第八章-集成运算放大器课件

第8

章

集成运算放大器（IOP）8.1集成运算放大器简介8.2运放的线性应用电路8.3运放的非线性应用电路8.4使用中的一些问题内容提要运算放大器实质：高开环放大倍数并带有深度负反馈的直接耦合多级放大电路一、方框图8.1.1OP的组成（P2277.1）简单运算放大器同相反相输入级的零点漂移小，具有较大的共模抑制比，输入阻抗高，一般为双入-双出差动放大电路。中间级将双出变为单出并进行电平转移使uo

静态为0，具有很高的放大倍数。输出级采用OCL（无输出电容的互补功率输出），输出阻抗小，带负载能力强。二、符号

(a)(b)

(a)国家标准符号(b)原符号

‘v+’（‘vP’）——同相输入端

‘v-’（‘vN’）——反相输入端

‘vo’——输出端

另外：正、负电源端，补偿端和调零端等集成运放的符号和电压传输特性在线性区域线性区非线性区非线性区两个工作区域运放的电压传输特性设：电源电压±VCC=±10V。运放的AVO=104│Ui│≤1mV时，运放处于线性区。AVO越大，线性区越小，当AVO→∞时，线性区→0AVO为开环放大倍数理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！非线性区（正、负饱和输出状态）运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法：“虚断”

三、型号命名

数字序号

(与世界上其它厂家同类型产品的序号相同。)

其它例如:集成功率放大器的型号命名CD－－－－

集成稳压器的型号命名CW－－－－第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分字母符号国标字母器件类型数字品种字母工作条件字母封装符号意义符号意义符号意义符号意义C中国制造THECFDWJBTTLHTLECLCMOS线性放大音响电视稳压器接口电路非线性CERM0~70C-40~85C-55~85C-55~125CWBFDPJKT陶瓷扁平塑料扁平全封闭扁平陶瓷直插塑料直插黑陶瓷直插金属菱形金属圆形CF741目前，集成电路的命名国际上还没有一个统一的标准，各制造公司都有自己的一套命名方法，给我们识别集成电路带来很大的困难，但各制造公司对集成电路的命名存在一些规律。NationalSemiconductorCorp.（国家半导体公司〕

AD：A/D转换器；DA：D/A转换器；

CD：CMOS数字电路；LF：线性场效应；

LH：线性电路（混合〕；LM：线性电路〔单块〕；

LP：线性低功耗电路。

LM324N3字头代表民品LM224N2字头代表工业级LM124J1字头代表军品

LF356BI-FET单运算放大器运算放大器外形图运算放大器外形图F007(A741)

电路原理图F007(A741)

电路中的放大电路部分

一、静态参数

1.输入失调电压Uio

：(inputoffsetvoltage)

对称性

mV/uV

2.输入失调电流

Iio

：(inputoffsetcurrent)

Iio=I+-I-uA/pA

3.输入偏置电流IB

：(inputbiascurrent)Iio=(I++I-)/2平均值

nA8.1.2主要参数4.输入失调电压温漂

dUio/dT5.输入失调电流温漂dIio/dT

6.最大差模输入电压Uidmax

超过反向击穿7.最大共模输入电压Uicmax

超过时差动对管饱和，放大器不能正常工作。P2297.1.4二、动态技术指标

1.开环差模电压放大倍数

Auo

没有外接反馈电阻（即开环）时的电压放大倍数105～107，80dB～140dB.

理想运算放大器是∞

2.差模输入电阻rid

4.共模抑制比

KCMRR

3.差模输出电阻rod

5.转换速率SR（SlewRate压摆率）

反映对信号变化速度的适应能力（V/s）。简化的集成运放低频等效电路一、通用型二、高速型和宽带型三、高精度(低漂移型）四、高输入阻抗型五、低功耗型六、功率型*运放分类简介通用型专用型性能指标比较适中某些技术指标比较突出输入失调电压：1～2

mV输入失调电流：20

nA差模输入电阻：2

M开环增益：100

dB共模抑制比：90

dB输出电阻：75

共模输入电压范围：13

V转换速率：0.5

V/s一、通用型技术指标比较适中，价格低廉。典型：CF741(A741)例如：

CF2520/2525AD9620AD9618

OP37

CF357

二、高速型和宽带型用于宽频带放大器，高速A/D、D/A，高速数据采集测试系统等。带宽：开环增益下降到1时的频率

用于精密仪表放大器，精密测试系统，精密传感器信号变送器等。例如：

OP177

CF714

三、高精度(低漂移型）

用于测量设备及采样保持电路中。

例如：

AD549

CF155/255/355

四、高输入阻抗型

用于空间技术和生物科学研究中，工作于较低电压下，工作电流微弱。例如：

OP22正常工作静态功耗可低至36

W。

OP290在0.8

V电压下工作，功耗为24W

。

CF7612在5

V电压下工作，功耗为50W

。五、低功耗型

这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。例如：LM12

TP1465六、功率型1.Auo→（实际上Auo≥80dB即可）一、四个条件2.差模输入电阻Rid→

3.输出电阻Ro→08.1.3理想运放的条件与特性

4.KCMRR→∞_++uid理想运放符号P228

7.1.3条件：☆线性运用(在深度负反馈下）

二、线性与非线性应用时的两个特性

(1)虚短两输入端视为等电位（

）

(2)虚断

两输入端视为等效开路（）∵差模输入电阻Rid→∵典型运放的电压传输特性1：∞_++uiduid(mV)uo(V)2-24-4-5510+UCC-10-UEE负饱和－Uo(sat)正饱和+Uo(sat)线性工作区典型运放的电压传输特性2：∞_++uiduid(mV)uo(V)2-24-4-5510+UCC-10-UEE负饱和－Uo(sat)正饱和+Uo(sat)线性工作区条件：☆非线性运用(无负反馈或正反馈下）

(1)工作在非线性区，输出电压只种状态。

(2)虚断

两输入端视为等效开路（）∵差模输入电阻Rid→∴由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点8.2运放的线性应用电路（信号运算）理论上有无限的带负载能力（P2397.3）由运放为放大电路组成的运算电路均工作在线性工作区，并且输入、输出信号均以“地”为参考点。在运算电路中，以输入电压为自变量，以输出电压为函数，通过对输入端子及反馈电路的不同组合，实现各种数学运算功能，通过输出电压反映运算结果。这就是运算电路的基本思想。“运算放大器”也因此得名。比例运算电路微积分运算电路反相比例运算电路同相比例运算电路电压跟随器微分运算电路积分运算电路加减运算电路反相求和电路同相求和电路差分电路其他运算电路指数运算电路对数运算电路乘法运算电路除法运算电路i1=iFuo_++RFR1RPuii1id1.放大倍数虚短路虚开路一、反相比例运算电路虚开路iF运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断2.电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP=R1

//RF为使两输入端对地直流电阻相等uo_++RFR1RPuii1iF为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大RF，4.共模电压电位为0，虚地输入电阻小、共模电压为0以及“虚地”是反相输入的特点。_++R2R1RPuii1i23.反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！电压并联负反馈电路+深度负反馈电压负反馈电压反馈与电流反馈的判断（一）+电压并联电压反馈与电流反馈的判断（二）+电流并联反馈网络的分析电压并联电流并联电压串联电流串联反相比例电路的特点：共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。u+=u-

=0虚地Auf=Rf/R1T型反馈反相比例运算电路：_++R1R’uii1Rf1Rf2Rf3If1If2If3uORf1、Rf2、Rf3代替Rf求Au=?i1=i2虚短路虚开路为提高比例系数，采用T形网络反相比例运算电路uoR2R1RPuiR4R3i1i2i4i3MA解：该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。例：自举扩展输入电阻反相比例电路，求Ri。解：A1为一反相比例放大器，则A2也为一反相比例放大器，则有II=IR1－IR，而故二、同相比例运算电路_++RFR1R2uiuou-=u+=ui反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。虚短路虚开路结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。虚开路同相比例电路的特点：3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。（代价）1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。ri=∞，对KCMRR的要求高uIC=uiu+=u-

=uI此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。三、电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。_++uiuo电压串联负反馈电路+深度负反馈电压负反馈四、反相求和运算(加法电路)R12_++R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响其它路输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。五、同相求和运算实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2此电路如果以u+为输入，则输出为：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与

ui1

和ui2的关系如何？注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）叠加-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1.虚开路：流入同相端的电流为0。2.叠加定理求u+。R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，则

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

同相加法运算（续）六、单运放的加减运算电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6差动求和电路_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器也可用叠加定理减法运算实际是差分电路_++R2R1R1ui2uoR2ui1差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。反相求和式减法电路（双运放）应用较为广泛

上图所示是用加法电路构成的减法电路，第一级为反相比例放大电路，若Rf1=R1，则vO1=

–vS1；第二级为反相加法电路，可以推导出

若取R2=Rf2，则vo=vS1–vS2

由于两个运放构成的电路均存在虚地，电路没有共模输入信号，故允许vS1、vS2的共模电压范围较大。

P244【例7-3-1】

运放电路—测量放大器uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+ⅠⅡuo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚开路：三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+例：由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt

：热敏电阻集成化:仪表放大器Rt=f(t)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui选择题

1.反相比例运算电路中，运放的反相输入为___

。

A.接地点

B.虚地点

C.与地点无关2.反相比例运算电路的输入电流基本上

流过反馈电阻Rf上的电流。

A.大于

B.小于

C.等于

D.无关3.

运算电路的电压增益AVF为一Rf/R1。反相比例

B.同相比例

C.加法

D.减法4.___

比例运算电路的特例是电压跟随器，它具有Ri很大和Ro很小的特点，常用作缓冲器。反相比例

B.同相比例

C.加法

D.减法5.电路如下图所示，设运放是理想的。当输入电压为+1V时，则VO=

V。A.

1

B.

2

C.

3

D.

4电压跟随器6.电路如下图所示，设运放是理想的。当输入电压为+2V时，则VO=

V。A.

-4

B.

-5

C.

-7.5

vi=2Vvi’7.电路如上题图所示，设运放是理想的。电阻RP的值应约为

k。A.

1

B.

1.7

C.

10

D.

2.38.电路如下图所示，设运放是理想的。当输入电压为+1V时，则输出电压VO=

V。A.

-1

B.

+1

C.

-2

D.

+2vi0.5V1V-1V9.电路如下图所示，设运放是理想的。当输入电压为+1V时，则流过电阻Rf的电流If为

mA。A.

0.5

B.

-0.5

C.

0.25

D.

-0.25

vi答案：1.B

2.C

3.A

4.B

5.A

6.B

7.B

8.D

9.A

课堂练习u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若输入：则：七、微分运算i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。ui-++RR2Cuo八、积分运算应用举例1：=当uI

=UI时，设uC(0)=0

时间常数

=

R1Cf积分运算电路在不同输入情况下的波形移相90°时间延迟方波转换为三角波同相积分运算电路图C1=C2=C推导过程:∵uN≈uP∴PID调节器电路图比例-积分-微分调节器常用于自动控制系统中做为一种经典的控制算法。在计算机控制系统中，需要将其进行离散化。在常规调节中，比例运算、积分运算常用来提高调节精度，而微分运算则用来加速过渡过程。【例题】:电路如图1所示,uc(0)=0V，输出电压的最大值|UO(sat)|=10V，输入信号的波形如图2所示，R=1MΩ。试求：当C=1μF和C=0.05μF时的输出波形。ui-++RRCuo图1t/sui/V+1-1123457680图2解答：（1）当C=1μFt/suo/V-1-2123457680图3解答：（2）当C=0.05μF

则RC=0.05st/suo/V123457680图4-10+10例.电路如图(a)所示，若R1=1KΩ，R2=2KΩ，C=1μF，ui1

和ui2的波形如图（b）所示，在t=0时uC=0，试画出uo的波形图。解：利用叠加原理可得输出为在0≤t＜2ms时，ui2=0，这时在t=2ms时在t＞2ms时，ui2=-2V，这时所以,uo的波形如图（b）所示。※电流-电压转换电路

是一种

信号转换电路，在工业控制仪表中应用十分广泛。电流－电压转换电路uo_++RFR2iiFu+u-反相输入端是“虚地”电压－电流转换的基本原理电路这里负载无接地点。实用的电压－电流转换电路R1=R2=R3=R4=R推导：A1是同相求和运算电路，A2是电压比较器。小结1.运算电路的两种基本形式同相输入反相输入2.运算电路的分析方法运用“虚短”和“虚断”的概念分析电路中各电量间关系。运放在线性工作时，“虚短”和“虚断”

总是同时存在。虚地只存在于同相输入端接地的电路中。2)

运用叠加定理解决多个输入端的问题。

8.3.1比较器

8.3.1.1概述

8.3.1.2三种比较器

8.3.1.3比较器的应用

8.3.2非正弦波发生电路——运放非线性应用（开环或正反馈）8.3

比较器和非正弦波发生电路P2399.68.3.1比较器

将一个模拟电压信号与一个门限电压相比较，输出一定的高低电平。

门限电压VT

：使输出电压发生跳变时的输入电压(Threshold)阈值电压阀值电压8.3.1.1概述功能：特性：

非线性开关特性（高低电平）1、电路2、传输特性曲线8.3.1.2

三种比较器分析方法：

对于开环或正反馈运放：如果“+”端电位高，正饱和如果“”端电位高，负饱和一、单门限(固定幅度)~限幅电路P2409.6.2电路图和传输特性曲线如图所示。(a)(b)(a)电路图(b)传输特性曲线3、特例——过零比较器电压比较器的输出限幅电路将稳压管接在反馈通路中保护了输入级并且不需要从饱和区脱离的时间一般单限比较器及其电压传输特性设计一个简单的电压比较器，要求如下：

UREF=2V；输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V；当输入电压大于2V时，输出为低电平。

解：因输入电压大于2V时，输出为低电平。故输入信号应加在反相输入端，同相输入端加2V的参考电压。又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出电压为-6V。综上所述，满足设计要求的电路如下图所示。电路如下图所示uo-++uIDZUZ=6VUREF=2VP241【例9-7】【例9-8】【例题】电路如下图所示uo1-++R=1KC=1μFuo-++uIDZ过零比较器积分器UZ=±6VuC(0)=0V正弦信号T=2msUim=1V问题:1、电路由哪几部分组成。2、由uI画出uO1、uO

的波形。3、计算uO的幅度。解答:1、电路过零比较器和积分器组成。2、由uI画出uO1、uO

的波形。（见下图）t/suO1/V+1-1123413240t/ms0uI/V+6V

－6VuO/VuO的幅度为6V

单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压比较器的下图中，当vI中含有噪声或干扰电压时，其输入和输出电压波形如图所示，由于在vI=Vth=VREF附近出现干扰，vO将时而为VOH，时而为VOL，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压vO去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。二、双门限（滞回、迟滞）比较器上限阈值下限阈值传输特性：或已知：则，两门限：回差电压电压串联正反馈阈值随输出信号的大小与极性而变化.1．电路组成

迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。图a所示为反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图b所示。如将vI与VREF位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。

滞回比较器特点：uI

从小逐渐增大，以及uI从大逐渐减小时，两种情况的门限电平是不同的。（a）（b）2．门限电压的估算

由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压vO与输入电压vI不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零。设运放是理想的并利用叠加原理，则有上限阈值下限阈值回差电压（针对输入）（针对输入）设电路参数如图a所示，Vom+=5V,Vom-=-5V3．传输特性分析过程:vIvOOVOM+VOM－VT+VT－传输特性

滞回比较器波形图

可见，迟滞比较器的门限电压是随输出电压vo的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。

【例】设电路参数如图a所示，输入信号vI的波形如图c所示。试画出其传输特性和输出电压vO的波形。VT+VT-R2R1R4R3+－Avi/Vvo/V解答：解：1.求门限电压由于Vref=0，根据求门限电压的公式有2.画传输特性见图（b)3．画出vO的波形根据图b、c可画出vO的波形依此类推，可画出vO的波形，如图d所示。由图可知，虽然vI的波形很不“整齐”，但得到的vO是一近似矩形波。因此，图a所示电路可用于波形整形。具有迟滞特性的比较器在控制系统、信号甄别和波形产生电路中应用较广。±6V同相输入时的滞回比较器☆习题9-1850K100K三、窗口比较器

1、电路设R1=R2，则两门限：

2、传输特性用来检测输入电压是否在两个给定电压之间.8.3.1.3比较器的应用主要用于：对输入波形进行整形，即将不规则的输入波形整形为方波输出(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波用比较器实现波形变换通过以上三种电压比较器的分析,可得如下结论:1、在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能情况。2、一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。3、电压传输特性的三个要素是①输出电压的高、低电平，②阈值电压和③输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平的值取决于限幅电路；令u+=u-所求出的uI

就是阈值电压；uI

等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。8.3.2.1方波发生电路8.3.2.2三角波发生电路

※8.3.2非正弦波发生电路

8.3.2.1方波发生电路一、构成要点：1、比较器能持续翻转2、周期控制（RC定时电路）二、工作原理：设电源刚接通(t=0)时,动画14-1方波发生器波形图三、占空比可调的矩形波电路