集成运算放大器文档

集成运算放大器3.1集成运算放大器3.2放大器中的反馈3.3基本运算放大电路3.5电压比较器1第三章集成运算放大电路•集成电路按其功能可分为数字集成电路和模拟集成电路。数字集成电路是用来产生和处理各种数字信号的集成电路；模拟集成电路是用来产生、放大和处理各种模拟信号的集成电路。本章主要介绍模拟集成运算放大器及由其构成的基本运算电路、运算放大器电路的负反馈。教学基本要求••1.了解集成运算放大器的基本组成、电压传输特性和主要参数。掌握理想运算放大器的基本分析方法。2.理解反馈的概念，了解负反馈对放大电路性能的影响。3.理解用集成运算放大器组成的各种运算电路的工作原理。23.1集成运算放大器•运算放大器是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它具有：1）放大倍数高；2）输入电阻大；3）输出电阻小；4）对称性好；5）功耗低等特点。•一.FC72运算放大器的结构和工作原理•1.结构及组成•图3.1为FC72运算放大器的简化原理图。它是由输入级、中间级（中间放大级和中间隔离级）、输出级组成。3图3.1FC72放大器简化原理图4•1)输入级要求：输入电阻高、能减小零点漂移和抑制干扰信号。组成：采用带恒流的差动放大电路。•2)中间级要求：电压放大倍数高。组成：由复合管的共射极放大电路构成中间放大级；由两级射极跟随器构成中间隔离级。•3)输出级要求：输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流。组成：采用互补对称功率放大电路或射极跟随器构成。5•2.电路的相位关系分析4端为反相输入端5端为同相输入端6•综上所述，用框图和图形符号表示集成运算放大器，如图3.2所示。图3.2运算放大器基本结构框图及图形符号7•二.集成运算放大器的理想化模型•1.理想集成运算放大器的特点•1)电压放大倍数为无穷大，即Auo→∞;•2)输入电阻为无穷大，即ri→∞;•3)输出电阻为零，即ro≈0。•理想集成运算放大器的模型见图3.3。图3.3理想运算放大器模型8•2.结论•1)当Auo→∞时，uoAuo

有：ui0ui

uuuνν0图3.3理想运算ii1i2

放大器模型即：ν

ν

故两输入端可视为短路，称为“虚短”。2)当ri→∞时，有i’i≈0,即两输入端对外电路而言可视为开路，称为“虚断”。9三、电压传输特性运放工作在线性区时的特点运放工作在非线性区时的特点非线性区:uo=A(u+-u-)uo{+u-uOMOM当u+>u-,uO=+uOM

当u+<u-,uO=-uOM_∞u+uouoi++UCC线性区:uO=A(u+-u-)A∞,u为有限值,u≈u-uio+例：若UCC=12V，Ao=106，则|ui|<12

V时，运放处于线性区。-UCCA越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。

线性放大区10•四.集成运算放大器的主要参数•1.最大输出电压UO能使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大电压，称为集成运算放大器的最大输出电压UOM。•2.开环放大倍数Auo（开环电压增益）在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数，称为开环电压放大倍数Auo。•3.输入失调电压UOS若输入电压为零，输出电压不为零，则需要在输入瑞加补偿电压．以使输出为零，这个补偿电压称为输入失调电压UOS。11•4.输入失调电流IOS输入信号为零时，两个输入端静态基极电流之差．称为输入失调电流IOS。LM324运算放大器管脚图如左图所示123.2放大器中的反馈•一.反馈的概念•1.定义：*凡是将放大电路(或某个系统)输出端的信号(电压或电流)的一部分或全部通过某种电路(反馈电路)引回到输入端，则称为反馈。*若引回的反馈信号削弱输入信号而使放大电路的放大倍数降低，则称这种反馈为负反馈。*若反馈信号增强输入信号，则为正反馈。13•2.方框图：如图3.4所示(a)无反馈图3.4放大电路方框图(b)有反馈当：xixixf•反馈信号削弱净输入信号，故称为负反馈；当：xixixf3.组成：引入反馈的放大电路是由放大环节、•反馈环节反馈信号增强净输入信号，故称为和比较环节三部分组成。正反馈。14•图3.5分别示出上述几种反馈形式的框图(a)串联电流负反馈(b)并联电流负反馈(c)串联电压负反馈(d)并联电压负反馈图3.5几种反馈形式的框图15二.反馈性质和类型的判断.(交流负反馈的判断)1.串联电流负反馈:+UCCRB1RC交流通路URL+be+UiRB1ReRCUoURB2UfRB2ReRLUUoif判断电路中有无交流反馈视其交流通路中,输入回路与输出回路间有无起联系的元件.1).Re为反馈元件.2).Ui、Ube、Uf在输入回路中以环路形式出现---串联反馈.3).Uf=IeRe,Uf正比于输出电流---电流反馈.4).根据瞬时极性法判断反馈性质Ube减小,所以是负反馈162.并联电压负反馈:1).Rf为反馈元件+UCCRCif_C2).反馈在输入回路以电流形式影响输入信号,i、ib、if以节点的形式出现----并联反馈.Rf2iC1+RRLuSuSiiibo

3IfRfUOUbe0).UbeUOUORfIf

Rf反馈量If与输出电压成正比-----电压反馈4).IbIiIfIb

负反馈173.串联电压负反馈:+UCCRB1RC1RB21RC2C3_+C1_+TC2T21UbeUoUi+RB22RE2CEUfRE1RfRE1

UfUO

UfUbe

串联电压负反馈RE1Rf18+ECRB1RC1RB21RC2C3+C1+T1C2T2uouiRRRE1B22E2CE––RfC增加隔直电容C后，Rf只对交流起反馈作用。注：本电路中C1、C2也起到隔直作用。19+ECRB1RC1RB21RC2C3+C1+T1C2T2uouiRRCRE1B22E2CE––Rf增加旁路电容C后，Rf只对直流起反馈作用。交流无反馈作用.204.并联电流负反馈:+UCCRB1RC1RB21RC2C3C-+Ii1IbC-T12T2RS+-UUoUSIRE1RB22Re2fe2–RfIf的大小决定于Ue2电位的高低,Ue2Ie2Re2,与输出电流Ie2成正比,IfIb

并联电流负反馈21小结:1.反馈从输出电压取出----电压反馈,否则为电流反馈.2.反馈引回射极----串联反馈,引回到基极----并联反馈.3.瞬时极性法:集电极与基极反相,射极与基极跟随,串联反馈将Rf在输出回路的瞬时极性拉回看Ube的增减,Ube减小为负反馈.并联反馈则根据瞬时极性看If的流向可知Ib的增减,使Ib减小则为负反馈.22例1：判断Rf是否负反馈，若是，判断反馈的类型。+UCC并联反馈RC1RC2iiiB-+--电流反馈uRouiiffRE2RE1采用瞬时极性法得知Rf在输出回路的瞬时极性为负,反馈电流if从正流向负,使iB减小,所以为负反馈.23例2：判断如图电路中RE3的级间交流反馈作用。+UCCRC1RB2RB3RC3RC2RB1_+T3T2++ie3uT1ouiube1+RE3ufube1=ui-uf减小电流串联负反馈。24例3.判断级间交流负反馈的性质和类型.+UCCRB1RC1-RB21C3C1+C-T12T2RS+++RRfUSE1Uo–串联电压负反馈25例4+UCCRB1RC1-RB21C3C1+C-TT122+RS--RRfUSE1Uo–正反馈26•在交流放大电路种除上述四种（不含正反馈）之外，还有直流反馈和交流反馈，如图3.6所示。图3.6直流反馈和交流反馈的示意图27•3.举例例5)判别图3.7所示电路的反馈类型。•解:a）RF元件连接输出端和输入端，电路存在反馈；b）输入回路有：i’i=ii－ifc）输出回路有：v

uouo图3.7if

RFRFd）瞬时极性法如图所示。综述：反馈类型为并联电压负反馈28•例6)判别图3.8所示电路的反馈类型。•解:a)有R1、RF反馈元件，存在反馈；b)输入回路有：u’i=ui－ufc）输出回路有：R1ufuoR1RF图3.8d)瞬时极性法如图所示。综述：反馈类型为串联电压负反馈29•例7)电路如图3.9所示，试判别反馈类型.•解:a）RF元件连接输出端和输入端，电路存在反馈；b)输入回路有：i’i=ii－ifc)输出回路有：RifioRRF图3.9d)瞬时极性法如图所示。•综述：反馈类型为并联电流负反馈30图3.7并联电压负反馈图3.8串联电压负反馈图3.9并联电流负反馈31•总之，从上述三个运算放大器电路可以看出：•(1)反馈电路直接从输出端引出的，是电压反馈,否则是电流反馈；•(2)输入信号和反馈信号分别加在两个输入端(同相和反相)上的，是串联反馈；加在同一个输入端(同相或反相)上的，是并联反馈；•(3)反馈信号使净输入信号减小的，是负反馈；反馈信号使净输入信号增加的，是正反馈。32三.负反馈对放大电路工作性能的影响•1.降低放大倍数•由图3.10方框可知：xoxoAxixixf•1)未引入负反馈时，xoA(xixf)(1)图3.10负反馈方框图xfF(2)xo1AF•据式(1)、(2)有：xixoA33•2)引入负反馈后电路的放大倍数Af1AFxixoAxoAAf(3)xi1AF图3.10负反馈方框图可见，负反馈时放大倍数下降。将(1+AF)称为反馈深度，当(1+AF)＞＞1时，则称为深度负反馈。34•2.提高放大倍数的稳定性•分析：•将式(3)对A取导数得dAf(1AF)AF1

2

2dA(1AF)(1AF)A11Af1

1AFA1AFA1AFdAf1dA(4)Af1AFA•说明提高了放大倍数的稳定性。35A由式:Af可知1AF当负反馈为深度负反馈时，即AF＞＞1，有:AA1Af(5)1AFAFF•式(5)说明，在深度负反馈时，闭环放大倍数Af仅与反馈电路的参数有关。36•3.对放大电路输入、输出电阻的影响•1)对输入电阻的影响•分析依据：uiri

ii•据图3.11(a)有：ri=rbe;•据图3.11(b)有：rif=rbe+(1+β)RE;ui•据图3.11(c)有：rif

ibeif图3.11负反馈对放大37电路输入电阻的影响图3.12负反馈对放大电路输入电阻的影响38据图3.12(a)有：据图3.12(b)有：据图3.12(c)有：rif=ri;rif=ri+rf;uirif

iiif•结论：•串联负反馈使放大电路的输入电阻rif增高；•并联负反馈使放大电路的输入电阻rif减低。39对输出电阻的影响•电压负反馈的放大电路具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出的特性，而恒压源的内阻很低，故电压负反馈具有减小放大电路输出电阻的作用。•电流反馈的放大电路具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出的特性，而恒流源的内阻很高，故电流负反馈具有增大放大电路输出电阻的作用。40结论：••••采用串联负反馈，能增大输入电阻；采用并联负反馈，能减小输入电阻；采用电流负反馈，能增大输出电阻；采用电压负反馈，能减小输出电阻；•思考：•如果需要实现下列要求，在交流放大电路中应引入哪种类型的负反馈?(1)要求输出电压uo基本稳定,并能提高输入电阻。(2)要求输出电流io基本稳定,并能减小输入电阻。(3)要求输出电流io基本稳定，并能提高输入电阻。413.3基本运算放大电路•集成运算放大器应用于信号运算电路、信号处理电路、信号测量电路、信号产生电路等各方面。•集成运算放大器工作状态可分为线性工作状态和非线性工作状态。本节仅介绍信号运算电路，属于运算放大器的线性应用。42•在分析信号运算放大电路时，将运算放大器视为理想运算放大器。•集成运算放大器特性理想化的条件主要有以下几条：(1)开环差模电压放大倍数Auo→∞;(2)差模输入电阻rid→∞；(3)输出电阻ro≈0。(4)共模抑制比CMRR→∞；43•根据上述理想条件，导出理想运算放大器工作在线性放大区时两条重要法则：•1)由Auo→∞,得ν

ν

,称为“虚短路”;•2)由rid→∞；得两输入端的输入电流均为零，即i’i≈0，称为“虚开路”。*当运算放大器工作在线性区时，有uoAuo(v

v

)图3.3理想运算放大器模型44一.反相输入运算放大电路1.反相比例运算•电路如图3.13所示，•分析：•根据运放工作在线性放大区时的重要法则有：iii0v

v

0图3.13反相比例运算iif称反相输入端为“虚地”。∴ii=if45•由图3.13可列出uiv

uiii

R1R1v

uouoif

RFRF图3.13反相比例运算RFuouiuoRFAuf

R1uiR1•上式表明：输出电压与输入电压是比例关系，故称为反相输入运算放大电路。462.反相器。uoRF∴当RF=R1时，有:Auf

uiR1uo=－ui，Auf=－1,则电路称为反相器。*图中的R2是一平衡电阻，R2＝R1//RF，其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响，为保证运放中差动放大电路结构的对称性。图3.13反相比例运算47•例1：电路如图3.14所示，试分别计算开关S断开和闭合时的电压放大倍数Auf。图3.14例1的电路图48•解:1)当S断开时，uoRFAuf5uiR1R22)当S闭合时，v

v

0即R、R可视作并联ui2i1

23ui图3.14例1的电路图R1(R2//R3)311v

uo1i2i1uiifuo23RF10i2ifii0i2if线性分析的法则(2)11uouiuoAuf3.33310ui493.反相加法运算放大电路••分析：原理电路图如图3.15所示ii0v

v

0•据图3.15可列出：ii1+ii2+ii3=if•且：ui1ui2ii1

ii2

图3.15反相加法R11R12运算放大电路ui3uoii3

if

R13RF50ii1ii2ii3ifui1ui2ui3uo

R11R12R13RFRFRFRF即：uo(ui1ui2ui3)*R11R12R13当：R11R12R13R时，有：uo(ui1ui2ui3)*RFR51•当：R11=R12=R13=RF时，•有：uo=－(ui1+ui2+ui3)---------*由上列三式可见，加法运算电路与运算放大器本身的参数无关．只要电阻阻值足够精确，就可保证加法运算的精度和稳定性。•平衡电阻：R2=R11//R12//R13//RF52二.同相输入运算放大电路•1.同相比例运算放大电路•原理电路图如图3.16所示，图3.16同相比例运算放大电路53•分析：•根据运放工作在线性放大区时的重要法,则有：ii=ifv－≈v+•据图3.16可列出：•方法一：ufv

uiii

R1R1R1v

uouiuoif

图3.16同相比例RFRF运算放大电路uiuoui

R1RF54RF得：uo(1)ui*R1uoRFAuf1**uiR1•可见uo与ui间的比例关系可认为与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳定性都很高。式中Auf＞1，且uo与ui同相。55•方法二.据图3.16有：v－≈v+=uiR1且：v

uoR1RFR1uiuoR1RF图3.16同相比例RF运算放大电路得：uo(1)ui***R1•当R1=∽(断开)或RF=0时，则Auf=1，uo=ui，故电路称为电压跟随器。562.电压跟随器结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。

_

uo+u+iuou

u

ui此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。573.同相加法运算放大电路原理电路图如图3.18所示，•分析：∵v－≈v+i2+i3=－i’i=0图3.18同相加法运算放大电路58R1RF1得：uo(R3ui1R2ui2)R1R2R3RF(1)(k1ui1k2ui2)*R1R3R2式中：k1

R2R3k2

R2R3•由上式可知，同相加法运算放大电路可进行y=a1x1+a2x2运算。59•例8：电路如图3.17所示，求uo。•解：由图3.17可知，三个运算放大器均为电压跟随器，∴uo1=ui1，uo2=ui2•算，可将左边部分可作为等效电源，如图3.17(b)所示。利用戴维南定理计图3.17例2电路图60•采用节点电压法计算uBO，即uo1uo2ui1ui2

R1R2R1R2uBO

1111

R1R2R1R2RR1//R2R4uov

uBORR3R461三.双端输入运算放大电路原理图如图3.19所示，•分析：∵i1=if；i2=i3据图3.19可列出：ui1v

i1

iv

uo图3.19双端输入运算放大电路R1ui2v

v

fi2

i3

RFR2R3ui1v

v

uoui2v

v

R1RFR2R362ui1RFuoR1R3得：v

v

ui2R1RFR2R3RFR3RF整理得：uo(1)()ui2ui1R1R2R3R1RFR3当:R1=R2；R3=RF，或则有：uo(ui2ui1)

;R1R2RFR1当:RF=R1时，得：uo=ui2－ui1故又称为减法运算放大电路。63若:RfR3

R1R2解：RRRuo(1f)3ui2-fui1R1R2R3R1RRf

_fuo(ui2ui1)uR1i1RRfR3R1RfR3证:(1)ui2ui21R2+ui2+uoR1R2R3R1R2R3R1R3R3Rfui2Rf(R1R3R3Rf)ui2Rfui2R3R1R2R1R3R1(R2RfR3Rf)Rfui2R1若Rf=R1=R2=R3则uo=ui2-ui1R2RfR1R3uORfui2Rfui1Rf(ui2ui1)R1R1R164例9:求输出电压uo解:RfR3

R1R2-100kΩ1.6MΩ++RuoRf(ui2ui1)R1f-R10.5v++uo1.6106(0.5)-100kΩ100103++R8v21.6MΩR365例10:求输出电压Uo240k60k0.1v120k60k-0.3v60k-0.3v++40kUO1-++Uo-UO2++-0.1v40k4020kUO2(1)(0.1)0.3v20解:UO12400.1240(0.3)2400.36060UOUO1(1)UO21201206060400.5(1)1.5(0.3)0.50.450.05v1v66例11：设计一个加减运算电路，Rf=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)画电路。R3Rfui3系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。

uRo2R1+ui2+ui1R467-(2)求各电阻值。uo=10ui1+8ui2-20ui3R3RFRF240kui3

uo240240R2+uOui3(1)u

ui2+1212R1ui1ui2ui18ui210ui1R4

u

302411121R24k

1302480R230kR12kuo20ui321u

20ui38ui210ui13R480k68-例12：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0~+5V，现有信号变化范围为-5V~+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0~+5V。uoA/Dui电平抬高电路计算机+5V+5V+2.5V-5Vuo=0.5ui+2.5V69uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V20k10k20kui20k_

20k

+5V_

+uo+uo110k++5k20uouo10.5(ui5)2070例13求：uo解：A1为电压跟随器+

u2k8k

uo1＝0.6V0.6Vo1

A1++A3+uoA2为双端输入12k

36k

_

+A2+0.2Vuo2A3为双端输入71例14:试求下图所示电路的输入阻抗ZiIfZ解:U

U

Uo1UiIIˊi+-If(n-1)RUiIˊ+Uo1RiRIUo1Iiˊ-++Uo(n1)RUoIf

Uo1Uo(n1)RIi0即UOUi(1n)Ui(1)R(n1)RR第一级:UiUoIiIfIiZUOUiIiZ(2)UiZ(1n)UiUiIiZnUiIiZZi

Iin72例15：求Au=?虚短路虚地i2R2MR4i4u+≈u-=0ii≈i虚断路3R312iuo1

R4ui_uouM

111R1+

R2R3R4+RPuMuii2i1

R=-R22R1uMuiR173uou

R4uMuiMi2i1

111R2R1

R2R3R4(111)u=-R2R4uM=uo111MuiR2R3R4R1R4R2()uoR2R3R4R2R1R4R4

R2Au

(1)uiR1R3该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。74四.积分电路与微分电路•1.积分电路原理图如图3.20所示，•分析：∵i1=if，v－≈v+=0uiv

uiifi1

图3.20积分运算电路R1R1ucv

uouo11得：uoucC

ifdtRC

uidtF1F75•例：试求图3.21所示电路的uo与ui的关系式。解:由电路图可列出uoRFifuc1RFifC

ifdtFuiv

uiifi1

R1R1图3.21例题电路RF1uo(RuiRC

uidt)11F称为比例—积分调节器76例16求：uo已知R1=R2=10k,R3=9.1k,R4=100kRRR5=10k

,R6=25k

C=10µF14ui1解：A为加、减运算电路1u

uo1R5Ci2R2A1+ui3+R

uo3ui4RA+6+2uo1ui3ui3ui1ui3ui2

R7R4R1R2ui3ui1ui3ui2

uo1ui3R4uo121ui310ui110ui2-R1R2

77-R1R4ui1A2为加法－积分运算电路u

uo1R5CR5=10k

,R6=25k

C=10µFi2R2A1+ui3+R

uo3ui4RA+6+2uo1ui4duO

CR5R6dtR7-uo121ui310ui110ui2uo121ui310ui110ui21uo1ui4uo()dt(10uo14ui4)dtCR5R6(100ui1100ui2210ui34ui4