第四章 集成运算放大器

1、第四章 集成运算放大器 4.1 集成运算放大器简介 4.2 集成运放的基本结构 4.3 信号的运算电路 4.4 有源滤波电路 4.5 集成运放的非线性应用 4.6 集成运放其它应用*(4-1)4.1集成运算放大器简介将整个电路的各个元件做在一集成电路:个半导体基片上。工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。模拟集成电路、数字集成电路小、中、大、超大规模集成电路 优点:分类:(4-2)集成电路内部结构的特点1、电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好。2、电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。3、几十PF以下的小电容用

2、PN结的结电容构成、大电容要外接。4、二极管一般用三极管的发射结构成。(4-3) 4.2集成运放的基本结构基本原理+UCCT4uo反uT3T5u同IS-UEE输入级中间级输出级(4-4)框图相端T1相端T2与uo反相T4uo反相端T3T5uT1u同相端IS与uo同相(4-5)T2+UCCT4uo反相端T3Tu5T1u同相端IS-UEE输入级尽量减小零点漂移,尽量提高KCMRR , 输入阻抗 ri尽可能大。要求：(4-6)T2+UCCT4uo反uT3T5u同-UEE中间级输入级足够大的电压放大倍数(4-7)相端T1相端IST2+UCCT4uo反uT3T5u同-UEE中间级 输出级输入级主要提高带

3、负载能力，给出足够的输出电流io ，输出阻抗 ro小。(4-8)相端T1相端IST2运放的特点和符号理想运放：运放的特点：ri 高:几十k 几百kWKCMRR很大 riKCMMRR ro 0 Ao ro 小：几十 几百WA很大:104以上 107o运放符号：uu uuouu+o+(4-9)- A0 4.3 信号的运算电路4.3.1 概述uo+UOMA_u0uoiui+-UOMeAo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。(4-10)D在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，运放工作于线性状态。信号的放大、运算有源滤波电路恒压源、恒流源电路(4-11)运放线性运用

4、由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。理想运放的条件：A0 = u+ = u -uo = A0(u + -u-)ri= Ii = 0ro= 0放大倍数与负载无关， 可以分开分析。(4-12)虚开路虚短路+_u-u0+u+(4-13)D理想运放的符号4.3.2 信号的运算电路(1) 反相比例运算放大器u+ = u- = 0Ri22i =i12i1 u u+o_= -iR1uuioR2R1+= u0= - R2Auu1R1RP(4-14)DR2电路的输入电阻：+_uiuoR =Ri1R1反馈方式：电压并联负反馈输出电阻很小！+RPR=R /R

5、P12(4-15)D平衡电阻，使输入端 对地的静态电阻相等。R2共模电压：+_u + +u -uiuo= 0R12+RP输入电阻小、共模电压为0以及“虚地”是反相输入的特点。电位为0，虚地。(4-16)D(2) 同相比例运算放大器R2u-= u+= uiuo - uiui=+_R2R1uoR1R2uo = (1 +)ui Rui+1RP电压并联负反馈输入电阻高。共模电压：ui没有虚地概念。(4-17)D(3) 差动放大器u+= u-uo - u+R2= u+ - ui1R2R1+_uuoi1u- uuR1= i 2+R1解出： +R2ui2+R1R2Ruo=- ui1 ) 2R1(ui 2(4

6、-18)D(4) 电压跟随器R2uo= u-= u+= ui+_uoui+(4-19)D此电路是电压并联负反馈，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。R2+_ui1ui2uoR1+R1R2(4-20)D差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（2R1）, 这是由于反相输入造成的。以上电路的比较归纳：1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。(4-21)(5) 反相求和运算：u+= u-i11 + i12= 0R2R11

7、iFui1= iFi11R12+_uui2oi12+= -( R2R2u+uu)RP0i1i 2RR1112(4-22)D(6) 同相求和运算：R1RF此电路如果以u+为输入 ，则输出为：+R21RF+uu= (1 +u0)u+i1uR1R22o_i2？R22R21u+ =ui1 +ui 2R21 + R22R21 + R22(4-23)u+ui1、ui2所以：u+ = (1 + RF )(R12R11ui1 +ui 2)R11 + R12R11 + R12R1请特别注意，同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响， 不能单独调整。(4-24)(7) 微分运算：iFu = u= 0R-+=

8、- uoi1Ci- u iFRduuo+= C i i1i1R2dt= iFu= -RC duiodt(4-25)若输入：则：= sin wt= -RCcos wt= RCsin( wt - 90o )uiuouit0uot0(4-26)(8) 积分运算：iF= uii= -C duoCi1FRdti1R+-+ 1uo = - uidtu iuoRCR2ui应用举例：1、输入方波，输出是三角波。tuot0(4-27)02、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。1uiUtUdtu= -oRC01t- U= -UT0uoomMRC积分时限TM= RCUomT

9、MUt0-Uom(4-28)如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。(4-29)（9）三运放电路uu+i1o1+AR2RR1auo-+ARWbRR1R2-+A+ui2uo2(4-30)ua= ui1ub= ui 2ui1uo1+- uu- uu+A= o1o2 2R + RW ab RWRau- u= i1i 2RWRWb- uo1=uo 2R_+2R + RW+ Aui2u- u(u)o2i 2i1RW(4-31)uo1R2R1uo+A+R1R2uo2= R2- uu(u)oo2o1R1(4-32)R2 2R + RW- u=- uu(u)o 2o1i 2i1RR1

10、W三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。(4-33)4.4 有源滤波器滤波电路的种类:按信号性质:按所用元件:模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器(4-34)低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按电路功能:Ui (jw)Uo (jw)传递函数：T(jw) = Uo (jw) = Uof- fUi (jw)oiUiT(jw) = Uo幅频特性相频特性Uiq(w) = fo - fi(4-35)filter按频率特性进行分类：UoUoUiUiwwUoUoUiUiww(4-36)带通带阻高通低通一阶低通滤波器RUoUi1Uo= jw= 1= 1=

11、1w1w1 + jwRC0RCR +jwUi1 + j w0(4-37)C11T(jw) =T( jw) =1 + j w1 + ( w )2w0w0Uo此电路的缺点：Ui11、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。截止频率处：0.707w0w0U1= 0 Ui截止频率2(4-38)将两级一阶低通滤波器串接？T(jw) = T1 (jw)T2 (jw)RRCCT(jw) T (jw)T (jw)=各级互相影响！12(4-39)4.4.1 一阶有源低通滤波器U-RFR1 Uo=R1 + RF1R1Uo-+1 jwCU+= Ui1 + jwC+= 1 UiUiR +jwC= U-

12、RCU+(4-40)Uo= (1 + RF )1 R1 + jwC Ui1Uo= (1 + RF )1Ui1 + jwCR1Uo= (1 + RF) 11幅频特性：(w0=)RC1 + ( w )2UiR1w0w相频特性： j = - arg w0Uo= (1 + RF1、w = 0时：有放大作用)Ui UoR1= (1 + RF )12、w = w0时：幅频特性与一阶无源低通滤波器类似UiR123、运放输出，带负载能力强。(4-41)4.4.2 二阶有源低通滤波器RFUo= AF U+R1-+Uo+Ui - UP= UP - U+ UP - UoRPRUi1RRjwCCC1jwC1U+= 1

13、 UP= UP1 + jwRCR +jwCUoAF=11w2wa =(3 - A)w=1 - ( w)+ ja w2UiFo2RCoo(4-42)Uo1a 2w0woPwP= wo1 - 2a2(4-43)3dBwUoAF=w2wUi-+Uo1 - ( w)+ j w2+RRUiooCUoC1=w1 + ( w2Ui)oUo= 1w = w时：o2Ui(4-44)R1=时：AF=1如何组成高通滤波器？RFR1-+Uo+UiRC RC对调(4-45)4.5 集成运放的非线性应用所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路

14、有以下三种情况。(4-46)1、电路中的运放处于非线性状态。比如：运放开环应用uoeuoe加有正反馈的运放电路，运放处于非线性状态。(4-47)+A+2、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。= - RF1RF2Du 0时：uuioiR1RF1ui0时：uiR1R/ R_= - F1F2R1uouiuo+ Ae(4-48)传输特性uoui0(4-49)3、另一种情况，电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放的状态， 主要由有无负反馈决定。(4-50)处于非线性状

15、态运放的特点1、虚短路不成立。2、输入电阻仍可以认为很大。3、输出电阻仍可以认为是0。(4-51)ui4.5.1 限幅器tRFuiR1u0 uo UZR-+AteDZ-UZ(4-52)另一种形式的限幅器：DZuo+UZRFuiR1ui-0u+ Ao+UZe(4-53)传输特性4.5.2 电压比较器uouiuouiUR-Uom(4-54)+Uom0UR+过零比较器uo+UZuiuoui0-UZ(4-55)+ui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。tuoui+Uuoomt-Uom(4-56)+稳定输出电压uo+UZuu+io+ui0UZ-UZ(4-57)电压比较器的另一种形式UZR _uuoi+R

16、(4-58)总结1、电路简单。2、当Ao不够大时，输出边沿不陡。3、 容易引入干扰。(4-59)Ao不够大时的情况uituot过零附近仍处于放大区(4-60)4.5.3 迟滞比较器1、下行的迟滞比较器分析：1、因为有正反馈， 所以输出饱和。2、当uo正饱和时：RuoRui- +UR= U+ H 1Uom+R1 + R2UR3、当uo负饱和时：R1R2R1UR= -= U+LUomR1 + R2(4-61)比较电压由原来的输出决定传输特性U+H-U+L称为回差uoUom上限U+H下限U+Lui0-Uom小于回差的干扰不会引起跳转跳转后增大了U+-U- 加速跳转(4-62)输入正弦波的情况uiU+

17、HtU+LUomt-Uom(4-63)uo加上参考电压后的上下限uoRui- +URR1R2R1R2=+UUU+ HomRR+ RR+ R1212R1R2= -+UUU+LomRR+ RR+ R1212(4-64)加上参考电压后的传输曲线uoU+HU+Lui0(4-65)2、上行的迟滞比较器uoR- u=0 时翻转，+可以求出上下限。+uiR1R2= R1R2R1-= 0UUUU+Hom+HomR+ RR+ RR21212= - R1 UR2R1+= 0UUU+Lom+LomR+ RR+ RR21212(4-66)传输特性曲线uoUomU+HU+Lui0-Uom(4-67)为了稳定输出电压，可

18、以在输出端加上双向稳压管Ruoui- +UZR1R2如何计算上下限？不变！(4-68)另一种电路形式Ruoui- +UZR1R2如何计算上下限？用UZ代替Uom(4-69)另一种电路形式Ruoui- +UZR1R2如何计算上下限？上下限不同！(4-70)另一种电路形式UZuoRui- +R1R2(4-71)4.5.4 方波发生器uc+电路结构：下行的迟滞比较器，输出经积分电路再输入到此比较器的输入端。上下限：RC- +uoR1R1R2=UU+HomR+ R12R1= -UU+LomR+ R12(4-72)工作原理：uc+设 uo(a )= + UomR则：u+=U+H此时，输出给C充电!C-

19、+uoR1ucU+HR2t0(4-73)在uc U+H 时，ucU+Hu- U+H , 就有 u-t0 u+uoUomuo 立即由Uom 变成Uom !t0-Uom(4-74)(b)当uo= -Uom 时，uc+u+=U+LC 经输出端放电，ucRC- +uoRU+H1R2tU+Luc达到U+L时，uo上翻。(4-75)当uo 重新回到Uom 以后，电路又进入另一个周期性的变化：ucU+Ht0U+Luo Uomt0- Uom(4-76)uc+ucU+HRC +tuo+0U+Luo UomR1R2周期与频率的计算：T = 2RCln(1 + 2R1 )t0- UomR2T1f =T(4-77)D

20、1aucRWbcD2-+C+uoR1R2思考题： 点b是电位器RW 的中点，点a 和点c 是b的上方和下方的某点 。试定性画出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三点时的 uo uc 相对应的波形图。(4-78)4.5.4 三角波发生器ucR+CC- R+-+uo_R1R2R2矩形波经积分电路便可产生矩形波，但是此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。(4-79)反向积分电路Cuo1R01R +- + A1+A2uoR02R1R2= R1= - R1上行的迟滞比较器UUUU+Hom+LomRR22(4-80)uo1UomtCu0Uomo1R01- R- +A1u+A2uoR02R

21、1U+HR2t0U+L(4-81)o周期和频率的计算：T/ 2 UOM dt1R-= 2 1 UomuoRCR20U+HT = 4R1RCtR2U+LTR2f =4R1RC(4-82)改型电路+ECuo1R01- RRW+ A1+A2uo-ER02R1R2调整电位器RW可以使三角波上下移动(4-83)改进电路uotRRT2T1T1T2RC- R+-+uoR2R1R2(4-84)锯齿波发生器RC- R+-+uoR2R1R2uot(4-85)压频转换RCuiR +-+uoR2R1R2- R1R在u 的作用下，u 积分：U1UioZZRR22(4-86)2 R11 U= u TZi2RRC2= 2

22、R1 RC UZT2Ru2i1 R2uif =2RCR1UZ(4-87)4.6 集成运放其它应用*4.6.1电压源、电流源与电压、电流的测量1、电压源：要求输出电阻小(4-88)反向比例放大器电路组成同相比例放大器R2+_UoR1Us+RP(4-89)D反向比例放大器组成的电压源1、同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。2、反相比例放大器组成的电压源输出可以小于输入。3、同相比例放大器的输入电阻大，从信号源取得的电流小。(4-90)电路特点2、电流源：要求输出电阻大，要有电流负反馈。R2+_ILRU1s+RLRPFRF(4-91)DR2负 载 悬地！+_ILRU1s+RLRPFRFU= -

23、 R2UF UFR2= -UIUFsLSRR/ RRRR1F2FF1(4-92)DUsR2R1uo+AR1R2I= - USILLRLR1(4-93)自己推导负载接地的电流源3、电压、电流与电阻的测量：指针式万用表的缺点：（1） 不能测量微小电压；（2） Rg不是0或，因此引起误差；（3） 作交流测量时，表盘刻度是非线性的， 影响精度。(4-94)同相输入的电流源可以作为电压表+IG正比于UX_IGUx+RGFRF输入电阻大，相当于电压表的内阻是无穷。(4-95)D= UXIGR+_FIG选用：IG=100mA，Ux+RR=10W，则：GFFUX=IGRG=1mVRF(4-96)D此电路的优点

24、1、能测量较小的电压；2、输入电阻高，对被测电路影响小；3、与RG无关，表头的互换性好；4、RF小，可以做得较精密。(4-97)电压表扩大量程1mV表头100mVR310mV+_R2IG+1mVRGFR1RF(4-98)D分压电阻的计算取R1=100kR110mV= 1mVR1 + R2R1100mV= 1mVR1 + R2 + R3解出：R2=900k,R3=1M(4-99)电流表1mV表头+_IG+RG10mA100mAF1mARF-1W10W100W(4-100)DIgR=Ug=1mV电阻表+_IG+RGFRUXURsF(4-101)DU=RXUXR+ RSXXR4.6.2 精密整流电路(1).半波整流电路在普