城市轨道交通电工电子技术(第2版)课件：集成运算放大器及其应用

城市轨道交通电工电子技术（第2版）

活塞连杆组故障诊断与修复集成运算放大器及其应用

教学目标1.掌握集成运算放大器的组成、性能指标和理想运算放大器；2.掌握虚短和虚断的概念及分析方法；3.集成放大器的线性应用和非线性应用。

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集成电路是20世纪60年代初期开始发展起来的一种半导体器件。集成电路是把晶体管、电阻等元器件和连接导线集中、组合制作在一块很小的半导体基片上，构成特定功能的电子电路。集成电路按照所完成功能的不同，主要分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路（简称SSI）、中规模集成电路（简称MSI）、大规模集成电路（简称LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。集成运算放大器是模拟集成电路中最重要、应用最广泛的器件，在很大程度上代表了模拟电路的发展方向。8.1集成运算放大器简介

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运算放大器是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运算放大器是以单片的形式存在。运算放大器的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等。由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。采用集成电路工艺制作的运算放大器，除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外，还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数模和模数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。8.1集成运算放大器简介

8.1.1集成运放的组成及特点集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大器。集成运放的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处。集成电路的外形如图８-１所示，有双列直插式、圆壳式和扁平式。8.1集成运算放大器简介图8-1集成电路的外形

8.1.1集成运放的组成及特点集成运放的符号如图８-2a）所示。它有两个输入端：一个为同相输入端，另一个为反相输入端，分别用“+”“-”表示。集成电路的内部电路组成原理框图如图８-2b）所示。8.1集成运算放大器简介图8-2集成运算放大器

8.1.1集成运放的组成及特点

输入级：输入电阻高，能减少零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差分放大器。中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路：由各种恒流源等电路组成。其中对输入级的要求是输入电阻大、噪声低、零漂小；中间级的主要作用是提供电压增益，它可由一级或多级放大电路组成；输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力；偏置电路为各级提供合适的偏置电流。此外还有一些辅助环节，如单端化电路、相位补偿环节、电平移位电路、输出保护电路等。8.1集成运算放大器简介

8.1.2集成运放的主要参数

8.1.2.1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为最大输出电压。一般情况下该值略小于电源电压。8.1.2.2开环差模电压增益Aud开环差模电压增益Aud为运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Aud越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。目前高增益集成运放的Aud可高达107倍。8.1.2.3输入失调电压UIO当运放的输入级不对称时，输入电压为零而输出电压不为零。必须在输入端加补偿电压，使输出为零，该电压称为输入失调电压。

8.1集成运算放大器简介

8.1.2集成运放的主要参数

8.1.2.4共模输入电压范围UICM共模输入电压范围为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。集成运放μA741的最大共模输入电压为15V。8.1.2.5共模抑制比KCMR共模抑制比反映了集成运放对共模输入信号的抑制能力。8.1集成运算放大器简介

8.1.3集成运算放大器的分类

按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。8.1.3.1通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例如，μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种，它们是应用最为广泛的集成运算放大器。8.1.3.2高阻型运算放大器高阻型运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小。具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。8.1集成运算放大器简介

8.1.3集成运算放大器的分类

8.1.3.3低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。常用的高精度、低温漂型运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。8.1.3.4高速型运算放大器在快速模数A/D和数模D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/μs，BWG＞20MHz。8.1集成运算放大器简介

8.1.3集成运算放大器的分类

8.1.3.5低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2~±18V，消耗电流为50~250μA。有的产品功耗已达μW级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。8.1.3.6高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V，μA791集成运放的输出电流可达1A。8.1集成运算放大器简介

8.1.4集成运放的电压传输特性

8.1.4.1理想集成运放的主要参数在分析运算放大器的电路时，一般将它看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件如下：（1）开环电压放大倍数Aod→∞。（2）开环输入电阻Rid→∞。（3）开环输出电阻Rod=0。（4）共模抑制比KCMR→∞。8.1集成运算放大器简介

8.1.4集成运放的电压传输特性

8.1.4.2理想集成运放的工作特性图8-3所示为集成运放的电压传输特性。传输特性分为线性区和非线性区。8.1集成运算放大器简介图8-3集成运放的电压传输特性

8.1.4集成运放的电压传输特性

8.1.4.2理想集成运放的工作特性（1）线性区。此时的集成运放是一个线性元件。由于集成运放电压放大倍数很高，即使输出的电压很小，也可以使电路饱和。所以，一般电路引入负反馈以保证集成运放工作在线性区。集成运放工作在线性区时有如下两个重要的特征。①虚短。理想运算放大器的Aod→∞，即可认为两个输入端的点位近似相同，若将其理想化，则有：但不是短路，故称为虚短。8.1集成运算放大器简介

8.1.4集成运放的电压传输特性

8.1.4.2理想集成运放的工作特性（1）线性区。②虚断。理想运算放大器的Rid→∞，即可认为流入两个输入端的电流近似为零，则有：但不是断开，故称虚断。利用这两个概念，分析各种运算与处理电路的线性工作情况将十分简便。8.1集成运算放大器简介

8.1.4集成运放的电压传输特性

8.1.4.2理想集成运放的工作特性（2）非线性区。集成运放工作在非线性区时，输入信号较大，不存在虚短特征。由于输入阻抗很高，近似为0，输入电流仍然很小，还可以应用虚断特征。8.1集成运算放大器简介

8.2.1比例运算电路

8.2.1.1反相比例运算当输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相反，运算电路就构成了反相比例运算电路，如图8-4所示。8.2集成运放的线性应用图8-4反相比例运算电路

8.2.1比例运算电路

8.2.1.1反相比例运算根据虚短和虚断，有：则则即图8-4中R2为平衡电阻：8.2集成运放的线性应用

8.2.1比例运算电路

8.2.1.2同相比例运算当输入信号从同相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相同，运算电路就构成了同相比例运算电路，如图8-5所示。8.2集成运放的线性应用图8-5同相比例运算电路

8.2.1比例运算电路

8.2.1.2同相比例运算根据虚短和虚断，有：则在同相比例电路中，当R1=∞或RF=0时，电路的电压放大倍数为1，称该电路为电压跟随器。8.2集成运放的线性应用

8.2.2加法运算电路

能实现输出电压与几个输入电压之和成比例的电路，称为加法运算电路。其电路结构是在反相比例运算电路的输入端增加若干个输入支路即可，如图8-6所示。8.2集成运放的线性应用图8-6同相比例运算电路

8.2.2加法运算电路

根据虚短和虚断，有：则若Ri1=Ri2=R1，则平衡电阻R2的取值为：8.2集成运放的线性应用

8.2.3减法运算电路

减法运算电路可以用加法器构成，也可以利用差动电路实现。如果运算放大器的同、反相输入端都有信号输入，就构成了差动输入的运算放大电路，如图8-7所示。8.2集成运放的线性应用图8-7减法运算电路

8.2.3减法运算电路

设反相输入端信号ui1单独作用，产生的输出电压分量是u0′，此时ui2不作用，对应输入端相当于对地短路。根据公式（8-6）得：同相输入端信号ui2单独作用，产生的输出电压分量是u0″，此时ui1不作用，对应输入端相当于对地短路。同相输入端对地的电压为：根据式（8-8）得：

8.2集成运放的线性应用

8.2.3减法运算电路

减法运算电路的输出电压u0是u0′和u0″的叠加，即：当R1=R2且RF=R3时，式（8-12）为：8.2集成运放的线性应用

8.2.4积分运算电路

积分运算是模拟计算机中的基本单元电路，该电路如图8-8所示。8.2集成运放的线性应用图8-8积分运算电路

8.2.4积分运算电路

在反相输入式放大电路中，将反馈电阻串电容就构成了积分运算电路。根据虚断的特点，i1=ic，可得：输出电压：8.2集成运放的线性应用

8.2.5微分运算电路

微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路的电阻R1和电容C互换位置就可以实现微分运算，如图8-9所示。8.2集成运放的线性应用图8-9微分运算电路

8.2.5微分运算电路

反相输入方式下，有：同时反馈支路电流：根据理想运放虚断的特点，i1=if，所以：8.2集成运放的线性应用

8.3.1电压比较器

集成运放在开环状态时，一般工作在非线性区，可作电压比较器使用。电压比较器及电压传输特性曲线如图8-10所示。当ui>UR，u0=-UOM；当ui<UR，u0=UOM。通过输出电压的正、负可显示两输入端点位的关系，实现电压比较。当UR=0时，电压比较器称为过零比较器。电压比较器的输入信号也可以从同相输入端输入，其输出电压的正、负与反相输入相反。8.