集成运算放大器

集成运算放大器第1页，共65页，2023年，2月20日，星期二本章要求一、了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。二、掌握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。三、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。四、掌握电压比较器的工作原理和应用。第2页，共65页，2023年，2月20日，星期二第一节集成运算放大器简介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。一、集成运算放大器电路特点uP输入级中间级输出级偏置电路uNuO输入级：采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小零点漂移和抑制干扰信号。第3页，共65页，2023年，2月20日，星期二一、集成运算放大器电路特点u+输入级中间级输出级偏置电路u-uO中间级：主要进行电压放大，一般由共发射极放大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为以上三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。第4页，共65页，2023年，2月20日，星期二二、集成运算放大器的符号、引脚符号：引脚第5页，共65页，2023年，2月20日，星期二三、集成运算放大器的主要参数1.开环差模电压增益Auo

Auo是指集成运放在没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数，也称开环电压增益。Auo一般在80～140dB，即104～107。2．最大输出电压Uopp集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电源电压有关。第6页，共65页，2023年，2月20日，星期二3．输入失调电压UIO要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为几毫伏，理想集成运放的UIO为零。4．输入失调电流IIO输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极电流之差，一般在零点零几微安级，IIO越小越好。5．输入偏置电流IIB输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。第7页，共65页，2023年，2月20日，星期二6．最大共模输入电压UICM允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于UICM时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。7．最大差模输入电压UIDM两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过UIDM，将引起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。8．共模抑制比KCMR主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。第8页，共65页，2023年，2月20日，星期二四、理想运算放大器及其分析依据1．理想运算放大器的慨念开环差模电压放大倍数无穷大Auo

，差模输入电阻无穷大

rid，开环输出电阻为零ro0，共模抑制比无穷大

KCMR2．运算放大器传输特性与基本工作方式

+Uo(sat)–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区

O

u+–u–

uo第9页，共65页，2023年，2月20日，星期二线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)–Uo(sat)线性区理想特性实际特性饱和区

O

u+–u–

uo理想运算放大器第10页，共65页，2023年，2月20日，星期二3.理想运放工作在线性区的两条分析依据1)由于Auo→∞，而输出电压uo是一个有限的数值++∞uou–u+i+i––uo

=Auo(u+–

u–

)称为“虚短”。2)rid→∞，且u+－u-≈0输入电流近似为0，即i+=i–0，称“虚断”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。第11页，共65页，2023年，2月20日，星期二4.理想运放工作在饱和区

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)

O饱和区输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象当u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

第12页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-1F741运算放大器的正、负电源电压为±15V，开环差模电压放大倍数Auo=2×105，输出饱和电压±Uo(sat)=±13V。输入电压分别为：(1)u+=15µV,u-＝-10µV;(2)u+

＝-5µV,u-＝10µV；(3)u+

＝0V,u-

＝＋5mV;(4)u+

＝5Mv,u-＝0V，求输出电压及其极性。解：只要两个输入端之间的电压绝对值超过65µV,输出电压就达到正或负的饱和值。第13页，共65页，2023年，2月20日，星期二(1)(2)(3)(4)u+=15µV，u-＝－10µV；(2)u+＝－5µV，u-＝＋10µV；(3)u+＝0V,u-＝＋5mV；(4)u+＝5mV，u-＝0Vuo

=Auo(u+–

u–

)第14页，共65页，2023年，2月20日，星期二第二节集成运算放大器在运算方面的应用集成运算放大器引入适当的负反馈，可以使输出和输入之间具有某种特定的函数关系，如比例、加法、减法、积分、微分、对数与反对数、乘除等运算。一、比例运算1．反相输入比例运算电路输入、输出另一端均为地,“、+、-”可略。uoRFuiR2R1++––++–要求输入级u+、u–

端对称（对地电阻相同），平衡电阻R2=R1//RF第15页，共65页，2023年，2月20日，星期二ifiii–i+uoRFuiR2R1++–反相比例运算

因虚短,所以u–=u+=0因虚断，i+=i–=0

，

所以iiif

闭环电压放大倍数：反馈类型交直流并联电压负反馈第16页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-2电路如图所示，试分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数Auf。1.当S断开时：解：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif第17页，共65页，2023年，2月20日，星期二2.当S闭合时：uouiR21kΩ++––++–1kΩ1kΩS10kΩiiif第18页，共65页，2023年，2月20日，星期二2．同相输入比例运算电路uoRFuiR2R1++–R2=R1//RF由于虚短ifi1闭环电压放大倍数:因虚断,i+=i–=0反馈类型交直流串联电压负反馈第19页，共65页，2023年，2月20日，星期二uiuoRFR3R2++–R1第20页，共65页，2023年，2月20日，星期二当R1=且RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。uoui++–uo++–15k15k+15V

7.5k例3-3试计算图示电路中uo的大小。解：由于

uo只与电源电压和分压电阻有关，而与负载电阻大小和运放的参数无关。第21页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-4如图所示电路，已知RF＝100kΩ，R1＝50kΩ，输入电压ui＝3sinωtV，求电压放大倍数和输出电压uo。uoRFuiR2R1++–解：电压放大倍数第22页，共65页，2023年，2月20日，星期二二、加法运算

1.反相加法运算电路

平衡电阻：R2=Ri1

//Ri2

//RFii3ii1if因虚短,u–=u+=0因虚断，i–=i+=0

当Ri1=Ri2=Ri3=RF时，uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2ii2第23页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-5一个测量系统的输出电压和某些输入信号的数值关系为uo=-(4ui1+2ui2+0.5ui3)，试选择图示电路中各输入电路的电阻和平衡电阻。设RF=100kΩ。uoui1RFui3Ri1Ri3++–R2ui2Ri2解：第24页，共65页，2023年，2月20日，星期二

2.同相加法运算电路ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–（自行分析同相加法运算电路）第25页，共65页，2023年，2月20日，星期二三、减法运算ui2uoRFui1R3R2++–R1R2//R3

=R1

//RF利用叠加原理:减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。

ui1单独作用时，为反相输入比例运算：

ui2单独作用时，为同相输入比例运算：u+第26页，共65页，2023年，2月20日，星期二ui2uoRFui1R3R2++–R1u+如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

输出电压等于两个电压之差。第27页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-6在图示电路中，已知ui1=2V，ui2=1V，求输出电压uo。uo1ui1++–+–uoui2RRRA1A2+RRR解：第28页，共65页，2023年，2月20日，星期二四、积分运算uoCFuiR2R1++–ifi1uC+–由虚短及虚断性质可得i1=if

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有第29页，共65页，2023年，2月20日，星期二若ui为阶跃电压时uitOUi积分饱和线性积分时间uotO+Uo(sat)–Uo(sat)输出电压随时间线性变化第30页，共65页，2023年，2月20日，星期二

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。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。第31页，共65页，2023年，2月20日，星期二五、微分运算uoC1uiR2RF++–由虚短及虚断性质可得i1=ififi1uitOUi若ui为阶跃电压时uotO第32页，共65页，2023年，2月20日，星期二第三节集成运算放大器在测量技术中的应用一、电压源、电流源I1IFRFUOUZR2++–R1RVS＋－+US由虚短及虚断性质可得输出电压可以认为是恒压源。改变反馈电阻RF的大小，可以改变输出电压UO的大小。第33页，共65页，2023年，2月20日，星期二电流源ILRFUZR2++–R1RLVS＋－+USF由虚短及虚断性质可得

IL的大小与负载电阻RL无关，所以该电路构成电流源电路，改变RF的大小可以改变电流源的电流值。反馈类型交直流串联电流负反馈第34页，共65页，2023年，2月20日，星期二二、电压、电流的测量IPRF++–UXRP这种毫伏表能测量1mV左右电压，具有高灵敏度，高输入电阻、高稳定性能等优点。例如：表头是一块100µA的直流微安表，RF取10Ω，则可测量的满偏电压UX=IPRF=1mV。以直流毫伏表为基础，加上分压器或分流器就可以构成多量程的直流电压表或电流表。如果将表头改接到一个桥式整流电路中，就可以测量交流电压和交流电流。第35页，共65页，2023年，2月20日，星期二第四节集成运算放大器在信号处理方面的应用一、有源滤波器滤波器就是一种选频电路。它让一定频段的信号通过(衰减很小)，而抑制其余频段的信号(衰减很大)。滤波器通常分为低通、高通、带通及带阻等。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。第36页，共65页，2023年，2月20日，星期二一、有源滤波器1.有源低通滤波器uiuoRFuCCR++–R1+–第37页，共65页，2023年，2月20日，星期二uiuoRFuCCR++–R1+–若频率为变量，为通频带放大倍数第38页，共65页，2023年，2月20日，星期二幅频函数：相频函数:第39页，共65页，2023年，2月20日，星期二幅频特性0|Auf0||Auf(j)|O幅频函数：第40页，共65页，2023年，2月20日，星期二uoRFCR++–R1uiRC二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。二阶一阶幅频特性0|Auf0||T(j)|O第41页，共65页，2023年，2月20日，星期二2.有源高通滤波器uiuoRFCR++–R1第42页，共65页，2023年，2月20日，星期二若频率为变量，uiuoRFCR++–R1为通频带放大倍数第43页，共65页，2023年，2月20日，星期二幅频函数：相频函数:第44页，共65页，2023年，2月20日，星期二幅频特性0|Auf0||Auf(j)|O第45页，共65页，2023年，2月20日，星期二3.有源带通滤波器将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率，则构成有源带通滤波器。第46页，共65页，2023年，2月20日，星期二4.有源带阻滤波器将低通滤波器和高通滤波器并联，并使高通滤波器的截止频率大于低通滤波器的截止频率，则构成有源带阻滤波器。第47页，共65页，2023年，2月20日，星期二控制信号二、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。模拟开关模拟输入信号采样存储电容电压跟随器

SuC+–ui+–uo+–++–uG第48页，共65页，2023年，2月20日，星期二采样阶段：

uG为高电平，S闭合，ui对存储电容C充电，uo=uC

=ui

。保持阶段：

uG为0，

S断开，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。控制信号uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。

SuC+–ui+–uo+–++–uG第49页，共65页，2023年，2月20日，星期二三、电压比较器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。

运放工作在开环状态或引入正反馈，运算放大器工作在饱和区。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”现象第50页，共65页，2023年，2月20日，星期二URuouiR2++–R1参考电压电压传输特性:

–Uo(sat)

+Uo(sat)运放处于开环状态uiuoOUR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。ui与uo的关系第51页，共65页，2023年，2月20日，星期二

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURuitOURt1t2Ouot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)URuouiR2++–R1第52页，共65页，2023年，2月20日，星期二当UR=0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器。电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0uouiR2++–R1tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O利用电压比较器将正弦波变为方波第53页，共65页，2023年，2月20日，星期二ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)uiuoURR2++–R1

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在同相端Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uouitOURt1t2电压传输特性第54页，共65页，2023年，2月20日，星期二输出带限幅的电压比较器uo'RVSuouiR2++–R1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=–UZui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

+UZ

–UZ电压传输特性uiuoO第55页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-7电路如图所示，输入电压ui是一正弦电压，其周期为T，输出端外接RC电路的时间常数RC<<，试画出uo、uA、uL的波形。uoRVDuLuiRL++–+–CAui>0

时，uo=+Uo

(sat)

ui

<0

时，uo=–

Uo

(sat)

tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O第56页，共65页，2023年，2月20日，星期二uoRVDuLuiRL++–+–CAtuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OtuAOtuLO由于RC<<，且uA、uL均由电阻上获得，故为微分电路。当uo=Uo(sat)时,二极管VD导通,微分电路的时间常数而当uo=-Uo(sat)时,二极管VD截止,电路的时间常数变为

+Uo(sat)–Uo(sat)+Uo(sat)第57页，共65页，2023年，2月20日，星期二例3-8如图所示的电压比较器，试分析并画出其电压传输特性曲线。URuouiR2++–R1RP当同相输入端P点电位UP为零时，电压比较器输出发生翻转门限电平为阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。第58页，共65页，2023年，2月20日，星期二URuouiR2++–R1RP

–Uo(sat)

+Uo(sat)