电子技术16章集成运算放大器

第16章集成运算放大器16.1

集成运算放大器的简单介绍16.2

运算放大器在信号运算方面的应用16.4

运算放大器在波形产生方面的应用16.3

运算放大器在信号处理方面的应用11.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2.理解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；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；4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第16章集成运算放大器2§16.1集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成电路:优点:工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。分类:模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路

INTEGRATEDCIRCUITS3集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十PF以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。IC4各类型号集成芯片5

集成运放的基本结构输入级中间级输出级-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS基本原理框图6尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR,

输入阻抗ri尽可能大。-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS要求：输入级7足够大的电压放大倍数-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级8主要提高带负载能力，给出足够的输出电流io

，输出阻抗ro小。-UEE+UCC

u＋uo

u－反相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级中间级输出级9

ri

高:几十k

M

运放的特点：KCMRR很大

ro

小：几十

~几百

Ao很大:104以上~107理想运放：

ri

KCMRR

ro

0Ao

运放符号：＋－u－u+uo运放的特点和符号－＋＋

u－

u+

uo

10运算放大器的传输特性uiuo+UOM-UOM

ui_+

+A0uoAo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。11集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端+UCC–UEEuo+–+u–u++–+Auo信号传输方向输出端实际运放开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚

765F0071234U-U+-UCC+UCC输出12主要参数

1.最大输出电压UOPP

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Auo

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo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UICM

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UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB1316.2

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。14运放线性运用信号的放大、运算有源滤波电路_+

+A0放大倍数与负载无关，可以分开分析。虚短路虚断路1516.2.1比例运算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u–=u+=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i1

if

因要求静态时u+、u–

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

16

(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，与运放本身参数无关。

(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”。17例: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

=–50

10=–5R2=

R1

RF

=1050

(10+50)=8.3k

2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)

10=100k

R2=10100

(10+100)=9.1k

uORFuiR2R1++––++

–

182.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

(1)电路组成(2)电压放大倍数因虚短，所以

u–=ui

，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFuoRFuiR2R1++––++

–

u+u–19

(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，与运放本身参数无关。

(3)Auf≥1，不能小于1。

(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。20当R1=

且RF

=0时，uo=ui

，

Auf=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。uoui++––++

–

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uo不会随之变化。uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

例：21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IGUxR2R1+–++

–

iLi1RLuiR2R1+–++

–

2216.2.2加法运算电路

1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifuoui2RFui1Ri2Ri1++

–

R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

232.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–24方法2：平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++

–

R1+–2516.2.3减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++

–

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。常用做测量放大电路26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。u+ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––2716.2.4积分运算电路由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uOCFuiR2R1++––++

–

uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有28若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui

>0

ui=–Ui

<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uo

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Ui–Ui29

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。ifi1电路的输出电压上式表明：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。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。uoCFuiR2R1++––++

–

RF3016.2.5微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuitOuotOUi–UiuoC1uiR2RF++––++

–

31uoC1uiR2RF++––++

–

R1比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器ifiRiC3216.3.3

电压比较器电压比较器的功能：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。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。16.3运放在信号处理方面的应用33理想运放工作在饱和区的特点：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”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区34电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––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。参考电压35uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR36ui

>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR37URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot

+Uo(sat)

–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t238输出带限幅的电压比较器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

=–UZUZ

–UZ电压传输特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––39过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O402.滞回比较器上门限电压下门限电压

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

=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2－

－uoui++

–

R1+–+–41上门限电压U'+

：ui

逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui

逐渐减小时的门限电压uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFuoui++

–

R1+–+–42根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性当参考电压UR不等于零时43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，

U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UR可以改变上、下门限电压，但不影响回差电压

U。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。44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）R