电工学(第七版)-秦曾煌-课件-16.集成运算放大器

集成运算放大器电工学（第七版）·秦曾煌·第16章Contents本章目录集成运算放大器的基本原理与典型应用场景概览01集成运算放大器的简单介绍02运算放大器在信号运算方面的应用03运算放大器在信号处理方面的应用04运算放大器在波形产生方面的应用05使用运算放大器应注意的几个问题CHAPTER01集成运算放大器的简单介绍从集成电路基本概念到运放的结构、参数与理想模型SEMICONDUCTOR·ICFUNDAMENTALS集成电路概述集成电路是将晶体管、二极管、电阻、电容及连线集成在同一半导体基片上的固体器件，具有工作稳定、体积小、功耗低等优势，实现了元件、电路与系统的三结合，是现代电子技术的基础。半导体工艺集成：采用半导体工艺将完整电路集成在单一硅片上并封装于管壳内，也称为固体器件，是现代电子设备微型化的核心技术基础显著优势：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小，实现了元件、电路和系统的高度集成与三结合元器件一致性：同一硅片上相同工艺生产的元器件性能一致性好、温度特性匹配度高，但单个精度有限，电阻一般为几十欧至几十千欧设计约束：电感难以制造、大电容不易实现（一般不超过200pF），因此集成电路设计需尽量避免使用大电感和大电容元件集成电路芯片·半导体晶圆实拍ANALOGCIRCUIT集成运算放大器的基本结构集成运放是一种高放大倍数的多级直接耦合放大电路，由输入级（差分放大）、中间级（电压放大）和输出级（功率输出）三级组成，各级承担不同功能并协同工作以实现高性能信号放大。差分放大电路·输入级LM741运算放大器·中间级功率放大电路·输出级STAGE01·INPUT输入级采用带恒流源的差分放大电路，提供高输入电阻以减小对信号源的影响；差分结构有效减小零点漂移并抑制共模干扰，是运放高性能的关键。STAGE02·GAIN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；承担运放主要电压增益功能，是决定开环放大倍数的核心级。STAGE03·OUTPUT输出级与负载直接相连，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，确保能驱动实际负载。OPERATIONALAMPLIFIER集成运算放大器的主要特点集成运放具有开环增益极高（80-140dB）、输入电阻极大（10⁵-10¹¹Ω）、输出电阻极低（几十至几百Ω）、共模抑制比高（70-130dB）四大特点，这些特性使其成为理想的信号放大与处理器件。集成运放核心性能指标理想运放各指标趋于无穷，实际运放已非常接近理想特性01开环电压放大倍数Auo极高（80dB~140dB），微小差模输入即可获得大幅放大，为精确运算电路提供增益基础02输入电阻rid极高（10⁵~10¹¹Ω），几乎不从信号源汲取电流，对前级电路影响极小，有利于信号无损传输03输出电阻ro极低（几十Ω~几百Ω），带负载能力强，驱动后级电路不造成显著信号衰减04共模抑制比KCMR高（70dB~130dB），有效抑制共模干扰、放大有用差模信号，保证工业噪声环境下的精度Parameters集成运算放大器的主要参数运放的主要参数包括最大输出电压、开环差模增益、输入失调电压/电流、输入偏置电流和共模输入范围等，这些参数决定了运放的性能极限和适用范围，是选型与电路设计的基本依据。集成运放主要参数一览表参数名称符号物理意义与选用原则最大输出电压UOPP保持不失真关系的最大输出电压，决定运放的输出动态范围开环差模电压增益Auo无反馈时的差模放大倍数，越高则运算电路越稳定、精度越高输入失调电压UIO反映内部电路不对称程度，值越小越好，直接影响直流精度输入失调电流IIO两输入端偏置电流之差，越小则输入误差越小输入偏置电流IIB输入端所需的偏置电流，影响高阻抗信号源的测量精度共模输入电压范围UICM能承受的最大共模电压，超出则共模抑制性能下降甚至损坏六大核心参数覆盖增益、精度、线性度和保护等关键维度ANALOGELECTRONICS理想运算放大器及其分析依据理想运放模型假设开环增益、输入电阻和共模抑制比趋于无穷、输出电阻趋于零，由此推导出"虚短"和"虚断"两大核心分析依据。IDEALCONDITIONS理想条件与电压传输特性01理想运放条件：Auo→∞、rid→∞、ro→0、KCMR→∞，实际运放参数已非常接近理想值02线性区：uo=Auo(u+-u-)；非线性区：输出为+Uo(sat)或-Uo(sat)两种饱和状态VIRTUALPRINCIPLES虚短与虚断分析依据03虚短：因Auo→∞，差模输入电压约等于零（u+≈u-），两输入端电位近似相等04虚断：因rid→∞，输入电流约等于零（i+=i-≈0），输入端几乎不汲取电流05虚地：同相端接地时，由虚短可知反相端电位近似为零（u-≈0）运算放大器在实验室电路板上的真实应用场景Chapter02运算放大器在信号运算方面的应用比例、加减、积分与微分运算电路的原理与分析方法OPERATIONALAMPLIFIER反相比例运算电路反相比例运算电路将输入信号加在反相端，通过负反馈电阻RF实现精确的比例放大，闭环增益Auf=-RF/R1，输出与输入反相，是运放最基础的应用电路之一。面包板搭建的运算放大器电路实物01输入信号经R1加到反相输入端，RF构成负反馈回路，同相端通过平衡电阻R2接地以减小偏置电流误差02利用虚断（i⁻=0）和虚地（u⁻=0）分析：流过R1的电流全部流过RF，得uo=-(RF/R1)·ui03闭环增益Auf=-RF/R1，负号表示输出与输入反相，增益仅由外部电阻比值决定04平衡电阻R2=R1∥RF，使两输入端等效电阻相等，减小输入偏置电流引起的失调误差ANALOGCIRCUIT同相比例运算电路与电压跟随器同相比例运算电路的输入信号加在同相端，闭环增益Auf=1+RF/R1（总大于1且同相输出）；当RF=0或R1→∞时退化为电压跟随器（Auf=1），具有极高输入电阻和极低输出电阻，是理想的缓冲隔离器。同相比例运算电路01输入信号加在同相端，RF构成负反馈至反相端，反相端经R1接地，输出与输入同相02由虚短（u⁻=u⁺=uᵢ）和虚断推导：闭环增益Auf=1+RF/R₁，始终大于103闭环输入电阻极高（近似运放本身的rid），对信号源几乎无负载效应电压跟随器04当RF=0（或R₁→∞）时Auf=1，输出完全跟随输入，uo=ui05具有极高输入电阻和极低输出电阻，在多级电路中起缓冲隔离作用06常用于高阻抗信号源与低阻抗负载之间的阻抗匹配，避免信号衰减实验室示波器观察运放电路信号波形OP-AMPCIRCUIT反相加法运算电路反相加法电路通过在反相端接入多个输入信号实现加权求和运算，输出电压为各输入电压按电阻比例加权后的负值之和，通过调节各输入电阻可灵活控制各通道权重。音频混音器—反相加法电路的典型应用场景01i1i2i3电路结构：多个输入信号ui1、ui2、ui3分别经R11、R12、R13加到反相输入端，RF为反馈电阻，同相端经平衡电阻R2接地02加权求和：由虚地（u⁻=0）和虚断推导：uo=−RF·(ui1/R11+ui2/R12+ui3/R13)，实现加权反相求和03等阻简化：当R11=R12=R13=R时，uo=−(RF/R)·(ui1+ui2+ui3)，输出为各输入信号之和的反相比例放大04平衡电阻：R2=R11∥R12∥R13∥RF，调节任一输入电阻可独立改变该通道增益而不影响其他通道ANALOGCIRCUIT·SUBTRACTION差分减法运算电路差分减法电路将两个输入信号分别加在运放的反相端和同相端，通过叠加原理分析得到输出与两输入之差成正比，当电阻匹配时uo=(RF/R1)(ui2−ui1)，实现精确的差值放大。工业传感器信号调理电路板实拍01ui1经R1加到反相端，ui2经R2加到同相端，RF为负反馈电阻，R3为同相端对地电阻R1·R2·RF·R302叠加原理分析：反相分量uo1=−(RF/R1)·ui1，同相分量uo2=(1+RF/R1)·[R3/(R2+R3)]·ui2Superposition03当RF/R1=R3/R2时输出简化为uo=(RF/R1)·(ui2−ui1)，实现精确的减法运算uo=(RF/R1)(ui2−ui1)04电阻匹配精度直接影响共模抑制能力，实际应用中需选用高精度电阻以保证运算准确性CMRRINTEGRATORCIRCUIT积分运算电路积分运算电路用反馈电容CF替代反馈电阻，输出电压与输入电压的时间积分成正比，uo=-(1/R1CF)∫uidt，能将方波转换为三角波，是控制系统和模拟计算中的核心功能模块。示波器显示的方波与三角波波形对比01反馈元件采用电容CF替代电阻，输入信号经R1加到反相端，由虚地得输入电流i=ui/R1全部流入电容02输出电压uo=-(1/R1CF)·∫uidt，积分时间常数τ=R1CF，积分速率由R1和CF的乘积决定03输入方波时输出为三角波，输入恒定直流时输出为线性斜坡信号，广泛应用于波形变换与信号处理04实际应用中需在CF两端并联大电阻以防止直流漂移导致输出饱和，保证电路长期稳定工作ANALOGCIRCUITS微分运算电路微分运算电路将输入电容和反馈电阻互换位置，输出电压与输入电压的变化率成正比，能将三角波转换为方波，但需注意高频噪声和稳定性问题。输入信号经电容C1加到反相端，RF为反馈电阻，电容电流i=C1·dui/dt全部流过RF输出电压uo=−RF·C1·dui/dt，输出与输入信号的时间微分成正比，微分时间常数为RFC1输入三角波时输出为方波，输入阶跃信号时输出尖脉冲，实现波形微分变换功能纯微分电路高频增益过大易受噪声干扰和自激振荡，实际电路需在C1串联小电阻以限制高频增益运算放大器·电路对比基本运算电路总结对比六种基本运算电路均以虚短和虚断为分析基础，通过改变输入接入方式和反馈元件类型实现不同运算功能，闭环特性完全由外部电阻/电容参数决定，与运放开环参数无关。六种基本运算电路对比电路类型输出公式关键特征反相比例uo=-(RF/R1)·ui输出反相，增益可调，输入电阻=R1同相比例uo=(1+RF/R1)·ui输出同相，增益≥1，输入电阻极高电压跟随器uo=ui增益为1，阻抗变换与缓冲隔离反相加法uo=-RF·Σ(ui/Ri)多路加权求和，通道独立可调差分减法uo=(RF/R1)·(ui2-ui1)差值放大，需电阻匹配保证精度积分运算uo=-(1/RC)·∫uidt方波→三角波，控制系统积分器六种电路覆盖比例、加减、积分三大类运算，均以虚短虚断为统一分析方法Chapter03运算放大器在信号处理方面的应用有源滤波器的分类、原理与采样保持电路ACTIVEFILTER有源滤波器概述有源滤波器由RC网络与运算放大器组成，相比无源滤波器具有信号不衰减（有增益）、无需电感（便于集成）、级间负载效应小（便于级联）三大优势，是低频信号处理的首选方案。频率响应分析仪·电子测试设备实拍BASICPRINCIPLES滤波器基本原理01滤波器让特定频率范围的信号通过而阻止其他频率成分，按通频带分为低通、高通、带通和带阻四种基本类型02截止频率f₀（也称−3dB频率）是通带与阻带的分界点，此处信号幅度衰减为通带的0.707倍KEYADVANTAGES有源滤波器的优势信号增益：运放提供增益，信号经滤波器后不衰减甚至可放大，弥补了RC网络的固有损耗易于集成：无需使用笨重的电感元件，仅用R、C和运放即可实现，便于小型化和集成电路化级联友好：运放高输入电阻和低输出电阻使级间几乎无负载效应，多级级联可获得陡峭的过渡带特性ACTIVEFILTERS有源低通与高通滤波器有源低通滤波器允许低于截止频率fo=1/(2πRC)的信号通过而衰减高频成分，高通滤波器则相反；两者通过互换R和C位置实现功能转换，级联可提高选择性和过渡带陡峭度。有源滤波器电路板·含运算放大器与RC元件有源低通滤波器R串联在信号通路中、C对地连接构成RC低通网络，接至运放同相端，运放提供增益和缓冲截止频率fo=1/(2πRC)，低于fo的信号通过，高于fo的信号按−20dB/dec衰减（一阶）二阶低通滤波器衰减斜率增至−40dB/dec，过渡带更陡峭，选择性更好有源高通滤波器C串联在信号通路中、R对地连接构成RC高通网络，将R和C位置互换即可由低通变换为高通截止频率公式同为fo=1/(2πRC)，高于fo的信号通过，低于fo的信号被衰减实际应用中常将高通与低通级联构成带通滤波器，仅允许特定频率范围内的信号通过SIGNALPROCESSING带通、带阻滤波器与采样保持电路带通滤波器由高通和低通级联实现，仅允许fL至fH范围内的信号通过；带阻滤波器则阻止特定频段信号；采样保持电路在A/D转换中捕获并保持模拟信号瞬时值，是模拟信号数字化的关键环节。带通与带阻滤波器带通滤波器：高通(fL)与低通(fH)级联，通带宽度BW=fH−fL，品质因数Q=f₀/BW反映选择性带阻滤波器：阻止特定频段信号通过，常用于消除50Hz工频干扰等特定频率噪声采样保持电路采样阶段：开关导通，电容快速充电至输入信号瞬时值，运放输出跟随输入变化保持阶段：开关断开，电容保持已充电压值不变，为A/D转换器提供稳定的模拟输入前置环节：采样保持是模拟信号数字化的必要步骤，采样频率需满足奈奎斯特定理频谱分析仪·信号频率分析实验场景CHAPTER04运算放大器在波形产生方面的应用正弦波振荡器、方波与三角波发生电路的工作原理ANALOGCIRCUITS电压比较器电压比较器利用运放开环或正反馈状态下的非线性特性，输出仅有正饱和和负饱和两种状态，通过比较两个输入端的电压高低实现信号判决，是波形产生和模数转换的基础电路。示波器显示的方波信号输出波形01运放开环工作时处于非线性区，u⁺>u⁻时输出+Uo(sat)，u⁺<u⁻时输出−Uo(sat)，实现电压比较功能±Uo(sat)02过零比较器将参考电压设为零，输入正弦波时输出方波，实现波形变换和过零检测过零检测03通过设置不同的参考电压UR可调整翻转阈值，构成幅度鉴别器，用于检测信号是否超过预设电平幅度鉴别04实际应用中常在输出端加稳压管限制输出幅度，并引入少量正反馈形成滞回特性以消除输入噪声引起的误翻转滞回特性OSCILLATORCIRCUITRC正弦波振荡器（文氏桥振荡器）文氏桥振荡器利用RC串并联选频网络在f₀=1/(2πRC)处反馈系数最大且相移为零的特性，配合增益略大于3的同相放大器产生正弦波，是低频信号发生器的经典电路方案。函数信号发生器·实验室设备实拍选频网络F=1/3RC串并联网络在谐振频率f₀=1/(2πRC)处反馈系数F=1/3且相移为零，满足振荡的相位条件。起振条件Auf≥3同相放大器增益Auf≥3（即1+RF/R₁≥3），以补偿选频网络1/3的衰减。稳幅机制采用热敏电阻或二极管等非线性元件自动调节增益，使起振后幅度稳定、波形失真小。频率调节ΔR/ΔC通过同步改变R或C的值可方便地调节振荡频率，广泛用作音频范围的信号发生器。WAVEFORMGENERATOR方波与三角波发生电路方波发生器由滞回比较器与RC充放电回路构成，输出在正负饱和间交替翻转；将方波送入积分器即可获得三角波，两者级联形成闭环振荡系统。示波器实测：方波与三角波波形对比SQUAREWAVE方波发生器01滞回比较器输出在+Uo(sat)和−Uo(sat)之间交替翻转，RC网络控制电容充放电来决定翻转时刻02振荡频率由RC时间常数和正反馈系数决定，调节R或C即可改变方波频率TRIANGLEWAVE三角波发生器03方波经积分器后变为三角波：输出线性上升或下降04比较器与积分器级联形成闭环：方波→三角波→反馈控制翻转05三角波幅值由比较器的滞回阈值决定，频率同时受RC和阈值参数控制CHAPTER05使用运算放大器应注意的几个问题选型原则、消振、调零、保护与扩展输出等工程实践要点ANALOGDESIGN运放选型与消振运放选型需综合考虑精度、带宽、功耗等应用需求，消振则是保证电路稳定工作的必要措施——通过外接补偿网络消除寄生参数引起的自激振荡，确保闭环系统具有足够的相位裕度。LM741运算放大器·DIP封装实物选型原则01参数驱动选型：高精度应用选低失调电压型，高频应用选高带宽增益积型消振方法自激成因：运放内部极间电容和寄生参数可能导致闭环电路产生自激振荡，表现为输出端出现高频振荡信号补偿方式：外加消振RC补偿网络，在指定引脚间接入电容或小RC串联网络，降低高频增益以保证稳定性参数权衡：参照数据手册推荐值选择补偿参数，过度补偿会降低带宽，补偿不足则无法消除振荡OperationalAmplifier调零与保护措施调零通过外接电位器补偿内部不对称使零输入时零输出；保护电路则从输入端（二极管限压）、输出端（稳压管限幅）和电源端（二极管防反接）三个维度确保运放安全可靠工作。失调校准运放内部参数不完全对称导致零输入时输出不为零（失调），必须在使用前通过调零引脚外接电位器进行校准0V校准调零操作调零操作应在电路接通电源并预热后进行，调节电位器使输入短路时输出电压精确为零预热后调节输入保护反相端和同相端并联反向连接的二极管，将输入差模电压限制在二极管正向压降（约0.7V）以下≤0.7V输出保护输出端反向串联两个稳压管，将输出电压幅度限制在稳压值范围内，防止过载损坏稳压管限幅电源保护在正负电源端各串联二极管，防止电源极性接反造成运放内部电路损坏防反接EngineeringPractice扩大输出电流与实际工程技巧运放输出电流有限（通常仅几十毫安），通过在输出端添加互补对称功率管可大幅扩展驱动能力，同时保持运放的精度控制优势，是驱动大功率负载的常用工程方案。功率放大器互补对称电路实物输出电流瓶颈：运放本身输出电流能力有限（通常≤20mA），驱动大电流负载时需在输出端加互补对称功率放大级互补对称架构：NPN和PNP互补功率管接在运放输出与负载之间，运放控制精度、功率管提供电流，实现高增益大电流输出消除交越失真：在两功率管基极间加偏置二极管，使其工作在甲乙类状态，保证波形完整性布线与去耦：注意接地方式和去耦电容放置，电源端就近接入0.1μF陶瓷电容以抑制高频电源噪声PinConfigurationLM741运放管脚说明LM741采用8脚DIP封装，管脚2为反相输入、管脚3为同相输入、管脚6为输出、管脚7和4分别接正负电源、管脚1和5接调零电位器、管脚8闲置，正确识别管脚是电路搭建的基础。LM741运算放大器管脚功能表管脚号名称功能说明1OFFSETNULL调零端（接电位器一端）2IN-反相输入端3IN+同相输入端4V-（-UEE）负电源端5OFFSETNULL调零端（接电位器另一端）6OUT输出端7V+（+UCC）正电源端8NC闲置端（不连接）8脚DIP封装各管脚功能明确，正确接线是电路正常工作的前提LEARNINGOBJECTIVES本章学习要求与知识框架本章围绕集成运放从基础到应用展开，要求掌握运放结构与参数、虚短虚断分析方法、六大基本运算电路、有源滤波器和比较器原理，形成从理论分析到工程实践的完整知识体系。基础