第9章集成运算放大器课件

第9章集成运算放大器9.1

集成运算放大器的组成9.2

集成运算放大器的符号和型号9.4

集成运算放大器的主要参数9.5

集成运算放大器组成的各种运算电路9.3

集成运算放大器分类9.6

集成运算放大器在有源滤波电路中的应用9.7

比较器9.8

集成运算放大器在波形产生电路中的应用1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.熟悉运算放大器的电压传输特性，掌握理想运算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解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、波形产生电路的工作原理。4.掌握电压比较器的工作原理和应用。本章要求第9章集成运算放大器集成电路:它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容、以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称为固体器件优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的三结合返回目录

输入级：能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用差分放大电路。

中间级：要求电压放大倍数高。常采用共发射极放大电路。

输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由功率放大电路构成。

偏置电路：为各级电路提供稳定和合适的偏置电流。一般由电流源电路构成。中间级输入级输出级偏置电路9.1集成运算放大器的组成

集成运算放大器的特点特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Avo高:80dB~140dBRid高:105~1011Ro低:几十

~几百KCMRR高:70dB~130dB集成运放的符号：vo++Auov+v–。。

。+VCC–VEE–1.最大输出电压VOPP

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Avo

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Avo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VICM

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VIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB9.3集成运算放大器的主要参数1.理想运算放大器Avo

，Rid，Ro0，KCMRR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：vo

=Avo(v+–v–)非线性区：v+>v–

时，vo=+Vo(sat)

v+<v–

时，vo=–Vo(sat)

+Vo(sat)

v+–v–

vo–Vo(sat)线性区理想特性实际特性vo++v+v–+VCC–VEE–饱和区O9.4集成运算放大器组成的各种运算电路3.理想运放工作在线性区的特点因为vo

=Avo(v+–

v–

)所以(1)差模输入电压约等于0

即v+=v–

,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

Avo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。++∞uov–v+i+i––

v+–v–

vo线性区–Vo(sat)+Vo(sat)O4.理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Vo(sat)或–Vo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当v+>v–

时，vo=+Vo(sat)

v+<v–

时，vo=–Vo(sat)

不存在“虚短”现象

v+–v–

vo–Vo(sat)+Vo(sat)O饱和区运算放大器在信号运算方面的运用

集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。

运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。uoRFviR2R1++––++–9.4.2反相放大器和同相放大器1.

反相比例运算（1）电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。（2）电压放大倍数因虚短,

所以v–=v+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+所以i1if

因要求静态时v+、v–

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFv+v–(5)电压并联负反馈,输入、输出电阻低,ri=R1。共模输入电压低。结论：(1)Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。(2)Auf

只与外部电阻R1、RF

有关,与运算放大器本身参数无关。(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”。例1: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)=9.1kuO2.同相比例运算因虚断，所以v+=vi

（1）电路组成（2）电压放大倍数voRFviR2R1++––++–因虚短，所以

v–=v+

，反相输入端不“虚地”

因要求静态时v+、v对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFv+v–ifi1i–i+(5)电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低，共模输入电压可能较高。结论：(1)Auf为正值，即

uo与ui

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

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。

当R1=且RF

=0时，vo=vi，

Avf=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。vovi++––++–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压vo不会随之变化。vo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：负载电流的大小与负载无关。

例2：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IGVxR2R1+–++–RLviR2R1+–++–iLi19.4.3基本运算电路1.反相加法运算电路因虚短,v–=v+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifvi2voRFvi1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

vi1单独作用(ui2＝0)时，同理，vi2单独作用时vi2voRFvi1Ri2Ri1++–R1+–方法2：

平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFv+思考v+=?也可写出v–和v+的表达式，利用v–=v+的性质求解。vi2voRFvi1Ri2Ri1++–R1+–1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：3减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：vi2voRFvi1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。分析方法2：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。v+vi2voRFvi1R3R2++–R1+–++––例：同相串联的减法运算电路

该电路具有极高的输入电阻，又可实现两信号相减的运算电路。解：试用集成运放实现uO=0.5uI的运算关系。要求画出电路原理图，并估算电阻元件的参数值（设反馈电阻为10k）。

解：可采用两级反相比例运算电路来实现。再使，则使uO1=

-0.5uI，得如图所示的是由三个集成运放组成的测解：根据理想集成运放“虚断”和“虚短”可得：量放大电路。试导出输出电压与输入电压的关系。将后2式分别代入第1式得：

可见，输出电压与输入电压的差模分量有关，只要保证外电路元件严格对称，就能实现只放大差模信号，抑制温漂等共模信号。改变Rp可以调整放大倍数。4积分运算电路

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uoCFviR2R1++––++–vC+–

当电容CF的初始电压为vC(t0)时，则有若输入信号电压为恒定直流量，即vi=Vi

时，则vitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–Vo(sat)votO+Vo(sat)vi=Vi>0

vi=–Vi<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故vo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Vi–Vi5微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifvoC1viR2RF++––++–vitOvotOVi–Vi理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Vo

(sat)

或–Vo(sat)

当v+>v－

时，vo=+Vo

(sat)

v+<v－

时，vo=–

Vo(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

v+–v–

–Vo(sat)+Vo(sat)饱和区O9.6

电压比较器9.6

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正反馈状态。电压传输特性–Vo(sat)+Vo(sat)运放处于开环状态9.6.1单门限电压比较器阈值电压(门限电压)：输出跃变所对应的输入电压。vivoOVRVRvoviR2++–R1+–++––当v+>v–

时，vo=+Vo

(sat)

v+<v–

时，vo=–Vo

(sat)

即vi<VR时，vo=+Vo

(sat)

vi

>VR

时，vo=–

Vo

(sat)可见，在vi=VR处输出电压vo发生跃变。参考电压vitOVROvot+Vo

(sat)–Vo

(sat)

VRvoviR2++–R1+–++––电压传输特性–Vo(sat)+Vo(sat)vivoOVR9.6.1单门限电压比较器vi>VR，vo=+Vo

(sat)vi

<VR，vo=–Vo

(sat)VRvoviR2++–R1+–++––vivoVRR2++–R1+–++––

–Vo(sat)

+Vo(sat)vivoOVR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Vo(sat)+Vo(sat)vivoOVRVRvoviR2++–R1+–++––vivoVRR2++–R1+–++––Ot+Vo(sat)–Vo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端vitOVROvot+Vo

(sat)–Vo

(sat)输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为VZ，忽略稳压管的正向导通压降则vi

<

VR，vo

=+VZ

vi>VR，vo=–VZ+VZ–VZvo'RDZVRvoviR2++–R1+–++––电压传输特性–Vo(sat)+Vo(sat)vivoOVRvi<VR时，vo'

=+Vo

(sat)

vi

>VR

时，vo'

=–

Vo

(sat)

过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波voviR2++–R1+–+–电压传输特性–Vo(sat)+Vo(sat)vivoOVR=0tviOtvo+Vo(sat)–Vo(sat)O9.6.2迟滞比较器上门限电压下门限电压

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

=–Vo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2vovi++–R1+–+–－－uivoO

–Vo(sat)+Vo(sat)电压传输特性vitOvoOt+Vo(sat)–Vo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——迟滞比较器RFR2vovi++–R1+–+–vi升比上门限vi降比下门限过了门限输出变门限跟着输出变根据叠加原理，有改变参考电压VR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+VR–RFR2vovi++–R1+–+–vivoO–Vo(sat)+Vo(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，V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VR可以改变上、下门限电压，但不影回差电压V。

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）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）（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-661.335.339.8

集成运算放大器在波形产生电路中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+–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)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：

=RFC

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2三角波发生器1.电路结构A2：反相积分电路Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R12.工作原理A1：滞回比较器因

u-=0，所以当u+=0时