电工与电子技术基础-第10 章

10.1集成运算放大器简介一、集成运算放大器的特点与分立元件运算放大器相比，集成运算放大器有如下的特点。1.电阻阻值有局限性2.电感难以制造3.大容量电容器不易制造4.元器件参数一致性好5.三极管取代二极管总之，由于集成工艺的特点，集成电路在设计思想上和分立元件电路有较大差别。主要是尽量采用易于制造的有源器件三极管代替无源元件（大阻值电阻等），因此集成电路所用的三极管数目比较多，电路结构比分立元件电路更复杂。下一页返回10.1集成运算放大器简介二、集成运算放大器的组成集成运算放大器的封装外形通常有三种：双列直插式、圆壳式和扁平式，如图10-1所示。集成运算放大器通常都由输入级、中间级、输出级以及保证每个三极管处于放大状态的偏置电路等四部分组成，其组成可由图10-2所示方框图表示。集成运算放大器的简化示意电路如图10-3所示。输入级是决定集成运算放大器性能的关键部分。对输入级的要求是输入电阻高，能抑制零漂。所以集成运算放大器的输入级采用差动放大电路。偏置电路的作用是为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由各种恒流源电路构成。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介在集成运算放大器的输入端加一对称信号电压，若设u-端为正，u+端为负，经过集成运算放大器内部逐级放大后，便在输出端得到对地为负的输出电压；反之，如果输入信号电压改变极性，即u-端为负，u+端为正时，输出电压也必将改变极性，即输出为正电压。因此，u-端与输出端电压极性相反，称为“反相输入端”，用“-”号表示；u+端与输出电压极性相同，称为“同相输入端”，用“+”号表示。以上各点电位变化过程可利用瞬时极性法概念进行分析，简述如下：设u-端为正，u+端为负，输入级差动放大电路造成C1点电位降低、C2

点电位升高。第一级的输出电压加在VT3、VT4（VT3、VT4

的这种连接方式称为复合管，具有增加电流放大倍数的特点）的基极上，共同造成VT3

发射极电流降低，所以VT3

发射极电位下降，此时中间级的输出电压就是。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介三、集成运算放大器的图形符号和电压传输特性1.图形符号无论集成运算放大器内部线路如何，作为一个电路元件，它在电路中常用图10-4（a）所示的图形符号表示。常用的F007（5G24）型集成运算放大器的管脚与外电路的连接图如图10-4（b）所示。各管脚的用途是：2为反相输入端。由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是反相的（即两者极性相反）。3为同相输入端。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介由此端接输入信号，则输出信号与输入信号是同相的（即两者极性相同）。4为负电源端，接-15V稳压电源。7为正电源端，接+15V稳压电源。6为输出端。1和5为外接调零电位器的两个管脚。8和9为外接消除寄生振荡电容器的两个管脚。2.电压传输特性表示运算放大器输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为运算放大器的电压传输特性，集成运算放大器的典型传输特性如图10-5所示。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介从电压传输特性看，集成运算放大器可以工作在三个工作区域：一个线性区和两个饱和区（又称非线性区）。集成运算放大器工作在线性区时，输出电压u0与输入电压

是线性关系，即四、集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的性能可以用各种参数反映，主要参数如下。1.开环电压放大倍数Au0集成运算放大器在无外加反馈时的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介Au0为104～107，如以分贝表示，则为80～140dB，即Au0体现集成运算放大器的放大能力。它是决定运算放大器电路稳定性和运算精度的重要因素，一般希望Au0值越大越好。2.最大输出电压Uopp在一定电源电压下，集成运算放大器输出电压和输入电压保持不失真关系（线性关系）的输出电压的峰值，称为最大输出电压。若运算放大器电源为±15V，其Uopp约为±10V。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介3.最大差模输入电压UidmaxUidmax是指集成运算放大器的反相输入端和同相输入端之间所能承受的最大电压值。4.最大共模输入电压UicmaxUicmax是指集成运算放大器所能承受的最大共模输入电压，超过这个值，集成运算放大器的共模抑制比将明显下降，甚至造成器件损耗。5.差模输入电阻ridrid是指差模信号作用下集成运算放大器两个输入端之间的电阻值。它关系到集成运算放大器输入端向差模输入信号源取用信号电流的多少。rid越大越好。6.输出电阻ro上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介ro是指集成运算放大器输出级的输出电阻。它反映运算放大器的带负载能力。7.共模抑制比KCMRRKCMRR是指集成运算放大器开环差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值，用来衡量输入级各参数对称程度，显然，KCMRR越大，集成运算放大器对共模信号的抑制能力越强，目前高质量的集成运算放大器的KCMRR可达160dB。五、理想运算放大器及其基本分析方法由于集成运算放大器性能优越，所以在分析集成运算放大器时，一般可以将它看成是一个理想的运算放大器，理想运算放大器的技术指标是：上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介开环电压放大倍数输入电阻输出电阻共模抑制比在分析计算实际集成运算放大器电路时，常用理想运算放大器来代替实际运算放大器，这样可大幅简化分析过程，由此产生的误差很小，在工程上可忽略不计。理想运算放大器的图形符号就是将一般集成运算放大器的图形符号（图10-4（a））中的开环电压放大倍数Auo换成∞，其他不变。分析工作在线性区的理想运算放大器，要依据以下两个重要结论：上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介（1）理想运算放大器的两个输入端的电位相等。因理想运算放大器的开环电压放大倍数Auo=∞，而输出电压uo为有限值，所以由式（10-1）可知即因此也可以将集成运算放大器的两个输入端视为“虚短路”，简称“虚短”。（2）理想运算放大器的两个输入端的电流为零，即Ii=0。这是理想运算放大器的rid=∞和两个输入端电位相等的缘故。因此又可以将集成运算放大器的两个输入端之间视为“虚断路”，简称“虚断”。上一页下一页返回10.1集成运算放大器简介综上所述，分析含有集成运算放大器的电路时，先将实际运算放大器视为理想运算放大器，再判断理想运算放大器的工作区域，再根据线性区或非线性区的分析依据，应用电路分析方法对电路进行计算、讨论。上一页返回10.2集成运算放大器的线性应用一、比例运算1.反相比例运算如果输入信号从反相输入端加入，则称为“反相输入”。图10-6为反相比例运算电路。输入电压ui经输入回路电阻R1加到反相输入端，而同相输入端通过补偿电阻R2接“地”（正、负电源的公共端）。反馈电阻RF跨接在集成运算放大器的输出端和反相输入端之间，因此构成深度电压并联负反馈。依据理想运算放大器工作在线性区的两条结论：，故同相输入端和反相输入端之间相当于短路，但又不能用导线直接相连，故称虚短；又因

，所以反相输入端对地电位接近零，但又不能用导线直接接地，故反相输入端对地称为“虚地”。下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用虚短和虚地概念为定量计算运算放大器提供了极大的方便。虚短是理想集成运算放大器工作在线性区的普遍规律，而虚地则是反相输入独具的特点。因此，反相输入运算放大电路的输出与输入电压的关系为因为，所以，则闭环电压放大倍数为上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用可见输出电压等于输入电压乘以一个比例系数，从而实现了比例运算。当R1=RF

时，uo=-ui。说明电路只起“变号”作用，这种反相比例运算电路称为反相器或反号器。补偿电阻R2

是为了保持同相输入端和反相输入端外接电阻阻值相等，使静态时运算放大器的两个输入端电流相等，以保证运算放大器工作在对称平衡状态，所以2.同相比例运算如果输入信号从同相输入端加入，则称为“同相输入”。图10-7为同相比例运算电路。上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用输出与输入信号电压的关系可推得如下：由以上可得闭环电压放大倍数为上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用集成运算放大器组成了电压跟随器，也叫同号器，电路如图10-8所示，它的性能与射极输出器一样，虽然闭环电压放大倍数为1，电压没有放大，但输入电阻高、输出电阻低、输出与输入大小相等、相位相同。通常用来作阻抗变换或隔离缓冲级。二、加减运算1.加法运算加法运算电路的输出电压信号是多个输入信号按照不同的比例放大后之和，多个输入信号加到集成运算放大器的反相输入端，也称为反相输入加法器。图10-12给出了3个输入信号的情况。这是一个三端输入的电压并联深度负反馈放大电路。上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用同相输入端接有补偿电阻R4，其阻值应为因为可得如果，则有当，得上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用加法运算电路的实质是将各输入电压信号彼此独立地通过自身输入回路电阻转换成电流，在反相输入端相加后，流向反馈电阻RF，经RF转换为输出电压uo

。因此反相输入端又称为“相加点”。2.减法运算图10-13为差动减法运算电路，输入信号电压为差动输入。如果需要将两个输入信号

ui2和ui1进行减法运算，则应将减数ui1接在反相输入端，被减数ui2接在同相输入端。由图可得因为，所以上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用当和时，式（10-11）简化为又当RF=R1

时，式（10-12）进一步简化为三、积分运算图10-14（a）为积分运算电路。上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用输入电压ui由反相输入端加入，输出电压uo经反馈电容CF反馈到反相输入端。由于0和ii=0，得到由得到所以即上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用当电容原来尚未蓄能时，时，则当输入电压ui为阶跃电压（t=0以后，ui为恒定直流电压）时，则其波形如图10-14（b）所示，输出电压随时间线性增加，达到负饱和值后保持恒定。当输入电压ui在0～t1一段时间内，给反馈电容的充电电流，为恒流充电，所以输出电压u

o

与时间t呈直线关系，从而提高了输出电压的线性度。上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用四、微分运算图10-16为微分运算电路。微分运算是积分运算的逆运算，微分运算用来确定变化信号的变化速率。它是将积分运算电路的输入回路电阻R1和反馈电容CF位置对换的结果。根据“虚地”和“虚断”的概念，则有和ii=0，由电路可得因为于是上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用理论分析和实验结果都表明，与阻容元件构成的微分电路相比，这种微分运算电路不仅微分作用更为显著，而且还能获得较大的输入信号幅度。但存在工作稳定性差、高频噪声大和输入电阻低等缺点，具体使用时要加以改进。五、测量放大电路图10-17所示的电路是由3个集成运算放大器组成的测量放大电路（也称数据放大器）。第一级的两个同相输入的集成运算放大器具有很高的输入电阻和很强的共模抑制能力，第二级为基本差动输入的运算放大电路，能抑制共模信号，将双端输入转化为单端输出，以适应接地负载的需要。上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用此电路在多点数据采集、工业自动控制和无线电测量等技术领域中应用较多。由图10-17可知电阻R1、RW

、R2中电流相等，所以有即上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用将上两式相加，并考虑到，第一级输出电压第二级为差动输入运算放大器电路，考虑到，由式（10-11）可得整个测量放大电路的电压放大倍数上一页下一页返回10.2集成运算放大器的线性应用当RW开路时，A1、A2分别为电压跟随器，此时若RW的外部4个电阻都相等，即R3=R4=R5=R6=RF，且RW断开时，Au=-1。上一页返回10.3集成运算放大器的非线性应用一、电压比较器电压比较器是对输入电压ui进行比较和鉴别的电路，是集成运算放大器非线性应用的基本电路。图10-18（a）为电压比较器的原理电路，显然，集成运算放大器处于开环工作状态。UR为参考电压（也称比较电压），加在同相输入端，输入电压iu加在反相输入端。当ui＜UR时，输出电压，uo=+Uo(sat)；当ui＞UR时，uo=-Uo(sat)，其电压传输特性如图10-18（b）所示。它表明输入电压ui在参考电压UR附近，若有微小变化，电路的工作状态将发生阶跃式翻转，电压比较器输出电压的高低可以反映输入电压ui与参考电压UR的比较结果。下一页返回10.3集成运算放大器的非线性应用若输入电压ui为正弦波，根据图10-18（b）所示的电压传输特性，可以得到输出电压uo的波形，如图10-19所示。此波形的正、负半周的宽度由UR的数值决定，而幅度则由集成运算放大器输出的正、负饱和电压来确定。如果参考电压UR=0，电压比较器的电压传输特性如图10-20（a）所示。若此时加入的输入电压ui为正弦波，则输出电压uo的波形将成为图10-20（b）所示的方波。这种电路称过零比较器。如果电压比较器用于数字电路，就要考虑电平匹配问题。只要在原电压比较器的基础上，加入限幅电路，就可以将输出电压稳定到所需的电平值。上一页下一页返回10.3集成运算放大器的非线性应用图10-21（a）所示电路就是具有限幅环节是过零比较器，与输出端并联的VDZ为双向稳压管，具有双向稳压作用，保证了输出电压uo为需要的电平值。此时的电压传输特性如图10-21（b）所示。在许多应用电路中，要求电压比较器的传输特性具有滞回特性。例如输入电压ui为变化缓慢的信号或信号幅值较小时，由于干扰，输出电压可能出现颤动现象。图10-22（a）电路为基本型过零滞回比较器，它具有防止输出电压颤动的功能，具有一定的抗干扰能力。图10-22（a）中输出端至反相输入端没有反馈电路，属开环应用，输出电压必为高、低两种电平。上一页下一页返回10.3集成运算放大器的非线性应用二、方波发生器方波发生器是电子电路中经常使用的一种信号源。一个滞回比较器加上RFC负反馈电路就构成了基本方波发生器，如图10-23（a）所示。图中VDZ是双向稳压管，稳压值为±UZ

；R1和R2构成正反馈电路；R3是稳压管的限流电阻。由图10-23（a）可知，输出电压uo被箝位在+UZ或-

UZ。R1和R2组成的正反馈电路，为同相输入端提供了一个参考电压u+，这就是滞回比较器的阈值电压。当输出为+UZ时，有上一页下一页返回10.3集成运算放大器的非线性应用当输出为-

UZ时，有而集成运算放大器的反相输入电压u-

为电容电压UC。运算放大器作为电压比较器，将uC与u+进行比较，根据比较结果确定输出电压：当uC＞u+时，uo=-

UZ；当uC＜u+时，uo=+UZ

。电路接通瞬间，输出电压uo是不确定的，既可能为+

UZ，也可能为-

UZ。若设uo=+

UZ，则同相输入端电压u+=UthH，因而uC＜u+

，所以维持uo=+

UZ。上一页下一页返回10.3集成运算放大器的非线性应用输出电压uo经电阻RF向电容C充电，充电电流方向如图中实线箭头所示，uC按指数规律增长。当uC增加到等于上限阈值UthH时，uC≥u+

，输出电压uo就从+UZ下跳为-

UZ，同时u+变为UthL。uC与uo的波