第9章-集成运算放大器

第9章集成运算放大器9.1集成运算放大器9.2运算放大器的线性应用9.3运算放大器的非线性应用退出9.1集成运算放大器9.1.1集成运算放大器的结构特点及主要参数9.1.2理想运算放大器退出9.1.1集成运算放大器的结构特点及主要参数1．集成运算放大器的结构特点按功能可将其内部电路分为输入级、偏置电路、中间放大级以及输出级四个部分，基本框图如图9-1所示。图9-1集成运算放大器的电路框图1）输入级：输入级又称前置级，它是一个高性能的差动放大电路，主要用于抑制温漂。2）中间放大级：中间放大级主要是提供足够的电压放大倍数，同时将输入级的双端输出经由本级后变成单端输出，以及实现电位移动等任务。3）输出级：输出级主要是给出较大的输出电压和电流，并起到将放大级与负载隔离的作用。4）偏置电路：偏置电路用来向各级电路提供合适的静态工作电流，决定各级静态工作点。2．集成运算放大器的主要参数(1)开环电压放大倍数Auo；(2)最大输出电压Uopp(3)输入失调电压UIO；(4)输入失调电流IIO(5)输入偏置电流IIB；(6)共模抑制比KCMR9.1.2理想运算放大器1．集成运算放大器的电路符号理想运算放大器的符号如图9-2所示。由图可以看出，集成运算放大器具有同相（“+”号端）、反相（“-”号端）两个输入端。图9-2集成运算放大器的电路符号当同相接地，反相接ui时，uo与ui反相，如图9-3（a）所示；当反相接地，同相接ui时，uo与ui同相，如图9-3（b）所示。（a）反相输入（b）同相输入图9-3同相输入、反相输入的特性2．集成运算放大器的理想化条件理想运放就是将集成运算放大器的各项技术指标理想化，即认为集成运放的指标为：①开环差模电压增益Auo→∞；②差模输入电阻rid→∞；③开环输出电阻ro→0；④共模抑制比KCMR→∞；⑤输入失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂аUIO、аIIO均为零；⑥输入偏置电流IIB=0。3.两个重要法则1)虚短：设运放的同相和反相输入端的电压为u＋、u－，当运放工作在线性区时。由于输出电压是有限值，而理想运放的Auo为无穷大，所以ui=u＋－u－=0，即u＋=

u－。此时，运放中两个输入端的电位相等，同相与反相输入端之间的电压差为零，可以将其视为短路，即虚短。当电路中存在u＋=u－=0的情况，我们可以将其两个输入端视为与地等电位，称之为虚地。虚地是虚短的一种特殊情况。2)虚断：由于虚短，输入电压为零，而理想运算放大器的输入电阻rid为无穷大，使得此时同相与反相输入端的输入电流等于零，即i＋=i－=0。此时，运放的两个输入端相当于开路，即虚断。9.2运算放大器的线性应用9.2.1比例运算电路9.2.2加减运算电路9.2.3微分与积分运算电路退出9.2.1比例运算电路1．反相比例运算电路反相比例运算电路如图9-4所示。图9-4反相比例运算电路考虑到i-=0，故i1=if，即经整理可得：式中的负号表示电路的输出信号与输入信号反相。当R1=Rf时，比例系数为“-1”，对应的电路称为反相器。图9-4中，同相端接入电阻R2的目的是为了保持运放电路静态平衡，要求R2=R1//Rf，R2被称为平衡电阻。2.同相比例运算电路同相比例运算电路如图9-5（a）所示。输入信号ui经R2加至集成运放的同相输入端。Rf为反馈电阻，将输出电压uo反馈至反相输入端，形成电压串联负反馈。R2为平衡电阻，且R2=R1//Rf。

（a）同相比例运算电路（b）电压跟随器图9-5同相比例运算电路与电压跟随器由图9-5（a）可以列出根据虚断的概念可知：i—=i+=0，所以i1=if，即再由虚短及i+=0，有u—=u+=ui，所以，经整理得：当R1→∞或Rf=0时，比例系数等于1，uo=ui，对应的电路称为电压跟随器，如图9-5（b）所示。9.2.2加减运算电路1．加法运算电路加法运算是指电路的输出电压等于各个输入端电压的代数和，其电路图如图9-6所示。图中，有两个输入信号加到了反相输入端，同相输入端的平衡电阻R3=R1//R2//Rf。图9-6单运放加法运算电路2．减法运算电路减法运算是指电路的输出电压与两个输入电压之差成比例，减法运算又称为差动比例运算或差动输入放大，其电路如图9-7所示。由图可见，运放的同相输入端和反相输入端分别接有输入信号ui1和ui2。从电路结构上看，它由同相比例运算电路和反相比例运算电路组合而成。图9-7单运放减法运算电路9.2.3微分与积分运算电路1．积分电路将反相比例运算电路中的反馈电阻换成电容，可构成基本积分电路，如图9-10所示。图9-10积分运算电路由虚断和虚短的概念，可得u+=u-及i+=i-=0，即R2中无电流，其两端无电压降，故u+=0，亦即u-=0，故可得考虑到i-=0，故i1=ic，即假设电容的初始电压为零，则当输入电压为常数（ui=Ui）时在基本积分器的反相输入端再增加一个输入，如图9-11所示，还可实现两信号的求和积分。该电路的输入电压与输出电压关系为图9-11求和积分运算电路【例9.3】在图9-10中，R1=20kΩ，C=1uF，输入电压为一正向阶跃电压运放的最大输出电压uom=±15V，求t≥0范围内uo与ui之间的运算关系，并绘出波形。解：t≥0时，ui=1V，为常数，适用于(9-15)式，有而t≥0，故uo≤0。又因uom=±15V，故-15V≤uo≤0。当uo=uom=-15V时，其波形如图9-12所示。图9-12例9.3波形图2.微分电路基本微分电路如图9-13所示。微分电路也称为微分器。由虚断和虚短的概念，可得u+=u-及i+=i-=0，即R中无电流，其两端无电压降，故u+=0，亦即u-=0。图9-13微分运算电路考虑到i-=0，故if=ic；因所以9.3运算放大器的非线性应用电压比较器

9.3.2迟滞比较器退出电压比较器

1.基本电路简单电压比较器的基本电路如图9-14（a）所示。图9-14所示电路只有一个门限电压，因而也被称为单门比较器。（a）电路图（b）传输特性图9-14简单电压比较器的基本电路及传输特性2．过零比较器过零比较器电路如图9-15(a)所示。电路中的电阻R为限流电阻，可避免由于ui过大而损坏器件。图9-15（b）为过零比较器的传输特性。过零比较器可用做波形变换器，将任意波形变换成矩形波，图9-15（c）所示就是将正弦信号整形为方波的变换过程。（a）电路图（b）传输特性（c）波形整形图9-15过零比较器3．输出限幅电路图9-16（a）和图9-16（b）所示为两个常见的限幅电路。（a）（b）图9-16输出限幅电路图9-16（a）所示电路工作时，若运放输出电压值大于UZ，则输出高电平UOH=UZ，反之则输出低电平UOL=-UZ。图9-16（b）所示电路中，稳压管接在反馈回路中，由于uo在ui过零时发生跳变，在跳变瞬间u+=u-=0，所以反馈回路中的电流为零，即跳变时刻运放处于开环状态，同样得到UOH=UZ；UOL=-UZ；而在其他时刻，因为稳压管导通，运放处于闭环限幅状态。9.3.2迟滞比较器迟滞比较器（又叫滞回比较器）电路如图9-17所示。（a）（b）图9-17迟滞比较器及其传输特性它是在过零比较器的基础上，从输出端引入一个分压电阻Rf到同相输入端，形成正反馈。这样，作为参考电压的u+不再固定为0，而是随输出电压uo而变。双向稳压管VD使得比较器的输出电压uo被钳位于±UZ值。当输出电压uo为正最大值UZ时，假设同相输入端的电压为UT，则有此间，若保持ui＜UT，则输出电压uo保持UZ不变。当ui从小逐渐增大到刚刚大于UT，则输出电压uo迅速从UZ跃变为-UZ。其传输特性如图9-17（b）所示。在图9-17（a）中，若同相输入端电阻R2不接地，改接一个固定的电压UREF，如图9-18（a）所示。此时两个门限电压也随之改变，不再对称。（a）（b）图9-18门限电压不对称的迟滞比较器及其传输特本章小结1．运算放大器实际上就是一个高增益直接耦合放大电路，由于它最初主要用于模拟计算机的运算放大，故至今仍保留这个名字。集成运算放大器是利用集成工艺，将构成运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装于管壳内。集成运算放大器又简称集成运