第二单元运算放大器及其应用

第二单元运算放大器及其应用第1页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数运算放大器实际上是一种直接耦合的多级放大器,具有极高的电压放大倍数,其输入级都是用差动放大器组成的,中间级电路一般具有很大的放大倍数,输出级一般用射极跟随器第2页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数一、运算放大器的结构与主要参数（一）、为了便于了解运放的内部结构,介绍较为简单的早期的产品F004P31图2-11、组成：电路基本上由输入级、中间级及输出级三部分组成（1）输入级是一个由三级管V1、V2、V3组成的恒流源差动放大器，用来产生较大的共模抑制比，双端输出到中间级第3页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数（2）中间级的主要作用是产生较大的电压放大倍数，它由V4、V5组成的差动放大器（射极输出）及放大管V6两部分组成，二极管V10（用三极管代替）与电阻R7对恒流管V3提供偏置并产生直流反馈以稳定静态工作点V4、V5组成的差动放大器隔离了中间级与输入级，减轻了输入级的负载三极管V6的工作状态较为特殊，它的发射极与基极分别接到差动放大器V4、V5输出的一对差模信号上，使放大倍数成倍提高。V6管的0.7V静态偏置是由二极管V11产生的，V6管的负载是输出级的基极。输入级与中间级总的电压放大倍数约为5*104第4页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数（3）输出级是一个由V7、V8组成的射极跟随器三级管V9是输出级的恒流源负载，对输出级起到产生直流偏置的作用，V7、V8组成复合管形式，使这一级总的β为两个三极管β1β2的乘积，加上V9的恒流作用使得电路极大地减小了输出电阻，提高了集成运放带负载的能力运算放大器尽管型号繁多，但其基本原理是相似的，由于它的放大倍数很大，因此只要输入端有微小的零漂（这是无法避免的），输出级就会工作到饱和区和截止区，零漂严重到无法正常工作第5页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数2、电路符号：P32图2-2若要使运算放大器工作在放大状态，使用时必须加上负反馈才能正常工作，因此，我们要注意的是运算放大器与外部的反馈电阻等元件是如何连接的，对运算放大器内部的电路是根本不需要把它画出来的一个运算放大器的电路符号通常也只需要表示出它的两个输入端及一个输出端是怎样与外部电路连接的就可以了,运放的正负电源等接线端一般也不画出来了。两个输入端上分别标有“+”“-”号，“+”表示同相输入端，意思是这一输入端的信号的极性与输出端的极性是相同的；“-”表示反相输入端，意思是这一输入端的信号的极性与输出端的极性是相反的第6页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数第7页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数二、运算放大器的主要技术指标1.开环差模放大倍数Aod指运放在没有反馈时的差模电压放大倍数。习惯上运放的Aod值是用（dB）来表示。分贝数（dB）=20lg倍数。运放的开环差模放大倍数都很高2.共模抑制比CMRR第8页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数3.输入失调电压U由于运放的放大倍数Aod极大,开环工作时即使输入为0,输出端的零漂还是十分严重的,输出级通常就在饱和区或截止区,输出电压接近为电源电压。此时为了使输出电压为0，需要在输入端加入一个微小的电压。调整这一电压的大小可以使输出电压为0，这一电压就称为“输入失调电压”，以符号Uio第9页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数4.输入偏置电流IB与输入失调电流Iio运放的输入端是差动放大器的基极，静态时两个输入端有一定的偏置电流，这两个偏置电流的平均值就是运放的输入偏置电流IB，两个偏置电流之差就是运放的输入失调电流Iio。5.失调电压的温度漂移ΔUio/ΔT与失调电流的温度漂移ΔIio/ΔT失调电压Uio与失调电流Iio是随着温度T的升高而增大的,温度每升高1度,失调电压或失调电流的增大值就是失调电流的温漂。第10页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数6.输入电阻由于运放输入信号极其微小，所以输入级一般都可用微电流源作为偏置以提高输入电阻。输入电阻一般都很大。7.最大差模输入电压Uidmax指两个输入端之间所能承受的最大电压，超过这一电压将可能使运放的输入端击穿。8.最大共模输入电压Uicmax指运放所能承受的最大共模电压,超过这一电压将使运放的共模抑制比显著下降。第11页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节运算放大器的结构与主要参数三、运算放大器的两种应用方式运算放大器的应用方式有线性应用与非线性应用两种。1、线性应用是指运算放大器工作在其特性的线性区，运放内部的三极管都工作在放大区，运放的输入输出关系成线性关系。这种应用方式的基本电路有反相比例、同相比例、加法、差动、积分、微分等各种运算电路。2、运放的非线性应用是运算放大器工作在其特性的非线性区，运放内部的三极管工作在饱和区或截止区，运放的输入输出关系为非线性关系。这种应用方式的基本电路是比较器，用比较器可以组成电平比较、波形变换以及波形产生等各种应用电路第12页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用可以遵循两个原则一是运放的两个输入端的电位相等表示同相端的电位，可以得出：U_=U+这种情况称为“虚短”，意思是两个输入端犹如短路一样，其电位是相等的。当然这不是真正的短路，所以称为“虚短”。二是运放两个输入端的输入电流为0。因为运放的输入电阻很大，在极小的静输入电压作用下，可以认为运放两个输入端的输入电流为0。第13页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第14页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用一、反相比例放大电路P33图2-31、电路的闭环电压放大倍数

Auf=U0/Ui=-IfRf/IfR1=-Rf/R1

P342、与电压并联负反馈计算闭环电压放大倍数的公式是完全一致的。3、由于电路是深度电压负反馈，其输出电阻近似为零，无论电路是否带上负载，其电压放大倍数不变。4、R2的大小并不影响放大倍数，其作用是用来平衡运放输入端的静态电流在电阻R1和Rf的压降5、电路的放大倍数取决于电阻Rf与R1之比，因此两个电阻如果同时增大或减小若干倍是不影响放大倍数的。电路的输入电阻R1一般可以取10~100KΩ左右第15页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第16页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用二、同相比例放大电路1、电路的闭环电压放大倍数Auf

=U0/Ui=R1+Rf/R1=1+Rf/R1

P35与电压串联负反馈电路计算闭环电压放大倍数的公式是完全一致的。2、作为深度电压串联负反馈电路具有输入电阻接近无穷大的特点。但是，同相比例放大电路的输入端上有较大的共模信号，运算误差较反相比例电路大一些。3、电压跟随器：电阻R1断开，并把电阻Rf与R2短接。其放大倍数为1，Uo=Ui。电路起到了隔离信号源与负载的作用。第17页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第18页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用三、加法运算电路加法运算电路，其输入可以有几个端子，输出电压U0与输入端上的每一个电压都成线性关系，因此称为“加法运算电路”或“加法器”。Uo=-IfRf=-(I1+I2)Rf=-(Rf/R1*U1+Rf/R2*U2)

P36电路的输出是与两个输入信号都成线性关系的，只是由于信号是从反相输入端输入的，因此输出与输入是反相的，如果要使输出与输入同相，可以在加法器的后面再加上一级反相比例放大电路或者把输入信号全部从同相端输入叠加，组成同相输入的加法电路，但是这种电路对每个输入的放大倍数不能单独调节，使用不太方便。第19页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第20页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第21页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用四、差动放大电路1、电路的运算关系为输出电压与输入电压之差成正比，故称为“差动放大电路”。2、通常电路都采用对称的结构，即取电阻R1=R2，R3=R4,在此条件下，电路的运算关系为：

Uo=R3/R1*(U2-U1)

P37第22页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第23页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用五、积分器P381、概念：电路的输出电压与输入电压对时间的积分成正比2、运算关系：u0=–1/RC∫uidt积分器通常输入的信号是一个直流电压，当输入电压为直流电压Ui时，积分器的输出将是一个随着时间线性变化的斜坡函数电压的变化速率与时间常数RC有关，时间常数RC大则变化慢，反之则变化快。式中的负号是由于输入电压是从反相输入端输入的缘故Uo=—Ui/RC*t+Uo（0）P39第24页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第25页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第26页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用3、积分器的应用举例P40图2-124、积分器存在的问题P40（1）爬行现象当积分器的输入电压为O时，输出电压也应该维持一个恒定的值不变，但是实际电路的输出往往会有一些缓慢的增大或减小，这就是输出电压的“爬行现象”（2）泄漏现象当输入电压为恒定的直流时，输出电压本来应该是线性变化的，但是实际上由于电容本身存在漏电，相当于电容上并联了一个绝缘电阻，因此输出电压的增大（减小）速率就比理想情况要慢一些，造成了积分运算的误差。第27页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用第28页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节运算放大器的线性应用六、微分器变化积分器中的位置，就可以组成微分器。1、输入与输出的运算关系：Uo=—RC*Δui/ΔtP41微分器输出电压的大小与输入电压的变化率成正比，输入电压变化越快输出电压就越大，输入电压变化越慢输出电压就越小，输入电压无变化就没有输出，而且输出电压的极性与输入电压的变化方向有关，输入电压增大或减小时，输出电压的极性是不同的。第29页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用一、电平比较器运算非线性应用的典型例子P42图2-14a1、是开环使用的，运放的同相输入端接输入信号ui，反相输入端接参考电平UR。由于运放有极大的放大倍数，因此输入电压Ui＞参考电压UR，那么输出端似乎就应该得到一个极大的正电压，但是由于受到运放电源电压的限幅，所以输出电压就近似于正的电源电压+Ucc；反之，如果输入电压Ui＜参考电压UR，那么输出电压就近似于负的电源电压—Ucc第30页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用电平比较器的输入与输出关系为电路的传输特性P42图2-14b2、如果将两个输入信号交换一下位置，比较器也是可以工作的。只是它的传输特性颠倒了,反相端输入时的传输特性输入电压Ui＞参考电压UR，那么输出电压为电源电压—Ucc输入电压Ui＜参考电压UR，那么输出电压为电源电压+Ucc第31页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用3、过零比较器:如果比较器的参考电压为0,这个比较器有称为“过零比较器”，电路就只判别输入信号是大于零还是小于零（1）带有输入、输出限幅电路的过零比较器由于运算放大器作为比较器使用时运放的两个输入端之间存在有较大的电压，为了避免损坏运放，在两个输入端之间接上两个反并联的二极管以限制输入电压，输出电压的大小也可以用双向稳压管来达到限幅的目的。P43图2-16（2）作用：波形变换、检测物体P43（3）例题2-3第32页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用二、滞回特性比较器电平比较器的传输特性在输入电压增大与减小时，对应翻转点的输入电压是相同的，都是比较电平UR。这样的电路如果输入电压在参考电平附近有微小的波动（例如干扰引起的波动），则输出电压就会不断翻转，电路的抗干扰性能较差。为了解决这一问题，可以采用滞回特性比较器。第33页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用1、工作原理与传输特性P44图2-18（1）它是电平比较器加上正反馈得到的，其传输特性与电平比较器的传输特性有着明显的区别，当输入电压增大与减小时，翻转点的电平是不一样的（2）设双向稳压管的稳定电压为UZ，当输入电压为较大的负值时，输出电压应为+UZ。同相端的电压（即翻转电压）应为：U′=UZ*R2/R1+R2第34页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用（3）当输入电压逐渐增大到略大于U′时,输出电压翻转为-UZ.由于反馈的作用,这一翻转的过程是很快的,此时运放同相端的电压也相应改变为负值,即:

U"=-UZ*R2/R1+R2

（4）在输出翻转之后,如果输入电压减小到比原来的翻转电压U′略小一些,由于同相端的翻转电压已经变为负值(U"),因此电路不可能再次翻转.这一情况一直要维持到输入电压减小到比U"略小一些之后,才会再次翻转,这样大大地提高了电路的抗干扰能力.

4、例题2-4P44~P45第35页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用三、非正弦波发生器1、矩形波发生器P46图2-20电路是由滞回特性比较器与RC充放电电路组成的,当比较器输出电压为正值时,输出电压U0通过电阻R对电容C充电.电容电压uC随指数规律上升,待电容电压上升到翻转电压U′时,输出翻转为负值,电容放电(放电完毕后又随之反向充电),电容电压随指数规律下降,待电压下降到翻转电压U"时,输出电压又翻转为正值¨¨¨,如此周而复始,反复振荡。由于电路充电与放电的时间常数相同，翻转点的电压U′与U"的绝对值也相同，因此充放电的时间是相同电路输出的波形是正、负半周对称的矩形波，矩形波的幅度为双向稳压管的稳定电压±UZ，电容充放电波形的幅值为比较器的翻转电压U′与U"。T=2RCln（1+2R2/R1）第36页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用2、锯齿波发生器P47图2-21（1）组成运放N1组成的电路是滞回特性比较器，输出矩形波。运放N2则组成一个积分器，输出锯齿波。（2）工作原理N1：输出U01不是+Uz就是—UzN1的输入电压就是N2的输出电压N1的参考电压OVU‘=—U“=R2/R3*Uz（参考P46）第37页，共45页，2023年，2月20日，星期一第38页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用当积分器输入+Uz的作用下，二极管V2导通，积分器通过R5对电容充电，运放N2输出线性下降，待输出电压U02达到翻转电压U"时，比较器输出翻转，U01输出-Uz，此时积分器的输出电压U02上升，二极管V2截止，积分器只有通过电阻R6才能使电容放电（接着反向充电），由于电阻R6比R5要大得多，电路的积分时间常数大大增大，输出电压U02的上升速度就大大减慢，待电压上升到了翻转电压U'时，比较器输出再次翻转，U01输出+Uz，积分器输出电压U02又会以较快的速度下降，……如此振荡不已。输出波形：见上册P47图2-21C

第39页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用（3）、斜率与周期锯齿波上升时的斜率为 Uz/R5C电压从U"上升到U'，其上升的幅度为2U'2U'=Uz/（R5*C）*T1周期：T≈T1+T2=2*（R2/R3）*（R6*C）+2*（R2/R3）*（R5R6/R5+R6）*C≈T1

这个电路的缺点是锯齿波的幅度与频率不能分别调节,调节锯齿波的幅度需要改变R2与R3的比值,但此时输出的频率也改变了。第40页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用3、三角波发生器（1）组成N1是积分器,输出三角波,积分器的输入电压的大小由电位器RP1调节,起到调节振荡频率的作用.

,如调节电位器RP1或改变R2、C的参数对电路的影响是电路的振荡频率会变化N3是电平比较器,输出矩形波,它的输出接有限幅电路可以通过电位器RP2调节输出矩形波的正向幅度,通过电位器RP3调节输出矩形波的负向幅度第41页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节运算放大器的非线性应用

N2是电平比较器，它的两个输入端通过电阻R3，R4分别与电压U01，U03相接，当这两个输入端的电压大小相等，极性相反时，N2的输出就会翻转，其输出电压受VD1、VD2的限幅为+/-0.7V的方波（2）工作原理

当电路输出的U0