集成运放及其基本应用教学PPT

1、 第第2章集成运放及其基本应用章集成运放及其基本应用 2.1放大的概念和放大电路的性能指标放大的概念和放大电路的性能指标 2.2集成运算放大电路集成运算放大电路 2.3理想运放组成的基本运算电路理想运放组成的基本运算电路 2.4理想运放组成的电压比较器理想运放组成的电压比较器 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标 一、放大的概念一、放大的概念 二、放大电路的性能指标二、放大电路的性能指标 一、放大的概念 u放大的对象：变化量放大的对象：变化量 u放大的本质：能量的控制与转换放大的本质：能量的控制与转换 u放大的特征：功率放大放大的特征：功率放大 u放大的基本要求：不失真放大的基本要求：不失真

2、放大的前提放大的前提 vcc 至少一路直流至少一路直流 电源供电电源供电 二、性能指标 i o u u aa uuu i o i i aa iii i o i u aui i o u i aiu 1. 放大倍数：输出量与输入量之比：输出量与输入量之比 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 信号源信号源 信号源信号源 内阻内阻 输入电压输入电压 输入电流输入电流 输出电压输出电压 输出电流输出电流 对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。 2. 输入电阻和输出电阻记住定义 负载负载rl开路，开路，us短路，短路，

3、 保留保留rs，从输出端看进，从输出端看进 去的等效电阻。去的等效电阻。 l o o l o o o o ) 1(r u u r u uu r 空载时输出空载时输出 电压有效值电压有效值 带带rl时的输出电时的输出电 压有效值压有效值 i i i i u r 输入电压与输入电压与 输入电流有输入电流有 效值之比。效值之比。 断开断开us，忽略，忽略rs，从，从输入端看输入端看 进去进去的等效电阻的等效电阻 3. 通频带 由于电容、电感及放大管由于电容、电感及放大管pn结的电容效应，使放大电路在结的电容效应，使放大电路在 信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。信号频率较低和较高时

4、电压放大倍数数值下降，并产生相移。 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 下限频率下限频率 上限频率上限频率 lhbw fff 4. 最大不失真输出电压uom： 不失真的前提下能够输出的最大电压。不失真的前提下能够输出的最大电压。 5. 最大输出功率pom和效率： pom ：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最：在输出信号不失真的情况下，负载上能够获得的最 大功率大功率 效率：放大电路中供电的直流电源能量的利用率：放大电路中供电的直流电源能量的利用率 效率等于最大输出功率效率等于最大输出功率 pom与电源消耗功率与电源消耗功率 pv之比之比 2.

5、2 集成运算放大电路 集成运算放大电路，简称集成运放，是 一个高性能的放大电路。因首先用于信号的 运算而得名。 由于它具有体积小、重量轻、价格低、 使用可靠、灵活方便、通用性强等优点，在 检测、自动控制、信号产生与信号处理等许 多方面得到了广泛应用。 两个两个 输入端输入端一个一个 输出端输出端 2.2.1 差分（动）放大电路的概念 集成运放的输入部分是差分放大电路，集成运放也可看成 高性能的差分放大电路。 差分放大差分放大 电路电路 ui1 ui2 uo 放大电放大电 路路 ui uo 差分放大电路有二个输入端和输出端。在差动放 大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的两个输入端分别输

6、入大小相等、极性相反的 信号，即信号，即ui1 = -ui2，这种输入方式称为差模输入差模输入。两 信号的差值称为差模信号差模信号，用uid表示，uid为两输入端 输入信号之差，即 uid = ui1 ui2 若两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号输入大小相等、极性相同的信号，即 ui1 = ui2，这种输入方式称为共模输入共模输入，两信号的算术平 均值称为共模信号共模信号，用uic表示。uic为。 uic = (ui1 ui2 )/2 若ui1 ui2，这种输入方式称为比较输入， ui1、ui2可分 解为一对共模信号及一对差模信号。即： 2 id ic1i u uu 2 id ic2i

7、u uu 差分放大电路只对差模信号才起放大作用只对差模信号才起放大作用，对共模信号对共模信号 起抑制作用起抑制作用，故称为差分放大电路。 差模电压增益 共模抑制比kcmr ：综合考察差分放大电路放大差模信 号的能力和抑制共模信号的能力。其值越大越好值越大越好。 od ud id u a u 共模电压增益 oc uc ic u a u ud cmr uc a k a 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种 接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输 入双端输出、单端输入单端输出。p13图 2.2.2 集成运放的符号及电压传输特性 集成运放的符号 _ + + (a)国标符号国标符号

8、运放符号运放符号 (b)习惯画法习惯画法 集成运放的电压传输特性 由于由于aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压最大输入电压(upun)的数值仅为几十一百多微伏。的数值仅为几十一百多微伏。 在线性区：在线性区： uoaod(upun) aod是开环差模放大倍数。是开环差模放大倍数。 非线非线 性区性区 非线性区：非线性区：(upun)的数值大于一定值时，的数值大于一定值时，集成运放的输集成运放的输 出不是出不是uom (该值接近于电源电压该值接近于电源电压) , 就是就是uom ，即集，即集 成运放工作在非线性区。成运放工作在非

9、线性区。 uo=f (up-un) 为了简化分析并突出主要性能，通常把集成运放看成理 想的，理想运算放大器应当满足下列条件。 (1) 开环差模电压放大倍数趋于无穷；开环差模电压放大倍数趋于无穷； (2) 输入电阻趋于无穷；输入电阻趋于无穷； (3) 输出电阻趋于零；输出电阻趋于零； (4) 共模抑制比趋于无穷；共模抑制比趋于无穷； 目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入 电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近作近 似分析时，常常对集成运放作理想化处理似分析时，常常对集成运放作理想化处理。 2.2.3 集成运放的理想化条件 2.2.4理想运放的工作区域 反馈反馈：

10、将放大电路输出信号（电压或电流）的部分或全部通过一 定的电路（反馈电路）回送到输入回路的反送过程。 引入了反馈的放大电路叫做闭环放大电路闭环放大电路（或闭环系统）， 而把未引入反馈的放大电路叫做开环放大电路开环放大电路（或开环系统）。 正反馈正反馈:反馈信号增强输入信号。 负反馈负反馈:反馈信号削弱输入信号。 判断运放工作状态方法是看电路中引入反馈的极性， 若为负反馈，则工作在线性区；若为正反馈或者没有引若为负反馈，则工作在线性区；若为正反馈或者没有引 入反馈（开环状态），则运放工作在非线性状态。入反馈（开环状态），则运放工作在非线性状态。 、线性区线性区 虚短虚断虚短虚断 1） 理想集成运放

11、两输入端间的电压为0，但又不是短 路，故常称为“虚短虚短”。 2） 理想运放的两个输入端不取电流，但又不是开路，一 般称为“虚断虚断”。 、 非线性区非线性区 跳变跳变 当 时， ；当 时， 。 其中 是集成运放的正向或反向输出电压最大值。 非线性区“虚断”仍然成立。 uu 0ii uu oom uu uu oom uu om u 记住记住 原因：原因：uo/ aod (u+u-) 原因：原因：rid 2.3. 理想运放组成的基本运算电路 运放线性区虚短虚断应用 （1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果， 如加、减、乘、

12、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。 （2）描述方法：运算关系式）描述方法：运算关系式 uof (ui) （3）分析方法：）分析方法：“虚短虚短”和和“虚断虚断”是基本出发点。是基本出发点。 （1）识别电路；）识别电路； （2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。 2、学习运算电路的基本要求 1. 研究的问题 二、比例运算电路 + _ 虚断虚断 in=ip=0， 虚短虚短 un=up=0 在在节点节点n： f io oi 00 r nn f f ii uuuu rr uu rr

13、f oi r uu r 1. 反相比例放大器 记住记住 npi nn f on 0 (1) rf o f uuu ii uuu rr r uu r 2. 同相比例放大器 f oi (1) r uu r 记住记住 p18例例 虚断虚断 in=0， 虚短虚短 un=up=ui ipno uuuu 同相比例放大器的特例：电压跟随器：电压跟随器 三、加减运算电路 3 i3 2 i2 1 1i 321f pn 0 r u r u r u iiii uu rrr )( 3 i3 2 i2 1 1i fffo r u r u r u rriu 方法一：节点电流法 1. 反相加法器 1. 反相加法器 i3 3

14、 f i2 2 f i1 1 f o3o2o1o u r r u r r u r r uuuu 方法二：利用叠加原理 首先求解首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压每个输入信号单独作用时的输出电压，然后，然后将所将所 有结果相加有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。 i3 3 f o3 i2 2 f o2 u r r u u r r u 同理可得 1i 1 f o1 u r r u 记住记住 p21 例例2.3.4 2. 同相加法器之最简单的同相加法器 2 1i1 12 f o11 f2 o1i1 12 (1) (1) r uu rr

15、r uu r rr uu rrr 1 2i1 12 f o22 f1 o2i2 12 (1) (1) r uu rr r uu r rr uu rrr 方法 利用叠加原理求解： ui2= 0，ui1作用作用时的输出电压时的输出电压 ui1= 0，ui2作用时的输出电压作用时的输出电压 12ooo uuu 记住方法记住方法 2. 同相加法器之较复杂的同相加法器 方法：利用叠加原理求解： 令令ui2= ui3=0，求，求ui1单独作用单独作用 时的输出电压时的输出电压 1i 4321 432f 1o )1 (u rrrr rrr r r u 同理可得，同理可得， ui2、 ui3单独作用时的单独作

16、用时的uo2、 uo3，形式与形式与 uo1相同，相同， uo =uo1+uo2+uo3 。 物理意义清楚，计算麻烦！物理意义清楚，计算麻烦！ 此法要求掌握此法要求掌握 书上方法勿用，有局限性。书上方法勿用，有局限性。 3. 差动减法器 叠加原理叠加原理 ui2=0时时 反向比例电路反向比例电路 输出输出uo1 ui1=0 同向比例电路同向比例电路 输出输出uo2 f o1i1 r uu r f 12i2+i1 f o () oo r uuuu r uuu rr 记住结论记住结论 fff o2i2i2 f (1) () rrr uuu rrrr 练习：练习：r13578=10k，r469=20

17、k，求，求uo1 uo2 uo表达式；表达式； 当当u1=0.3v u2=0.1v求求uo 4. 加减运算 fi1fi2 o1 12 ruru u rr +1i4 2+1i4 3/5 43/5 3/5 (1)(1) 1/21/243/5 ff o rr uu rrr rr rr uuu rrrrrrr o123ooo uuuu 设设 r1 r2 rf r3 r4 r5 叠加原理叠加原理 练习练习2.9abd +2i3 3+2i3 4/5 34/5 4/5 (1)(1) 1/21/234/5 ff o rr uu rrr rr rr uuu rrrrrrr ui1=ui2=ui4=0 ui3作用

18、输出作用输出uo3 ui1=ui2=ui3=0 ui4作用输出作用输出uo2 ui3=ui4=0 ui1 ui2作用输出作用输出uo1 反向求和反向求和 练习笔记练习笔记2.9，2.12，及此题，及此题三种题型单独、叠加、虚短虚断做三种题型单独、叠加、虚短虚断做 四、积分运算电路和微分运算电路 r u ii rc i )(d 1 1o io 2 1 tutu rc u t t tu rc ud 1 io )()( 1 1o12io21i tuttu rc uttu为常量，则在若 i oc 11 dd c u uui tt ccr 1. 积分运算电路 记住记住 应用举例：应用举例：输入方波，输出

19、是三角波。输入方波，输出是三角波。 t ui 0 t uo 0 tu rc ud 1 io 练习练习: : 画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。 t ui 0 2 12345 t uo 0 -2 -4 -6 tu rc ud 1 io 移相移相 利用积分运算的基本关系实现不同的功能 1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？ 2) 输入为方波时的输出电压波形？输入为方波时的输出电压波形？ 3) 输入为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？ 线性积分，延时线性积分，延时波形变换波形变换 2例例p25 练习

20、练习 2.13bd 2.12 2. 微分运算电路 t u rcriu t u cii r cr d d d d i o i 虚地虚地 记住记住 p27例例 微分电路可把输入微分电路可把输入 方波转化为尖顶波方波转化为尖顶波 （尖脉冲）输出（尖脉冲）输出 典型应用典型应用 do uu r u ii i d tdtd /u s /u sd e)1(e uu iii s d td ln i i uu di tt ss lnln iu uu iri u u d + a + i d r i 1 i o r 利用虚短和虚断利用虚短和虚断 tis llnn t uriuu 五、对数运算电路和指数运算电路（

21、8.1节） 1. 二极管结构对数运算 对数关系对数关系 常数常数 了解了解 2.三极管结构对数运算 beo uu 利用虚短和虚断，有利用虚短和虚断，有 i cr u ii r bebe tt cess (e1)e uu uu iiii i t tit ln lnln s s u u i r uuui r s c tbe ln i i uu s c tln i i u 对数关系对数关系 常数常数 集成对数运算电路 t be1 e s 3 i i1c u u i r u ii 3s i tbe1 ln ri u uu s tbe2 ln i i uu r 同理， 3 i tbe1be2p2n2 l

22、n ri u uuuuu r 3 i t 5 2 n2 5 2 o ln)1 ()1 ( ri u u r r u r r u r qktu t bei uu t i e so u u r ririu 2. 指数运算电路 t i e se u u r iii 3. 乘法、除法运算电路 了解了解 2.3节运放线性区应用节运放线性区应用记住图形结论记住图形结论：反相比例、同相比例、反相加法、同相加法、：反相比例、同相比例、反相加法、同相加法、 差动减法、积分、微分。差动减法、积分、微分。掌握掌握：虚短虚断、叠加原理：虚短虚断、叠加原理 f oi r uu r f oi (1) r uu r )(

23、3 i3 2 i2 1 1i fffo r u r u r u rriu f2 o1i1 12 f1 o2i2 12 (1) (1) rr uu rrr rr uu rrr f o12i2i1 () oo r uuuuu r )(d 1 1o io 2 1 tutu rc u t t i o d d u urc t 作业：作业：2.11b 另补下图写出各输出端表达式另补下图写出各输出端表达式 2.4 电压比较器运放非线性区跳变应用 2.4.1 概述 1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。：比较电压的大小。 输入电压是模拟信号；输入电压是模拟信号；输出电压输出电压表示比较的结果，表示比较的结果

24、， 只有只有高电平和低电平高电平和低电平两种情况，为二值信号。两种情况，为二值信号。 2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uof(ui) 电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平输出高电平uoh和和输出低电平输出低电平uol （2）阈值电压）阈值电压ut:使输出使输出产生跃变的输入产生跃变的输入电压电压ui称称 为为 阈值电压阈值电压。 （3）输入电压过阈值电压时）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向输出电压跃变的方向 3. 几种常用的电压比较器 （1）单限比较器：只有）单限比较器：只有一个一个阈值电压阈值电压ut （3）窗口比较器：）窗口比较器

25、： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。 （2）滞回比较器：具有滞）滞回比较器：具有滞回特性，有回特性，有两个两个阈值电压阈值电压ut1ut2 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压 单调变化使输出电压只跃变一次。单调变化使输出电压只跃变一次。 t2t1 uuu 回差电压：回差电压： 2.4.2 单限比较器 电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈(起加速作用起加速作用) 理想运放工作在理想运放工作在非线性区的特点非线性区的特点： 1)