电子基础技术实践 8

第3章集成运算放大器电子技术基础理论与实践第3章集成运算放大器3.1

集成电路简介3.2

集成运算放大器基础3.4

集成运算放大器在实际应用中的若干问题3.3

集成运算放大器的应用教学内容第3章集成运算放大器教学目标描述集成运放的符号,画出电压传输特性；列举集成运放的典型参数。

会用“虚短”“虚断”法分析线性运放的输入输出关系。

分析同相、反相、求差、求和、积分、微分电路的工作原理。

描述运放工作在非线性区的分析方法，分析电压比较器工作原理。教学内容及教学目标晶体管(1948)中/小规模集成电路(1950年代)大规模/超大规模集成电路(1970年代)电子管(1904)3.1集成电路简介集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目IntegratedCircuit小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）3.1集成电路简介Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(GordonE.Moore,1965年)3.1集成电路简介3.2集成运算放大器基础集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路，是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成运算放大器的特点1.集成电路中的电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接。2.运算放大器的输入级都采用差分放大电路。3.电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接。4.二极管多用三极管的发射结代替。3.2集成运算放大器基础3.2.1集成运算放大器的组成

运算放大器方框图输入级：输入电阻高，能减小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

发射极放大电路构成。

偏置电路:

一般由各种恒流源等电路组成输出级：与负载相接，要求输出电阻低,带负载能力强，

一般由互补功率放大电路或射极输出器构成。集成运算放大器的管脚和符号反相输入端同相输入端信号传输方向输出端实际运算放大器开环电压放大倍数(a)(b)(a)符号;(b)引脚3.2.1集成运算放大器的组成F007集成运算放大器的外形、引脚和应用接线(a)圆壳式;(b)双列直插式；(c)应用接线(a)(b)(c)3.2.2集成运算放大器的主要参数2.最大输出电压UOM能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。1.开环电压放大倍数Auo运算放大器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运算放大器所能承受的共模输入电压最大值。超出此值运算放大器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IIB3.2.2集成运算放大器的主要参数10.差模输入电阻rid

输入差模信号时运算放大器的输入电阻。9.最大差模输入电压UIDM运算放大器所能承受的差模输入电压最大值。12.共模抑制比KCMR

13.开环带宽BWCMR

11.输出电阻ro运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。14.单位增益带宽BWG(fT)15.转换速率SR

16.最大输出电流IOM

17.静态功耗PD

u+–u–

uO线性区：uO

=AuO

(u+–u–)非线性区：

u+>u–

时，uO=+UO(sat)

u+<u–

时，uO=–UO(sat)

+UO(sat)–UO(sat)线性区理想特性实际特性饱和区O理想运算放大器图形符号UO(sat)与运算放大器的电源电压有关，一般较电源电压低1~2V。3.2.3集成运算放大器电压传输特性1.开环电压放大倍数

2.开环输入电阻3.开环输出电阻4.共模抑制比由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使问题大大简化,为此,后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。3.2.4

理想运算放大器及其分析依据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：5.上限频率fh→∞6.电压、电流失调及其温漂均为零，且无内部噪声。理想运算放大器工作在线性区的特点：因为

uO

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性

u+–u–

uO线性区–UO(sat)+UO(sat)OAuo越大,运算放大器的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。理想运算放大器工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–

时，uO

=+UO(sat)

u+<u–

时，uO

=–UO(sat)不存在“虚短”现象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区3.3

集成运算放大器的应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。3.3.1.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//RF(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,与运算放大器本身参数无关。(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”。3.3.1.反相比例运算例1: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

uORF3.3.2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//RF(1)电路组成(2)法二：

因虚短，所以

u–=ui,因要求静态时u+、u

对地电阻相同，所以平衡电阻

R2=R1//RF因虚断，i+=i–=0

i1

if

3.3.2同相比例运算(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，与运算放大器本身参数无关。(3)Auf≥1，不能小于1。(4)u–=u+

≠0,反相输入端不存在“虚地”现象。3.3.2同相比例运算

当R1=

，且RF

=0时uO=ui

Auf=1电压跟随器同相比例运算电路3.3.2同相比例运算由图可求得：uO=7.5V，且输出电压uO只与电源电压和分压有关，其精度和稳定度较高，可作为基准电压。例：由运算放大器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。3.3.2同相比例运算负载电流的大小与负载无关。

例2: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3.3.3反相输入加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短，u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RF因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

ii2ii1if拓展：同相输入加法运算电路方法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。拓展：同相输入加法运算电路1.输入电阻低；2.共模电压低；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路无影响；同相加法运算电路的特点：1.输入电阻高；2.共模电压高；3.当改变某一路输入电阻时，对其它路有影响；反相加法运算电路的特点：对比辨析3.2.4减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：

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。平衡电阻：

R1=R2

，R3=RF缺点：比例系数调节不方便。uo3.2.4减法运算电路分析方法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。uo平衡电阻：

R1=R2

，R3=RF缺点：比例系数调节不方便。用差分输入方式构成的减法运算电路的输入电阻较低。为了提高减法运算电路的输入电阻，可采用双运算放大器同相输入减法运算电路。3.2.4减法运算电路例：同相串联的减法运算电路该电路具有极高的输入电阻，又可实现两信号相减的运算电路。解：课堂练习3.3.5积分电路

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uC+–当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有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–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

输出电压随时间线性变化Ui–Ui线性积分时间线性积分时间采用集成运算放大器组成的积分电路,由于电路的uo=

uc，而电容的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。3.3.5积分电路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。3.3.5积分电路3.3.6微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuitOuotOUi–Ui由于微分电路的输出电压与输入电压的变化率成比例,而电路中的干扰信号都是迅速变化的高频信号，因此微分器抗干扰能力差。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ifiRiC比例-积分-微分运算电路PID调节器是一种常见的控制电路，调节器的任务是将一定物理量(被调节参数X)调节到预先给定的理论值(或称而定支W),并克服干扰的影响保持这一值。—PID调节器3.3.7其他应用-电压比较器功能：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。电压比较器是一种模拟输入、数字输出的模拟接口电路。用途：越限报警、波形发生和波形变换以及模数转换等场合。运算放大器工作在开环状态或引入正反馈。3.3.7其他应用-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。运算放大器处于开环状态当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t1t2

单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。

电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURUR3.3.7其他应用-电压比较器ui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)输入信号接在反相端输入信号接在同相端思考输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOU