB2、rid

高:105~10113、ro

低:几十~几百4、KCMR高:70dB~130dB电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、零点漂移小，抗干扰能力强，可靠性高、体积小，低成本、能耗小等。§10.2集成运算放大器的概述三、主要参数1.最大输出电压UOPP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

未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

运放能承受的最大共模输入电压。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§10.2集成运算放大器的概述四、电压传输特性电压传输特性uo=f(ui)

+UOM–UOM线性区饱和区

u+–u–

uo

Ouo

=

Auoui=

Auo(u+–u–)1、线性区：uo

=Auo(u+–u–)2、非线性区—饱和区：u+

-u–

>X

时，uo=+UOM

u+

-u–

<X

时，uo=–UOM

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。uo++∞u+u––§10.4

理想运算放大器一、理想运算放大器的条件1、开环电压放大倍数

Auo

+UCC–UEEuo++∞u+u––2、开环输入电阻

ri3、开环输出电阻

ro04、共模抑制比

KCMR§10.4

理想运算放大器二、理想运算放大器的特性1.工作在饱和区的特点u+>u–

时，uo=+UOM

u+<u–

时，uo=–UOM

+UOM–UOM

u+–u–

uo

O线性区饱和区2.工作在线性区的特点因为uo

=Auo(u+–

u–

)⑴差模输入电压约等于0，即u+=u–

，两输入端相当短路，但未真正短路，故称“虚短”u0是有限值,Auo又很大，所以§10.4

理想运算放大器二、理想运算放大器的特性2.工作在线性区的特点因为ri为无穷大。⑵运放输入电流约等于0，即i+=i–0,称“虚断”i+i–因为ro为0。⑶运放输出电压不受负载大小的影响。

uo++∞u+u––§10.5

基本运算电路一、比例运算电路1.

反相比例运算⑴电路组成ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–ui从反相输入端输入同相输入端接地

因静态时要求u+、u–

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF⑵电压放大倍数因i+=0,

所以u+=0

u–=u+=0-----称“虚地”∵ri→∞，∴

i+=i–=0∴

i1if

⑶结论：

①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。②Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。§10.5

基本运算电路一、比例运算电路1.

反相比例运算因要求静态时u+、u对地电阻相同，故R2=R1//RF§10.5

基本运算电路一、比例运算电路2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

⑴电路组成⑵电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–因虚短，故

u–=u+=

ui

u+u–ifi1i1=if

⑶结论：①Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。§10.5

基本运算电路一、比例运算电路2.同相比例运算当R1=且RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，

称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–§10.5

基本运算电路一、比例运算电路2.同相比例运算负载电流的大小与负载无关。例：负载浮地的电压-电流的转换电路1.

能测量较小的电压；2.

输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi1§10.5

基本运算电路2.同相比例运算二、加法运算电路

1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1if因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

动画§10.5

基本运算电路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–§10.5

基本运算电路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–二、加法运算电路2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时同理，ui2单独作用时方法2：思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，用u–=u+的性质求解。u+§10.5

基本运算电路2.同相加法运算电路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–三、减法运算电路由虚断和虚短可得：分析方法1：iR1iRF由虚断可得：§10.5

基本运算电路ui2uoRFui1R3R2++–R1+–三、减法运算电路§10.5

基本运算电路如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–分析方法2：利用叠加原理u+ui1单独作用时ui2单独作用时三、减法运算电路§10.5

基本运算电路减法运算电路可看作是反相比例运算与同相比例运算电路的叠加。ui2uoRFui1R3R2++–R1+–四、积分运算电路由虚短及虚断可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++–uC+–当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有§10.5

基本运算电路若ui=Ui（恒定直流量）时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–UOMuotO+UOMui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用运放组成的积分电路,由于充电电流基本恒定,故uo是时间t的一次函数,从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–Ui四、积分运算电路§10.5

基本运算电路比例-积分运算电路uoCFuiR2R1++–RFifi1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。§10.5

基本运算电路五、微分运算电路ifi1由虚短及虚断可得

i1=ifuoC1uiR2RF++–uitOuotOUi–Ui§10.5

基本运算电路§10.5

基本运算电路比例-微分运算电路—PD调节器C1uiR2RF+–uo+R1ifiCiR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。电压比较器的基本功能：电压比较器用来对两个输入电压信号的大小进行比较。在输出端显示比较结果。电压比较器的用途：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。电压比较器的组成：运放工作在开环或引入正反馈状态。工作在非线性饱和区。§10.6电压比较器一、单限电压比较器§10.6电压比较器输入信号ui从运放的一端输入,而另一端加固定的参考电压UR

。URuouiR2++–R1+–++––1、反相输入电压比较器电压传输特性–UOM

+UOMuiuoOURui<UR时，uo=+UOM

ui

>UR

时，uo=–

UOM可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。输出跃变所对应的输入电压称阈值电压(门限电平)。一、单限电压比较器§10.6电压比较器URuouiR2++–R1+–++––1、反相输入电压比较器–UOM

+UOMuiuoOURuitOUROuot

+UOM

–UOMt1t2当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。一、单限电压比较器§10.6电压比较器2、同相输入电压比较器ui>UR，uo=+UOMui

<UR，uo=–UOMuiuoURR2++–R1+–++––uiuoOURtuiOURt1t2Ouot

+UOM–UOM–UOM+UOM3、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

–UOM

+UOMuiuoOUR§10.6电压比较器一、单限电压比较器4、过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波–UOM

+UOMuiuoOUR=0tuiOtuo+UOM–UOMO§10.6电压比较器一、单限电压比较器UR=0uouiR2++–R1+–+–5、电压比较器应用—过热保护RT是负温度系数热敏电阻，温度高，电阻小→

ui大→

uo=UOM

→T导通→

KA有电→停止电加热。§10.6电压比较器一、单限电压比较器URuoR2++–R1uiRTR3R4DKA+UCC控制对象电加热器KA~220V课堂练习[练习思考]P301：10.5.6

P302：10.5.8二、滞回电压比较器电路中引入正反馈RFR2uoui++–R1+–+–－－§10.6电压比较器单限比较器电路简单，但抗干扰能力差。在ui≈UR时，干扰易引起输出误跳变，故常采用滞回电压比较器。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。二、滞回电压比较器上门限电压下门限电压当uo=+UOM，则当uo

=–UOM，则门限电压受输出电压的控制RFR2uoui++–R1+–+–§10.6电压比较器上门限电压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

–UOM+UOM电压传输特性uitOuoOt+UOM–UOM两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器§10.6电压比较器RFR2uoui++–R1+–+–二、滞回电压比较器根据叠加原理，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–UOM+UOM电压传输特性当参考电压UR不等于零时§10.6电压比较器定义：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。§10.6电压比较器解：对图（1）

上门限电压

下门限电压例：电路如图所示，UOM=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）§10.6电压比较器解：对图（2）

例：电路如图所示，UOM=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）§10.6电压比较器（1）RFR2uoui++–R1+–+–+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

-661.335.33§10.6电压比较器§10.6电压比较器三、双限电压比较器uiuoO+UOM电压传输特性双限电压比较器应用于判断ui在两个给定电压之间。uoui++–++–UHULD1D2一、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。缺点：低频时体积大，很难做到小型化。优点：体积小、效率高、频率特性好。

按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。§10.8有源滤波器1.有源低通滤波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––设ui为正弦波信号,则故：一、有源滤波器§10.8有源滤波器若频率为变量，则电路的传递函数其模为幅频特性0|Auf0||T(j)|O§10.8有源滤波器当

>0时，|T(j)|

衰减很快显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。为了改善滤波效果，使

>

0时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一阶二阶幅频特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通滤波器uiuoRFCR++–R1+–+–设ui为正弦波信号，则故：一、有源滤波器§10.8有源滤波器2.有源高通滤波器一、有源滤波器§10.8有源滤波器可见，电路使频率大于0

的信号通过，而小于0

的信号被阻止，称为有源高通滤波器。其模为幅频特性0|Auf0||T(j)|O模拟开关模拟输入信号1.电路二、采样保持电路

SuC+–ui+–uo+–++–

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§10.8有源滤波器2.工作原理1.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+–++–二、采样保持电路§10.8有源滤波器§10.9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。一、矩形波发生器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

=+Uo(sat)

，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。RFCuC+–R1R2uo++–+–充电UR+–§10.9运放在波形产生方面的应用当uo

=+Uo(sat)时，电容充电，uC上升，电容放电，

uC下降，当uC=UR

时，uo

跳变成–Uo(sat)当uC=–UR

时，uo

跳变成

+Uo(sat)

，电容又重新充电。放电2.工作原理RFCuC+–R1R2uo++–+–充电UR+–RFCuC+–R1R2uo++–+–UR+–动画§10.9运放在波形产生方面的应用3.工作波形充电放电uouCt1t3t2T=T1+T2电容充放电过程，uC的响应规律为4.周期与频率T1T2T–Uo(sat)+Uo(sat)§10.9运放在波形产生方面的应用在充电过程中在放电过程中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

A1：滞回比较器

因

u–=0，所以当u+=0时，A1状态改变二、三角波发生器1.电路结构A2：反相积分电路Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1§10.9运放在波形产生方面的应用2.工作原理A1：滞回比较器因

u-=0，所以当u+=0时，A1状态改变输出uo1

改变(+UZ

跃变到–UZ

或–UZ

跃变到+UZ)，当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1动画§10.9运放在波形产生方面的应用TT1T23.工作波形4.周期与频率T=T1+T2

=2T1=2T2uo1

UZ

–UZtOuo

(1)改变比较器的输出uo1、电阻R1、R2即可改变三角波的幅值。

(2)改变积分常数RC

即可改变三角波的频率。动画§10.9运放在波形产生方面的应用三、锯齿波发生器1.电路Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1三角波发生器CR3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1uo1R'4D在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其输出锯齿波。§10.9运放在波形产生方面的应用2.波形CR3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1uo1R4'D1.电路tUZ–UZuouo1Ouo动画三、锯齿波发生器§10.9运放在波形产生方面的应用本章作业：P301：10.5.2P302：10.5.410.5.510.5.7§10.3

反馈的基本概念0、反馈的概念1、反馈：将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路回送到输入端。2、反馈放大电路的方框图输出信号输入信号反馈信号净输入信号反馈电路F基本放大电路Ao–+比较器§10.3

反馈的基本概念0、反馈的概念⑴开环放大倍数AO反馈电路F基本放大电路Ao–+⑵闭环放大倍数Af⑷比较环节⑶反馈系数§10.3

反馈的基本概念一、反馈的分类1、正反馈和负反馈引入正反馈的目的：使电路振荡，产生波形负反馈：反馈削弱净输入信号，使放大倍数降低。在放大电路中，若出现正反馈将使放大器产生自激振荡，使放大器不能正常工作。正反馈：反馈信号增强净输入信号，使放大倍数提高。引入负反馈的目的：改善放大电路的性能§10.3

反馈的基本概念一、反馈的分类2、直流反馈和交流反馈直流反馈：反馈只对直流分量起作用，反馈电路只能传递直流信号。交流反馈：反馈只对交流分量起作用，反馈电路只能传递交流信号。引入交流负反馈的目的：改善放大电路的性能引入直流负反馈的目的：稳定静态工作点§10.3

反馈的基本概念一、反馈的分类3、串联反馈和并联反馈并联反馈的作用：减小放大电路的输入电阻串联反馈的作用：增大放大电路的输入电阻串联反馈：反馈信号与输入信号串联，即反馈信号与输入信号以电压形式作比较。并联反馈：反馈信号与输入信号并联，即反馈信号与输入信号以电流形式作比较。§10.3

反馈的基本概念一、反馈的分类4、电压反馈和电流反馈

电流负反馈具有稳定输出电流、增大输出电阻的作用。

电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作用。电压反馈：反馈信号取自输出电压。电流反馈：反馈信号取自输出电流。§10.3

反馈的基本概念一、反馈的分类负反馈交流反馈直流反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈稳定静态工作点反馈正反馈振荡器—产生信号反馈的判别步骤⑶判别是否负反馈？⑵判别是交流反馈还是直流反馈？⑷是负反馈！判断是何种类型的负反馈？⑴找出反馈网络（一般是电阻、电容）。§10.3

反馈的基本概念二、反馈的判断§10.3

反馈的基本概念二、反馈的判断1、找出反馈网络⑴连接在输入与输出之间的元件。⑵为输入回路与输出回路所共有的元件。RE为输入、输出共有所以RE是反馈元件。例1：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–uoRFuiR2R1++––++–RF连接输入输出之间。§10.3

反馈的基本概念二、反馈的判断2、判断是交流反馈还是直流反馈RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–uoRFuiR2R1++––++–RF是交、直流反馈。交、直流信号均可通过RE，所以RE引入的是交、直流反馈。如有旁路电容,RE中仅有直流信号通过，这时RE引入的则是直流反馈。§10.3

反馈的基本概念二、反馈的判断3、判断反馈类型—串并联RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–+uf–ube+–ui

与

uf串联,以电压形式比较,净输入信号：ube

=ui-uf—串联反馈串并联反馈的判别:令ui=0(对地短路)若反馈信号不能存在,则是并联反馈;若不清楚则是串联反馈。§10.3

反馈的基本概念二、反馈的判断4、判断反馈类型—电压、电流RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–+uf–电压电流反馈的判别:令RL=0(输出对地短路)若反馈信号取不到(uf=0),则是电压反馈;若不清楚则是电流反馈。令RL=0(输出对地短路)反馈信号uf≠0RE是电流反馈。§10.3

反馈的基本概念二、反馈的判断5、正、负反馈的判断—瞬时极性法RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–+uf–设ui瞬时增加→uo变化→uf变化→净输入的变化：若净输入增大则为正反馈，若净输入减小则为负反馈。设基极瞬时极性为正，集电极与基极相反、发射极(接有RE)与基极相同的原则，标出相关各点的瞬时极性。－ube