集成运算放大电路

1、1 集成运算放大电路集成运算放大电路 1 集成运算放大器集成运算放大器 1.1 集成运算放大器的组成框图集成运算放大器的组成框图 1.2 理想集成运算放大器理想集成运算放大器 1.3 集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性 2 基本运算电路基本运算电路 2.1 反相输入式比例运算放大电路反相输入式比例运算放大电路 2.2 同相输入式放大电路同相输入式放大电路 2.3 加法、减法运算加法、减法运算 2.4 积分、微分运算积分、微分运算 3 电压比较器电压比较器 4 集成运算放大器在应用中的实际问题集成运算放大器在应用中的实际问题 2 1 集成运算放大器集成运算放大器 1.1 集

2、成运算放大器的组成框图集成运算放大器的组成框图 集成运算放大器内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器，其内部组成集成运算放大器内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器，其内部组成 原理框图如图原理框图如图3.1所示，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等所示，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等4部分组成。部分组成。 图3.1 集成运算放大器内部组成原理框图 （1）输入级。要求其输入电阻高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信）输入级。要求其输入电阻高。为了能减小零点漂移和抑制共模干扰信 号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路，也称为差动输入级。号，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路，也称为

3、差动输入级。 （2）中间级。要求中间级本身具有较高的电压增益。）中间级。要求中间级本身具有较高的电压增益。 （3）输出级。主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要）输出级。主要作用是输出足够的电流以满足负载的需要，同时还需要 有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。有较低的输出电阻和较高的输入电阻，以起到将放大级和负载隔离的作用。 （4）偏置电路。为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。）偏置电路。为各级提供合适的工作电流，一般由各种恒流源电路组成。 3 2集成运算放大器的符号集成运算放大器的符号 图3.2 集成运算放大器的符号 限定符号读解：

4、限定符号读解： 表示放大（驱动）能力，表示放大（驱动）能力， 表示放大倍数为表示放大倍数为。 “”表示同相输入端；表示同相输入端；“”表示反相输入端。若反相输入端接地，表示反相输入端。若反相输入端接地， 信号由同相输入端输入，则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入信号由同相输入端输入，则输出信号和输入信号的相位相同；若将同相输入 端接地，信号从反相输入端输入，则输出信号和输入信号相位相反。集成运端接地，信号从反相输入端输入，则输出信号和输入信号相位相反。集成运 放的引脚除输入、输出端外，还有正、负电源端，有的集成运算放大器有调放的引脚除输入、输出端外，还有正、负电源端，有的集成运算放大器

5、有调 零端，如零端，如A741等。等。 4 1.2 理想集成运算放大器理想集成运算放大器 满足下列条件的运算放大器称为理想集成运算放大器。满足下列条件的运算放大器称为理想集成运算放大器。 （1）开环差模电压放大倍数）开环差模电压放大倍数Aud ； （2）差模输入电阻）差模输入电阻 Rid； （3）输出电阻）输出电阻 RO0； （4）共模抑制比）共模抑制比； （5）输入偏置电流）输入偏置电流0； （6）失调电压、失调电流及温漂为）失调电压、失调电流及温漂为0。 利用理想集成运算放大器分析电路时，由于集成运算放大器接近利用理想集成运算放大器分析电路时，由于集成运算放大器接近 于理想运算放大器，所以

6、造成的误差很小，本章若无特别说明，集成于理想运算放大器，所以造成的误差很小，本章若无特别说明，集成 运算放大器均按理想运算放大器对待。运算放大器均按理想运算放大器对待。 5 1.3 集成运算放大器的电压传输特性集成运算放大器的电压传输特性 1电压传输特性电压传输特性 实际电路中集成运算放大器的传输特性如图实际电路中集成运算放大器的传输特性如图3.3所示。图中曲线上升部分的所示。图中曲线上升部分的 斜率为开环电压放大倍数斜率为开环电压放大倍数Aud，以，以A741为例，其开环电压放大倍数为例，其开环电压放大倍数Aud可达可达105， 最大输出电压受到电源电压的限制，不超过最大输出电压受到电源电压

7、的限制，不超过18V，此时，输入端的电压，此时，输入端的电压uid =uod/Aud，不超过，不超过0.18mV。也就是说，当。也就是说，当 在在 00.18mV之间时之间时 ，uod与与 uid呈线性放大关系，称为线性工作区。呈线性放大关系，称为线性工作区。若若 超过超过0.18mV，则集成运算放大器内，则集成运算放大器内 部的输出级晶体管进入饱和区工作，输出电压部的输出级晶体管进入饱和区工作，输出电压uod的值近似等于电源电压，的值近似等于电源电压，与与uid不再呈不再呈 线性关系，故称为非线性工作区。线性关系，故称为非线性工作区。 id u id u 图3.3集成运算放大器的电压传输特性

8、曲线 6 2集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用 集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成集成运算放大器工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。当集成 运算放大器工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运算放运算放大器工作在线性区时，输出电压在有限值之间变化，而集成运算放 大器的大器的Aud，则，则uiduod / Aud0，由由 uid u+u ，得 ，得u+u ，此式 ，此式 说明，同相端和反相端电压几乎相等，称为虚假短路，简称说明，同相端和反相端电压几乎相等，称为虚假短路，简称“虚短虚短”。由。由 集成运算放大器的输入电阻集成运算放大器的输入电阻

9、rid，得，得i+i-0。此式说明，流入集成运算。此式说明，流入集成运算 放大器同相端和反相端的电流几乎为放大器同相端和反相端的电流几乎为0，称为虚假断路，简称，称为虚假断路，简称“虚断虚断”。 3集成运算放大器的非线性应用集成运算放大器的非线性应用 当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运算放大器当集成运算放大器工作在开环状态或外接正反馈时，由于集成运算放大器 的的Aud很大，只要有微小的电压信号输入，集成运算放大器就一定工作在非线很大，只要有微小的电压信号输入，集成运算放大器就一定工作在非线 性区。其特点是：输出电压只有两种状态，不是正饱和电压性区。其特点是：输出电压只有两

10、种状态，不是正饱和电压Uom，就是负饱，就是负饱 和电压和电压Uom。 （1）当同相端电压大于反相端电压，即）当同相端电压大于反相端电压，即u u 时， 时，uoUom。 （2）当反相端电压大于同相端电压，即）当反相端电压大于同相端电压，即u u 时， 时，uoUom。 7 2 基本运算电路基本运算电路 2.1 反相输入式比例运算放大电路反相输入式比例运算放大电路 1. 虚地虚地”的概念的概念 U+ U ， ，Ii+ Ii 0,即流过 即流过R2的电流为的电流为0。U+ 0，则，则U+ U 0说明反相端虽然没有直接 说明反相端虽然没有直接 接地，但其电位为地电位，相当于接地，是接地，但其电位为

11、地电位，相当于接地，是 “虚假接地虚假接地”，简称，简称“虚地虚地”。 图3.4 反相输入式放大电路 2电压放大倍数电压放大倍数 在图3.4中，If f o R UU f o R U Ii 1 i R UU 1 i R U 由于由于I Ii0，因此，因此IfIi，即，即 1 i R U f o R U Auf i o U U 1 f R R Auf 1 f R R 为比例系数为比例系数 。 8 RfR1时，时，Auf1，即输出电压和输入电压的大小相等，相，即输出电压和输入电压的大小相等，相 位相反，此电路称为反相器。位相反，此电路称为反相器。 同相输入端电阻同相输入端电阻R2用于保持运算放大器

12、的静态平衡，要求用于保持运算放大器的静态平衡，要求R2R1Rf ， 故故R2称为平衡电阻。称为平衡电阻。 3输入电阻、输出电阻输入电阻、输出电阻 由于反相输入式放大电路采用的是并联负反馈，所以从输入端看进由于反相输入式放大电路采用的是并联负反馈，所以从输入端看进 去的电阻很小，近似等于去的电阻很小，近似等于R1。由于该放大电路采用电压负反馈，所以其。由于该放大电路采用电压负反馈，所以其 输出电阻很小，输出电阻很小，RO0。 9 2.2 同相输入式放大电路同相输入式放大电路 图3.5同相输入式放大电路 Rf为反馈电阻，为反馈电阻，R2为平衡电阻为平衡电阻(R2R1Rf)。 1虚短的概念虚短的概念

13、 同相输入式放大电路，同相输入式放大电路，U 和 和U 相等，相当 相等，相当 于短路，称为于短路，称为“虚短虚短”。由于。由于U Ui，U Uf， 则则U U UiUf。又由于。又由于U U 0，所以， ，所以， 在运算放大器的两端引入了共模电压，其大小在运算放大器的两端引入了共模电压，其大小 接近于接近于Ui。 2电压放大倍数电压放大倍数 R1和和Rf组成分压器，反馈电压：组成分压器，反馈电压： UfUo 1f 1 RR R 由于由于UiUf，因此因此 UiUo 1f 1 RR R 得到得到 Uo 1 1f R RR Ui 1 f 1 R R Ui 由上式可得电压放大倍数（比例系数）由上式

14、可得电压放大倍数（比例系数） Auf i o U U 1 1 f R R 10 在图在图3.5中，如果把中，如果把Rf短路短路(Rf0)，把，把R1断开（断开（R1），则），则Auf1， 即输入信号即输入信号Ui和输出信号和输出信号Uo大小相等、相位相同。我们把这种电路称为电大小相等、相位相同。我们把这种电路称为电 压跟随器，如图压跟随器，如图3.6所示。由集成运算放大器组成的电压跟随器比由射极输所示。由集成运算放大器组成的电压跟随器比由射极输 出器组成的电压跟随器性能好，其输入电阻更高，输出电阻更小，性能更出器组成的电压跟随器性能好，其输入电阻更高，输出电阻更小，性能更 稳定。稳定。 图3.

15、6 电压跟随器 同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比同相输入式放大电路中输出电压与输入电压的相位相同，大小成比 例关系，比例系数等于例关系，比例系数等于(1Rf /R1)，此值与运算放大器本身的参数无关。，此值与运算放大器本身的参数无关。 3输入电阻，输出电阻输入电阻，输出电阻 由于采用了深度电压串联负反馈，该电路具有由于采用了深度电压串联负反馈，该电路具有 很高的输入电阻和很低的输出电阻很高的输入电阻和很低的输出电阻(Rif，Ro0)， 这是同相输入式放大电路的重要特点。这是同相输入式放大电路的重要特点。 11 2.3 加法、减法运算加法、减法运算 1. 加法运算加法运

16、算 同相输入端的平衡电阻同相输入端的平衡电阻 f321 /RRRR R4 图3.7 反相加法器 根据叠加原理可得到：根据叠加原理可得到： Uo i3 3 f i2 2 f i1 1 f U R R U R R U R R 当R1R2R3R时，Uo R Rf (Ui1Ui2Ui3) 当当RfR时，时，Uo(Ui1Ui2Ui3) 上式中比例系数为上式中比例系数为1，实现了加法运算。，实现了加法运算。 12 2. 差动输入与减法运算差动输入与减法运算 两个输入端都有信号输入，称为差动输入。两个输入端都有信号输入，称为差动输入。 电压放大倍数：电压放大倍数： 图3-9差动减法运算电路 112 R R

17、u u uu u A F id o ii o uf 当RF = R1，则得 uo= ui2 ui1 13 2.4 积分、微分运算积分、微分运算 1积分运算积分运算 图3.10 积分运算电路 在反相输入式放大电路中，将反馈电阻在反相输入式放大电路中，将反馈电阻Rf换成电容换成电容C，就成了积分，就成了积分 运算电路。运算电路。 UC tI C d 1 C UoUC I1IfIC 1 i R U Uo tU CR d 1 i 1 14 2微分运算微分运算 微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻、电容互换微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻、电容互换 位置就可以实现微分运算

18、，如图位置就可以实现微分运算，如图3.11所示。所示。 图3.11 微分运算电路 由于由于U+0，Ii0，则，则 ICIf ， IfIC t U C d d C UoIfRfICRf Rf i d d U C t i d d U C t 由此可以看出，输入信号由此可以看出，输入信号Ui与输出信号与输出信号Uo 有微分关系，即实现了微分运算。负号表示输有微分关系，即实现了微分运算。负号表示输 出信号与输入信号反相，出信号与输入信号反相，RfC为微分时间常数，为微分时间常数， 其值越大，微分作用越强。其值越大，微分作用越强。 15 3 电压比较器电压比较器 如图如图3.12（a）所示电路为简单的单

19、限电压比较器。图中反相输入端接）所示电路为简单的单限电压比较器。图中反相输入端接 输入信号输入信号Ui，同相输入端接基准电压，同相输入端接基准电压UR。集成运算放大器处于开环工作状态，。集成运算放大器处于开环工作状态， 当当UiUR时，输出为高电位时，输出为高电位Uom，当，当UiUR时，输出为低电位时，输出为低电位Uom，其，其 传输特性如图传输特性如图3.12（b）所示。）所示。 由图可见，只要输入电压相对于基准电压由图可见，只要输入电压相对于基准电压UR发生微小的正负变化时，发生微小的正负变化时， 输出电压输出电压Uo就在负的最大值到正的最大值之间作相应的变化。就在负的最大值到正的最大值

20、之间作相应的变化。 图3.12 简单的电压比较器 16 比较器也可以用于波形变换。例如，比较器的输入电压比较器也可以用于波形变换。例如，比较器的输入电压Ui是正弦波信号，是正弦波信号， 若若UR0，则每过，则每过0一次，输出状态就要翻转一次，如图一次，输出状态就要翻转一次，如图3.13（a）所示。对）所示。对 于如图于如图3.13所示的简单的电压比较器，若所示的简单的电压比较器，若UR0，当，当Ui在正半周时，由于在正半周时，由于Ui 0，则，则UoUom，负半周时，负半周时Ui0，则，则UoUom。若。若UR为一恒压为一恒压U，只要输入，只要输入 电压在基准电压电压在基准电压UR处稍有正负变

21、化，输出电压处稍有正负变化，输出电压Uo就在负的最大值到正的最大就在负的最大值到正的最大 值之间作相应的变化，如图值之间作相应的变化，如图3.13（b）所示。）所示。 图3.13 正弦波变换方波 17 4 集成运算放大器在应用中的实际问题集成运算放大器在应用中的实际问题 1调零调零 实际运算放大器的失调电压、失调电流都不为零，因此，当输入信号实际运算放大器的失调电压、失调电流都不为零，因此，当输入信号 为零时，输出信号不为零。有些运算放大器没有调零端子，需接上调零为零时，输出信号不为零。有些运算放大器没有调零端子，需接上调零 电位器电位器RP进行调零，如图进行调零，如图3.14所示。所示。 图3.14 辅助调零措施 18 2. 消除自激消除自激 集成运算放大器内部