第2章-集成运放及其基本应用课件

2.2集成运算放大电路2.4理想运放组成的电压比较器2.3

理想运放组成的基本运算电路2.1放大的概念和放大电路的性能指标第2章集成运放及其基本应用

练习题2.2集成运算放大电路2.4理想运放组成的电压比较器2.12.基本运算电路的分析计算3.电压比较器的分析和传输特性的求解本章重点：1.放大电路的性能指标：Au、Ad、Ac、KCMR、Ri、Ro等2.基本运算电路的分析计算3.电压比较器的分析和传输特性2一、放大的概念放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制与转换放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真——放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电2.1放大的概念和放大电路的性能指标一、放大的概念放大的对象：变化量判断电路能否放大的基本出发点3二、放大电路的性能指标1、放大倍数：输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言，任何放大电路均可看成二端口有源网络。二、放大电路的性能指标1、放大倍数：输出量与输入量之比电压放42、输入电阻和输出电阻

将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻2、输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源，内阻就53.通频带

由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。下限频率上限频率3.通频带由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，64.最大不失真输出电压Uom（有效值）：

不失真的前提下能够输出的最大电压。5.最大输出功率Pom和效率η：

Pom：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最大功率

效率η：放大电路中供电的直流电源能量的利用率

效率等于最大输出功率Pom与电源消耗功率PV之比4.最大不失真输出电压Uom（有效值）：5.最大输出功率72.2集成运算放大电路集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的放大电路。因首先用于信号的运算而得名。由于它具有体积小、重量轻、价格低、使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在检测、自动控制、信号产生与信号处理等许多方面得到了广泛应用。两个输入端一个输出端2.2集成运算放大电路集成运算放大电路，简称集成运放，8集成运放的内部组成：同相输入反相输入输出集成运算放大器即为高增益直接耦合放大器，其内部组成如下图所示：集成运放的电路符号集成运放的内部组成：同相输入反相输入输出集成运算放大91、差分（动）放大电路的概念集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成高性能的差分放大电路。差分放大电路ui1ui2uo放大电路uiuo差分放大电路有二个输入端和一个输出端。在差动放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即ui1=-ui2=uid/2，这种输入方式称为差模输入。两信号的差值称为差模信号，用uid表示，uid为两输入端输入信号之差，即uid=ui1–ui21、差分（动）放大电路的概念集成运放的输入部分是差分放大电10若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2=uic，这种输入方式称为共模输入，两信号的算术平均值称为共模信号，用uic表示。uic为：uic=(ui1＋ui2)/2若ui1≠ui2，这种输入方式称为比较输入，ui1、ui2可分解为一对共模信号及一对差模信号。即：差分放大电路只对差模信号才起放大作用，对共模信号起抑制作用，故称为差分放大电路。若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=11共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。其值越大越好。根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。差模电压增益共模电压增益共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的12集成运放的符号∞_++(a)国标符号(b)习惯画法2、集成运放的符号及电压传输特性集成运放的符号∞_++(a)国标符号(b)习惯画法2、集成运13+VOM-VOM+VOM-VOM集成运放的电压传输特性

由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。非线性区

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM

(该值接近于电源电压)

,

就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。uO=f(uP-uN)+VOM-VOM+VOM-VOM+VOM-VOM集成运放的电压传输特性14vivo+VOM-VOMAod越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。例：若VOM=±12V，Aod=106，则|vi|<12V时，运放处于线性区。线性放大区运放工作在线性区时的特点vivo+VOM-VOMAod越大，运放的线性范围越153、理想集成运放理想运放的电路模型：同相输入反相输入受控电压源输出电阻输入电阻供电电源供电电源3、理想集成运放理想运放的电路模型：同相输入反相输入受控16

为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运放看成理想的，理想运算放大器应当满足下列条件：

(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；

(2)输入电阻趋于无穷；

(3)输出电阻趋于零；

(4)共模抑制比趋于无穷；

(5)有无限宽的频带；

(6)当输入端u

-=u

+时，uo=0。

目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。集成运放的理想化条件：为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运放看成理想的，理174、理想运放的工作区域

反馈：将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部通过一定的电路（反馈电路）回送到输入回路的反送过程。引入反馈后，放大电路与反馈电路构成一个闭合环路，所以把引入了反馈的放大电路叫做闭环放大电路（或闭环系统）；而把未引入反馈的放大电路叫做开环放大电路（或开环系统）。按照反馈的极性，可以分为正反馈和负反馈。

正反馈:反馈信号增强输入信号。

负反馈:反馈信号削弱输入信号。判断运放工作状态的方法是看电路中引入反馈的极性，若为负反馈，则工作在线性区；若为正反馈或者没有引入反馈（开环状态），则运放工作在非线性状态。4、理想运放的工作区域反馈：将放大电路输出信号（电压或电18（1）理想运放引入负反馈工作在线性区时：理想运放失调和漂移0

推论因则因则uP＝uN…………虚短路iP＝iN＝0………虚断路（1）理想运放引入负反馈工作在线性区时：理想运放失调和漂移19说明：相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理解为两输入端短接，只是(uP-uN)的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。

同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。相当于运放两输入端“虚断路”。实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。说明：相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理20分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚断路放大倍数与负载无关，可以分开分析。信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用分析运放组成的线性电路的出发点虚短路信号的放大、运算有源滤波21（2）理想运放引入正反馈或者工作在开环状态时，理想运放工作在非线性区，此时：①、当时，当时，②“虚断”仍然成立，iP＝iN＝0（2）理想运放引入正反馈或者工作在开环状态时，理想运放工作在222.3.理想运放组成的基本运算电路（1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式uo＝f(ui)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。（1）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。2、学习运算电路的基本要求1.研究的问题2.3.理想运放组成的基本运算电路（1）运算电路：运算电路23一、比例运算电路1、反相比例运算电路类型：电压并联负反馈因则反相输入端“虚地”。因则由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因因深度电压负反馈，一、比例运算电路1、反相比例运算电路类型：电压并联负反馈因24RP=R1

//R2vo为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。直流平衡电阻，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。负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。当R1=R2时，则uo=－ui，此时构成变号器。RP=R1//R2vo为保证一定的输入电25T形反馈网络反相比例运算电路利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。T形反馈网络反相比例运算电路利用R4中有较大电流来获得较大数26例、已知由运算放大器构成的电路如图所示，试求Av=?i1=i2虚短路虚开路i4=i2+

i3例、已知由运算放大器构成的电路如图所示，试求Av=?i1=27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。该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R328类型：电压串联负反馈因则注：同相放大器不存在“虚地”。因由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因深度电压负反馈，因则2、同相比例运算电路类型：电压串联负反馈因则注：同相放大器不存在“虚地”。因由293、同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。3、同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器输出电压全部引到反30例1、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压vo。解：利用虚短概念vN=vP=0利用虚断概念ii=0可得：ii=0例1、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压vo。解31例2、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压。解：利用虚短概念vN=vP=2V利用虚断概念ii=0可得：ii=0例2、由运算放大器组成的电路如图所示，试求出输出电压。解：利32二、加减运算电路方法一：节点KCL（1）反相求和1、求和运算电路二、加减运算电路方法一：节点KCL（1）反相求和1、求和运算33方法二：利用叠加原理首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。方法二：利用叠加原理34反相加法器的输出电压表达式中：当R1=R2=R3=Rf时，则输出电压表达式为：若想去掉输出电压前面的负号，可在反相输入加法器后面再加一个反相器即可。反相加法器的输出电压表达式中：当R1=R2=R3=Rf时35（2）同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf方法1：利用叠加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1单独作用时的输出电压

在求解运算电路时，应选择合适的方法，使运算结果简单明了，易于计算。同理可得，

uI2、uI3单独作用时的uO2、uO3，形式与uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3

。物理意义清楚，计算麻烦！（2）同相求和设R1∥R2∥R3∥R4＝R∥R36方法2：利用节点KCL与反相求和运算电路的结果差一负号必不可少吗？方法2：利用节点KCL与反相求和运算电路的结果差一负号必不可372、加减运算电路（利用求和运算电路的分析结果）（1）差分比例运算电路令uI2=0，则令uI1=0，当R1=R2、R3=Rf时，则输出电压表达式为：当R1=R2=R3=Rf时，则输出电压表达式为：R1R2R3Rf实现了差分放大电路2、加减运算电路（利用求和运算电路的分析结果）（1）差分比38虚短路虚开路（2）加减运算电路虚短路虚开路（2）加减运算电路39例1、同相求和运算电路如图所示，求同相输入端的电位和输出电压。利用叠加定理求出v+:则例1、同相求和运算电路如图所示，求同相输入端的电位和输出电压40例2：设计一个加减运算电路，RF=240k，使vo=10vi1+8vi2–20vi3解:(1)画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。例2：设计一个加减运算电路，RF=240k，使解:(1)41(2)求各电阻值vo=10vi1+8vi2–20vi3(2)求各电阻值vo=10vi1+8vi2–20v42例3、双运放的加减运算电路例3、双运放的加减运算电路43例4、三运放加减运算电路例4、三运放加减运算电路44虚短路：虚开路：虚短路：虚开路：45第2章--集成运放及其基本应用ppt课件46三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。三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。47例5：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt

：热敏电阻集成化:仪表放大器例5：由三运放放大器组成的温度测量电路。Rt：热敏电阻集成48Rt=f(T°C)+-Rt=f(T°C)+-491.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。比例运算电路与加减运算电路小结：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。2.关50第1次作业P382.9（b）、（c）

2.11第1次作业P382.9（b）、（c）51三、积分运算电路和微分运算电路1.积分运算电路

即输出电压是输入电压对时间的积分，RC称为积分时间常数。用符号“τ”表示。三、积分运算电路和微分运算电路1.积分运算电路即输出电52移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能1)输入为阶跃信号时的输出电压波形2)输入为方波时的输出电压波形3)输入为正弦波时的输出电压波形线性积分，延时波形变换移相利用积分运算的基本关系实现不同的功能1)输入为阶跃信号532、微分运算电路虚地在电路结构上将积分电路中R与C的位置互换，就组成微分器。若输入：则：uit0t0uo2、微分运算电路虚地在电路结构上将积分电路中R与C的位置54tvs0输入方波积分输出三角波vot0微分输出尖脉冲tvo0积分、微分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。tvs0输入方波积分输出三角波vot0微分输出尖脉冲tvo0552.4理想运放组成的电压比较器1.电压比较器的功能：比较电压的大小。

输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。在自动控制和电子测量中，常用于鉴幅、模数转换、各种非正弦波形的产生和变换电路中。电压比较器的作用比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压比较器的特点输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。2.4理想运放组成的电压比较器1.电压比较器的功能：56电压比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。电压比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。57电压比较器工作原理只要开环Avd很大，则v+、v-间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。由可知v+

>v-

时，vo=Vomax=+Vom（正饱和值）v+

<v-

时，vo=Vomin=-Vom（负饱和值）v+

=v-

时，逻辑状态转换因此电压比较器的描述方法:电压传输特性uO＝f(uI)电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL（2）阈值电压UT:使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向电压比较器工作原理只要开环Avd很大，则v+、v-间的微58理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI<VREF时，vo=VomaxvI>VREF时，vo=VominvI=VREF时，逻辑状态转换理想特性vIvoVREFVomaxVomin0实际比较特性实际特性vI<VREF-Vomax/Avd时，vo=VomaxvI>VREF-Vomin/Avd时，vo=Vomin注：Avd越大，比较特性越接近理想特性;VREF作为门限值的比较精度越高。理想比较特性-AvovIVREFvIvoVREFVomax593.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压：3.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压60一、单限比较器电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈(起加速作用)理想运放工作在非线性区的特点：1)净输入电流为0（i+=i-=0）2)uP>uN时，

uO＝＋UOM

uP<uN时，

uO＝－UOM无源网络一、单限比较器电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈(起611.过零比较器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI>0时uO＝－UOM

;

uI<0时uO＝＋UOM1.过零比较器（1）UT＝0622.一般单限比较器作用于反相输入端电压比较器的分析方法：（1）写出uP、uN的表达式，令uP＝uN，求解出的uI即为UT；（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。2.一般单限比较器作用于反相输入端电压比较器的分析方法：63电压比较器电压传输特性三要素的求解方法1、由集成运放最大输出电压决定输出高、低电平UOH和UOL。2、利用uI表示运放两输入端的电压uP、uN，令uP=uN，求得的输入电压uI即是阈值电压UT。3、若uI从反相端（或通过电阻）输入，则当uI>UT时，uO=UOL;当uI<UT时，uO=UOH。4、若uI从同相端（或通过电阻）输入，则当uI>UT时，uO=UOH;当uI<UT时，uO=UOL。电压比较器电压传输特性三要素的求解方法1、由集成运放最大输出64例1、电路如图所示，试画出该电路的电压传输特性。根据叠加原理可求得：V+=Vi

/2+1.5该电路为一个带有基准电压的过零比较器。当V+过0时，电路发生翻转。即Vi=-3V时，电路发生翻转。画出电压传输特性例1、电路如图所示，试画出该电路的电压传输特性。根据叠加原理65例2、电路如图所示，输入vi为三角波，试画出在VREF分别为：0V、2V、-4V时的输出波形。（VCC=12V）该电路可实现脉宽调制和波形变换的作用。

即改变基准电压VREF的大小，可调节脉冲的宽度。例2、电路如图所示，输入vi为三角波，试画出在VREF66例3、比较器电路如图所示。试求出门限电压（阈值电压）VT，画出电压传输特性。设运放输出高低电平分别为VOH和VOL。解：根据叠加定理可得：在v+=v-=0时，输出电压发生跳变，可得：例3、比较器电路如图所示。试求出门限电压（阈值电压）VT，画67单限电压比较器只有一个阈值电压，只要输入电压经过阈值电压，输出电压就产生跃变。若输入电压受到干扰或噪声的影响在阈值电压上下波动，即使其幅值很小，输出电压也会在正、负饱和值之间反复跃变。若发生在自动控制系统中，这种过分灵敏的动作将会对执行机构产生不利的影响。为克服上述缺点可采用滞回（迟滞）比较器。单限电压比较器只有一个阈值电压，只要输入电压经过阈值电压68二、滞回比较器1.阈值电压二、滞回比较器1.阈值电压692.工作原理及电压传输特性

①设uI＜－UT，则uN＜uP，

uO＝+UZ。此时uP＝+UT，增大

uI，直至+UT，再增大，

uO才从+UZ跃变为－UZ。

②设uI＞+UT，则uN＞uP，

uO＝－UZ。此时uP＝－UT，减小

uI，直至－UT，再减小，

uO才从－UZ跃变为+UZ。滞回比较器有两个门限电压UTH1和UTH2，分别称为上门限电压和下门限电压。两个门限电压之差称为门限宽度或回差电压。调整R1和R2的大小，可改变比较器的门限宽度。2.工作原理及电压传输特性①设uI＜－UT，则u703.滞回比较器设计中的问题

从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图所示。当输入电压vI从零逐渐增大，且

时，，上限阈值(触发)电平:当输入电压时，，此时触发电平变为，下限阈值(触发)电平:VOH=+VOMVOL=-VOM3.滞回比较器设计中的问题从输出引一个电阻分压支路到同71

当逐渐增大，且以前，始终等于，因此出现如图所示的滞回特性曲线。回差电压：图中：滞回电压比较器的传输特性当逐渐增大，且以前，始终等于72画滞回电压比较器的传输特性应掌握三要素：

1.输出的高电平值VOH和输出低电平值VOL；

2.上门限电平VT+和下门限电平VT-

;3.输出的转换方向。画滞回电压比较器的传输特性应掌握三要素：73解：第一步：求两个门限电平。

第二步：在输入信号波形图上画出两条门限电平线，反映输入信号与门限电平的比较，标出ui＞UTH1与ui

＜UTH2的时间区域，图（a）

第三步：在输出坐标轴上画出ui

＞UTH1与ui

＜UTH2所对应的时间区域的输出电压，图（b）第四步：对于UTH2＜ui

＜UTH1相应时间区域，可参照前一时刻画出输出波形。由于t=0时，uo=+UOH

，因此在0～t1区域uo=+UOH，图（c）例1、求图示滞回比较器的输出波形。已知输出高、低电平分别为±5V，t=0时，uo=UOH，ui=4sinwtV。解：第一步：求两个门限电平。第二步：在输入信74例2、比较器电路如图所示，输入波形如图所示，试画出其传输特性和输出电压波形。（2）画出电压传输特性解：

（1）求门限电压由于VREF=0，可得：例2、比较器电路如图所示，输入波形如图所示，试画出其传输特性75（3）画出输出波形（3）画出输出波形76例3、电路如图所示。设：VOH=-VOL=5V解：根据电路参数可求得：VT+=1.04VVT-=0.94V

ΔVT=0.1V

可画出电压传输特性如图所示。例3、电路如图所示。解：根据电路参数可求得：VT+=1.077例4、比较器电路如图所示，设稳压管VZ的稳压值为±9V，试求：（