电子技术(集成运放)

1、2021年12月16日星期四第第3章章 集成运算放大器集成运算放大器及应用及应用第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用内内 容容 提提 要要 本章首先介绍了集成运算放大器的结构、本章首先介绍了集成运算放大器的结构、 特性和主要参数，然后讨论运放的线性应特性和主要参数，然后讨论运放的线性应 用和非线性应用，用和非线性应用， 最后介绍了集成运放的最后介绍了集成运放的 使用常识。使用常识。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用3.1 集成运放放大器集成运放放大器3.2 集成运放的线性应用集成运放的线性应用3.3 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用3.4 集成

2、运放的使用常识集成运放的使用常识第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用3.1 3.1 集成运算放大器集成运算放大器 由三极管为核心元件的交流放大电路是由三极管为核心元件的交流放大电路是由单个由单个 的的分立元件分立元件构成，它们是电子技术的构成，它们是电子技术的基础。基础。 电子电子科技一直在进步，目前在实际应用科技一直在进步，目前在实际应用中较少中较少 直接直接使用结构如此简单的放大器，而主要使用使用结构如此简单的放大器，而主要使用的是的是 集成电路集成电路，其中使用最多的是，其中使用最多的是集成集成运算放大器运算放大器， 简称简称集成运放集成运放或或运运放放。第第3 3章

3、章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用v 集成运算放大器集成运算放大器是采用是采用集成电路集成电路工艺制成工艺制成的高增益放大器。的高增益放大器。v 它的应用已超出早期的数学运算范畴，能它的应用已超出早期的数学运算范畴，能够实现各种不同功能的线性和非线性应用。够实现各种不同功能的线性和非线性应用。v 运放的内部电路相当复杂，但作为使用者，运放的内部电路相当复杂，但作为使用者，只需要关注它的外部特性。只需要关注它的外部特性。v 目前运放已经像晶体管一样成为一种通用目前运放已经像晶体管一样成为一种通用性极强的基本单元器件。性极强的基本单元器件。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放

4、大器及应用 1958年美国年美国TI公司成功公司成功地制造了世界上第地制造了世界上第一块集成电路。一块集成电路。40余年来，集成电路的制造技余年来，集成电路的制造技术飞速发展。集成电路的发明是电子技术发展术飞速发展。集成电路的发明是电子技术发展史上的一个重要里程碑。史上的一个重要里程碑。第一个集成电路及其发明者第一个集成电路及其发明者（ Jack Kilby from TI ） 1958年年9月月12日，基尔比在德州仪日，基尔比在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，年以后， 2000年

5、获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础为现代信息技术奠定了基础”。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用v 前面前面讲述的放大电路均是由彼此相互分开的讲述的放大电路均是由彼此相互分开的三极管、三极管、 二极管二极管、电阻、电容等元件，借助导线或、电阻、电容等元件，借助导线或印刷电路连印刷电路连 接接成的一个完整的电路系统，称之为成的一个完整的电路系统，称之为分立元件分立元件电路电路。v 利用利用半导体三极管常用的半导体三极管常用的硅平面工艺技术硅平面工艺技术，把，把组成电路组成电路 的的电阻、电容、二极管、三极管及连接导线同时电阻、电容、二极管、

6、三极管及连接导线同时制造在制造在 一一小块硅片上，便成为小块硅片上，便成为一块集成电路，其一块集成电路，其对外部对外部完成某完成某 一一电路的电路的功能。功能。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 集成电路是采用半导体制造工艺将元器件集成电路是采用半导体制造工艺将元器件和电路融为一体的固态组件，因此，集成和电路融为一体的固态组件，因此，集成电路又称为固体电路。电路又称为固体电路。 它与分立元件电路相比具有体积小、重量它与分立元件电路相比具有体积小、重量轻、外部焊点少、安装方便、工作可靠等轻、外部焊点少、安装方便、工作可靠等优点。优点。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成

7、运算放大器及应用 1. 集成电路的特点集成电路的特点 （1）集成电路采用差动式直接耦合电路。）集成电路采用差动式直接耦合电路。 （2）集成电路不用电感，少用电容和高阻值电阻。）集成电路不用电感，少用电容和高阻值电阻。 （3）大量使用三极管作为有源单元。）大量使用三极管作为有源单元。 三极管占据单元面积小且成本低廉，所以三极管占据单元面积小且成本低廉，所以 在集成电路内部用量最多。在集成电路内部用量最多。 三极管三极管单元除用作放大以外，还大量用作恒流源单元除用作放大以外，还大量用作恒流源或作为或作为 二极管二极管、稳压、稳压管使用。管使用。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应

8、用第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 （2）按所用器件分类按所用器件分类。 双极型集成电路：用双极型集成电路：用NPN管或管或PNP管组成。管组成。 单极型集成电路：用单极型器件（单极型集成电路：用单极型器件（MOS管）组成，管）组成，它又可分为三种：它又可分为三种： 用用N沟道沟道MOS管组成的，称为管组成的，称为NMOS型；型； 用用P沟道沟道MOS管组成的，称为管组成的，称为PMOS型；型； 同时采用同时采用P沟道、沟道、N沟道互补的，称为沟道互补的，称为CMOS型。型。 用双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。用双极型器件和单极型器件兼容组成的集成器件。 此外

9、，还有线性集成电路、数字集成电路等等。此外，还有线性集成电路、数字集成电路等等。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 3.1.2 集成运算放大器的外形和符号集成运算放大器的外形和符号 集成运算放大器是一个多端元件，主要采集成运算放大器是一个多端元件，主要采用圆壳式和用圆壳式和 双列直插式两种封装外形。双列直插式两种封装外形。集成电路的外形封装（a）双列直插封装 （b）单列直插封装 （c）表面安装器件第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用v 集成集成运算放大器是模拟集成电路中品种运算放大器是模拟集成电路中品种最多、最多、 应用应用最广泛的一类最广泛的一类组件

10、，组件，v 集成集成运放实际上是一种运放实际上是一种高电压放大倍数高电压放大倍数的多级的多级 直接直接耦合放大耦合放大电路。电路。v 最初最初是用于数的计算，所以称为是用于数的计算，所以称为运算放大器运算放大器。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用v 集成集成运放在发展初期主要用来实现模拟运放在发展初期主要用来实现模拟运算功运算功 能能，但后来发展成为像三极管一样的通用，但后来发展成为像三极管一样的通用器件，器件， 被被称为称为“万能放大器件万能放大器件”。v 具有差动输入级的集成运放的主要特点具有差动输入级的集成运放的主要特点v 表现为开环增益非常高（高达表现为开环增益非

11、常高（高达1 1万倍至百万倍）、万倍至百万倍）、 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等，并且体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等，并且 在使用上具有很大的通用性。在使用上具有很大的通用性。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用集成运放集成运放：是一种是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出高放大倍数、高输入电阻、低输出 电阻电阻的直接耦合放大电路的直接耦合放大电路电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路 输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗输出阻抗 ro小。小。中间级应有足够大的电压放

12、大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移, 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用图3.1 运算放大器的外形（a）金属圆壳封装；（b）塑料双列直插式封装第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 画电路图时集成运放的电路符号如图画电路图时集成运放的电路符号如图3.2所示。所示。 图（图（a）是国家新标准规定的符号；是国家新标准规定的符号； 图（图（b）是旧符号。是旧符号。 通常只画出输入和输出端，其余各端可不画出通常只画出输入和输出端，其余各端可不画出反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端

13、输出端第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 运算放大器的特点包括：运算放大器的特点包括：输入电阻非常高输入电阻非常高（10k 1000M ），），输出电阻很小输出电阻很小（50500 ），），电压放大倍数电压放大倍数很大很大（104106），零点漂移很小，能放大交流信号，也），零点漂移很小，能放大交流信号，也能放大直流信号等。能放大直流信号等。 根据运放的这些特点，可将根据运放的这些特点，可将实际运放理想化实际运放理想化： 电压增益电压增益Au ； 输入电阻输入电阻Ri ； 输出电阻输出电阻Ro0。 此外，可认为其通频带为无限宽，没有失调现象，即：此外，可认为其通频带为无限

14、宽，没有失调现象，即： 当输入电压为零时，输出电压也为零当输入电压为零时，输出电压也为零。3.1.3 3.1.3 理想运算放大器理想运算放大器第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用图3.3 理想运放符号 理想运放的符理想运放的符号如图号如图3.3所示，所示，表示信号传输方向表示信号传输方向，表示理想条件表示理想条件。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 运放的工作区分为运放的工作区分为线性区线性区和和非线性区非线性区（饱和区）。（饱和区）。 1. 集成运放工作在线性区的特点集成运放工作在线性区的特点 运放线性应用的必要条件是： 集成运放必须引入深度负反馈集

15、成运放必须引入深度负反馈。 集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为 电压传输特性电压传输特性。)(ioufu)(uuAuuoo3.1.4 3.1.4 集成运放的特点集成运放的特点第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou线性区很窄线性区很窄, ,所以运放在所以运放在线性区工作线性区工作, ,通常引入通常引入深深度电压负反度电压负反馈馈斜率斜率=Au=Au第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用负反馈的概念负反馈的概念凡是将放大电路输

16、出端的信号（电压或电流）凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为就称为反馈反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈负反馈。若引回的信号增强了输入信号若引回的信号增强了输入信号，就称为，就称为正反馈正反馈。这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，系，同相是正反馈同相是正反馈，反相是负反馈反相是负反馈。第第3 3章章 集成运算放大器及应

17、用集成运算放大器及应用基本放大基本放大电路电路AodX oX 反馈回电路反馈回电路FfX iX +反馈电路的三个环节：反馈电路的三个环节：放大：放大：dooXXA 反馈：反馈：ofXXF 迭加：迭加：fidXXX 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 （1）虚短虚短。 在线性区，输出电压与输入电压成简单的线性关在线性区，输出电压与输入电压成简单的线性关系，系， 即即： uo = Ao ( u+ - u- ) 因为理想运放的因为理想运放的Ao，而，而uo为有限值（绝对值为有限值（绝对值小于电源电压值），所以小于电源电压值），所以 即：即： u+ = u 于是于是反相端与同相端

18、之间可视为短路反相端与同相端之间可视为短路。 但事实上但事实上Ao不可能无限大，两输入端又不可能不可能无限大，两输入端又不可能 短接，所以不是真正短路，而是短接，所以不是真正短路，而是“虚假短路虚假短路”，简称简称 虚短虚短。0ooAuuu第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 （2）虚断虚断。 由于理想运放的由于理想运放的Ri ，故认为反相输入端与同相输入故认为反相输入端与同相输入 端的输入电流均趋于零，即有端的输入电流均趋于零，即有 实际上实际上Ri不可能无限大，不可能无限大，u+ 和和u也不可能完全相等，也不可能完全相等， i+ 与与i只能是近似为零，称为只能是近似为零

19、，称为“虚假断路虚假断路”，简称，简称虚断虚断。 虚短虚短和和虚断虚断是两个十分重要的结论，运用这两个结是两个十分重要的结论，运用这两个结 论，将大大简化运放电路的分析。论，将大大简化运放电路的分析。 0ii第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用0-Uom+Uomuoui电压传输特性电压传输特性线性区非线性区非线性区+Uom-Uomuo与与ui是线性关系，即是线性关系，即ouoiuo+-()uA uAuu为有限值ou+-0uu+-uu即“虚短虚短”idr+-0ii“虚断虚断”uo只有两种可能，即只有两种可能，即+Uom和和-Uom“虚短虚短”不成不成立立“虚断虚断”仍成仍成立

20、立第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 2. 集成运放工作在集成运放工作在非线性区非线性区的特点的特点 运放非线性应用的必要条件是：运放非线性应用的必要条件是： 集成运放处于开环状态或引入正反馈集成运放处于开环状态或引入正反馈。 （1）输出电压输出电压为为正向正向或或负向饱和电压负向饱和电压。 在非线性区，只要运放输入很小的电压变化量，在非线性区，只要运放输入很小的电压变化量， 输出电压就只有两种可能：输出电压就只有两种可能： 正最大输出电压正最大输出电压+Uom或或负最大输出电压负最大输出电压-Uom 。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用+UOm-

21、UOm线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 这两个电压的绝对值可能不相等，可通过在这两个电压的绝对值可能不相等，可通过在 输出端加双向稳压管来获得等值反向的输出输出端加双向稳压管来获得等值反向的输出 电压。电压。 即有即有: 当当u+ u- 时，时，uo = + Uom 当当u+ u- 时，时，uo = - Uom （2）运放的输入电流等于零。运放的输入电流等于零。 由于运放的输入电阻由于运放的输入电阻R Ri i ，因此两个输入端因此两个输入端 的输入电流仍然为零。的输入电流仍然为零。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算

22、放大器及应用线性应用：线性应用：电路引入了电路引入了负反馈，负反馈，非线性应用：非线性应用：电路电路开环开环或引入了或引入了正反馈，正反馈，集成运放工作在集成运放工作在线性区。线性区。集成运放工作在集成运放工作在非线性区。非线性区。（1）判断集成运放的工作区域。判断集成运放的工作区域。（2）根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路根据理想运放不同工作区的相应特点，进一步对电路 进行分析。进行分析。分析集成运放应用电路的基本步骤是：分析集成运放应用电路的基本步骤是：第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 例例3.1 已知运算放大器的正、负电源电压为已知运算放大器的正、负电

23、源电压为15V， 电压放大倍数电压放大倍数Au=2105，输出最大电压（即，输出最大电压（即Uom） 为为13V，在图，在图3.4所示中分别加下列输入电压，求输出所示中分别加下列输入电压，求输出 电压及其极性。电压及其极性。 （1）u+=15V，u- = -10V； （2）u+= -5V，u- = +10V； （3）u+=0V，u- = +5mV； （4）u+=5mV，u- = 0V。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 解解：由式（：由式（3-1）：）： 可见，只要两个输入端之间的电压绝对值可见，只要两个输入端之间的电压绝对值| |u u+ +- -u u | | 超过超

24、过65V65V，输出电压就达到正或负的饱和值。，输出电压就达到正或负的饱和值。（1）因因|u+-u |=|15+10|=25V， 所以所以uo = Au (u+-u ) = 21052510-6= +5V（2）因因|u+-u |=|-5-10|= |-15|=15V， 所以所以uo = Au (u+-u ) = 2105（-1510-6）=-3V（3）因因|u+-u |=|0-5|=|-5|=5mV，所以，所以uo =-Uom =-13V（4）因因|u+-u |=|5-0|= 5mV，所以，所以uo = + Uom =+13V+-ouo/65uuuAV ouoiuo+-()uAuAuu第第3

25、3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 集成运放的应用可分为线性应用和非线性应用两大类。集成运放的应用可分为线性应用和非线性应用两大类。 线性应用线性应用：运算电路、测量放大器等；：运算电路、测量放大器等； 非线性应用非线性应用：电压比较器等。：电压比较器等。v 运放在线性应用时，要使运放工作在线性状态，并引入深运放在线性应用时，要使运放工作在线性状态，并引入深 度反馈。度反馈。v 否则由于运放的开环增益很高，很小的输入电压或运放本身否则由于运放的开环增益很高，很小的输入电压或运放本身 的失调都可使它超出线性范围。的失调都可使它超出线性范围。v 分析运放的线性应用时，经常用到分析运放

26、的线性应用时，经常用到“虚短虚短”和和“虚断虚断”的概的概念。念。3.2 3.2 集成运放的线性应用集成运放的线性应用 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 一、分析集成运放线性电路的两个重要原则一、分析集成运放线性电路的两个重要原则 1 1虚短虚短 虚短是指运放的两个输入端电位相等。虚短是指运放的两个输入端电位相等。2 2虚断虚断 虚断是指运放两个输入端的虚断是指运放两个输入端的输入电流为零输入电流为零。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 实现实现输出信号输出信号与与输入信号输入信号按一定按一定比例运算比例运算的的 电路称为电路称为比例运算电路比例运

27、算电路 比例运算电路包括：比例运算电路包括： 反相比例反相比例运算电路运算电路 同相比例运算电路同相比例运算电路3.2.1 3.2.1 比例运算电路比例运算电路 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 1. 反相比例运算电路反相比例运算电路 反相比例运算电路由一个反相比例运算电路由一个集成运放集成运放和和三个电阻三个电阻组成，组成，结构结构比较比较简单。简单。 输入输入电压电压经过一个经过一个输入电阻输入电阻R1 加加在在反相输入反相输入端端， 同相同相输入端输入端经过一个经过一个电阻电阻R2 接地。接地。 输出输出端端与运放的与运放的反相反相输入输入端端 由由一个一个电阻电

28、阻Rf 相连相连，保证集保证集 成成运放工作在线运放工作在线性区。性区。 电阻电阻 R2 平衡电阻平衡电阻 电阻电阻 Rf 反馈电阻反馈电阻第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 工作原理：工作原理： 输入信号输入信号ui 经经 R1加到反相输入端上，同相输加到反相输入端上，同相输 入端经入端经R2 接地，输出信号接地，输出信号uo 经过经过Rf接回反相端，接回反相端， 形成深度并联电压形成深度并联电压负反馈负反馈，电路工作在，电路工作在线性区线性区。 R2为为平衡电阻平衡电阻，其作用是为了与电阻，其作用是为了与电阻R1和和Rf 保持直流平衡，以提高输入级差放电路的对称保持直

29、流平衡，以提高输入级差放电路的对称 性，通常取性，通常取R2 = R1Rf。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 工作原理：工作原理： 根据根据“虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念有的概念有 电路中，因为电路中，因为i+= 0，R2中没有电流，中没有电流，u+ = 0 又因为又因为 u+ = u ，故说明反相输入端是一个不故说明反相输入端是一个不 接地的接地的“接地接地”端，称为端，称为“虚假接地虚假接地”， 简称简称“虚地虚地”。 虚地是虚短的特例，是反相输入放大器的重要虚地是虚短的特例，是反相输入放大器的重要 特性。特性。 uu0ii第第3 3章章 集成运算放大器及应用

30、集成运算放大器及应用f 1 ii +- 0uu“虚地虚地”1fioufRRuuA特点：特点：1. .为深度为深度电压并联负反馈电压并联负反馈， Auf = Rf / R 1u+ = u = 0“虚地虚地”2.反相输入信号时，反相输入信号时，-oi+1fuuuuRR反相比例运算放大电路反相比例运算放大电路“虚短虚短”“虚断虚断”1ifi第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用由图3.5可得而所以得ffoRiu1i1i1fRuRuuiii1fouRRu第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 上上式表明：式表明：输出电压输出电压u0与与输入输入电压电压ui 成正比成

31、正比，并且由于并且由于 输入电压输入电压ui 加加在运放的反相输入端，输出与输入在运放的反相输入端，输出与输入反相，反相， 故故称为反相比例称为反相比例运算电路。运算电路。 比例比例系数为系数为 。 同时同时亦可知反相比例运算电路的亦可知反相比例运算电路的电压放大倍数电压放大倍数为为f1RRofufi1uRAuR i1fouRRu第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用当当 R1 = Rf 时，时，Auf = -1反相器反相器特殊地：特殊地：反相器反相器iouu第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 2 . 同相比例运算电路同相比例运算电路 同相输入比例运算电

32、路也是由同相输入比例运算电路也是由一个集成运放一个集成运放和和三三个输入个输入电阻电阻组成。组成。 但但与反相比例运算电路与反相比例运算电路不同不同的是：的是： 输入电压输入电压ui 通过输入电阻通过输入电阻R2 加加在同相输入端，在同相输入端，反相输入反相输入 端端通过通过电阻电阻R1 接地接地，电路的输出端与反相输入，电路的输出端与反相输入端由反馈电端由反馈电 阻阻Rf相连，引回一相连，引回一个负反馈个负反馈。R2为为平衡电阻平衡电阻，R2 = R1Rf第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用1fi iiuuui1110uuiRR oiofffuuuuiRRioi1fuuu

33、RRf1foii111RRRuuuRR根据理想集成运放根据理想集成运放“虚断虚断”和和“虚短虚短”的特点，由图中的特点，由图中可得可得第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 上上式表明：式表明： 输出电压输出电压uo与与输入输入电压电压ui成正比成正比，并且，并且由于由于ui加在同相加在同相 输入输入端，端，输出与输入同相输出与输入同相，故称为同相比例，故称为同相比例运算电路。运算电路。 比例比例系数为系数为 。 同时同时得到同相比例运算电路的得到同相比例运算电路的电压放大倍数电压放大倍数为为 f11RRofufi11uRAuR f1foii111RRRuuuRR第第3 3章

34、章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用当当 R1 = ，Rf = 0 时，时，Auf = 1电压跟随器电压跟随器特殊地：特殊地：同相器iouu 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 当当 时，（时，（a）v对于集成运放有一定的对于集成运放有一定的 限流保护作用。限流保护作用。 v跟随精度高跟随精度高1R当当 ，且且 时，（时，（b）1R20fRR第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用图3.5 反相比例运算电路 图3.6 同相比例运算电路第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 p 加法运算电路是实现若干个输入信号加法运算电路是实现若干

35、个输入信号求和求和功能功能 的电路。的电路。p 在反相比例运算电路中增加若干个输入端，就在反相比例运算电路中增加若干个输入端，就 构成了反相加法运算电路。构成了反相加法运算电路。3.2.2 3.2.2 加法运算电路加法运算电路 如图所示的为两个输入端的如图所示的为两个输入端的反相加法电路反相加法电路;图中图中R3为平衡电阻，为平衡电阻， R3 = R1R2Rf 。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 p 运用虚地概念，有运用虚地概念，有: :ffoRiu21fiii11 i1Rui 22i2Rui )(2i21i1foRuRuRu若若 Rf = R1= R2 uo = （

36、ui1+ ui2）则则第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用利用叠加原理利用叠加原理1. ui2 = 0 ui1 使：使：i11fo1uRRu减法运算电路减法运算电路减法运算电路减法运算电路 uRRRRRu2i3231f2o1）（反相反相比例运算放大电路比例运算放大电路ui2 使：使：2. ui1 = 0 同相同相比例运算放大电路比例运算放大电路组合组合和和R1/Rf=R2/R3 平衡电阻：平衡电阻：uRRuRRRRRuuu1i1f2i3231fo2o1o)(1(则：则：第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用当当R1=R2， Rf=R3时，上式简化为时，上式

37、简化为)(1 i2i1fouuRRu如果取如果取Rf=R1，则，则uo=ui2-ui1减法运算实际是减法运算实际是差分电路差分电路输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。输出电压等于各个输入电压之差，实现减法运算。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用1.积分运算电路积分运算电路2RR由于由于“虚地虚地”，u = 0， 故故 uO = uC又由于又由于“虚断虚断”，i1 = iF ， 故故得：得：Oi11ddCCuuitu tCRC = RC积分时间常数积分时间常数3.2.3 3.2.3 其他运算电路其他运算电路 i1iFui-+RR2Cuo虚地0VRuii1tuCio

38、Fdd第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用积分电路的输入、输出波形积分电路的输入、输出波形( (1) )输入电压为矩形波输入电压为矩形波图图 6.3.2t0t1tuIOtuOOUIIOi01d()Uuu tttRCRC 当当 t t0 时，时，ui = 0， uO = 0； 当当 t0 t1 时，时， uI = 0，uo 保持保持 t = t1 时的输出电压值不变。时的输出电压值不变。即即 输出电压随时间而向负方向直线增长输出电压随时间而向负方向直线增长。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用( (二二) )输入电压为正弦波输入电压为正弦波tUu sin

39、mI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可见，可见，输出电压输出电压的的相位相位比比输入电压输入电压的的相位相位领先领先 90 。 因此，此时因此，此时积分电路积分电路的作用是的作用是移相移相。 tuIOUm 2 3图图 6.3.2第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。ui-+RR2Cuo应用举例应用举例3 3：虚地0V第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用2.微分运算电路微分运算电路可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。可见，输出电压正比于输入电压对时

40、间的微分。微分电路的作用：微分电路的作用：实现波形变换。实现波形变换。u i+uoRR2i1iFCu= u+= 0RuioFtuCiidd1Fii 1tuRCuiodd第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC90第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用u 微分是积分的逆运算。微分是积分的逆运算。u 只要将积分运算电路中只要将积分运算电路中R和和C的位置互换，的位置互换， 就能形成微分器基本电路。就能形成微分器基本电路。u 积分

41、电路能够延缓信号的传输，积分电路能够延缓信号的传输，u 微分电路则能加快信号的传输过程，微分器微分电路则能加快信号的传输过程，微分器 又称又称D调节器。调节器。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用如果将如果将比例比例运算、运算、积分积分运算和运算和微分微分运算三部分运算三部分电路组合起来，在自动电路组合起来，在自动控制系统中叫做控制系统中叫做PID调调节器。节器。 图3.9 PID调节器比例（比例（P）用于常规调节；用于常规调节；积分（积分（I）用于克服积累误差；用于克服积累误差；微分（微分（D）用于反应变化的趋势用于反应变化的趋势第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成

42、运算放大器及应用 测量放大器又称精密放大器或仪用放大器，测量放大器又称精密放大器或仪用放大器，用于对传感器输出的用于对传感器输出的微弱信号微弱信号在在共模条件共模条件下精确下精确地地放大放大，因而要求放大电路具有高增益、高输入，因而要求放大电路具有高增益、高输入电阻和高共模抑制比。电阻和高共模抑制比。 如图如图3.10所示为三运放测量放大器原理图。所示为三运放测量放大器原理图。 3.2.4 3.2.4 测量放大器测量放大器 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用图3.10 三运放测量放大器原理图第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 p A1，A2为对称性很

43、好的集成运放，由于采用为对称性很好的集成运放，由于采用同相同相 输入输入，构成了，构成了串联负反馈串联负反馈，因而输入电阻极高。，因而输入电阻极高。p A3接成接成减法运算减法运算电路，采用电路，采用差动输入差动输入，变双端输入，变双端输入 为单端输出，可以抑制共模信号。为单端输出，可以抑制共模信号。p A1，A2构成构成第一级第一级，根据集成运放线性应用的特点，根据集成运放线性应用的特点 可知，电阻可知，电阻R1中由差动信号产生的电流为中由差动信号产生的电流为i1，其两其两 端电位因端电位因虚短虚短各为各为ui1，ui2， 则则12i1 i1Ruui第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运

44、算放大器及应用图3.10 三运放测量放大器原理图第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 流经流经 R2 的电流因的电流因虚断虚断也为也为i1，则则 A3为为第二级第二级，其输入分别为，其输入分别为uo1，uo2 由上式可得由上式可得A3的的输出输出uo为为 上式表明，测量放大器的放大倍数（即差模电压放上式表明，测量放大器的放大倍数（即差模电压放大倍数）为大倍数）为 2i1 i12122112o1o2uuRRRRRRiuu2i1 i1211o2oo2uuRRRuuu1212i1 io2RRRuuuAu第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 v 若若ui1，ui

45、2为共模信号，即为共模信号，即 v 由上式可知，由上式可知， ，即，即 v 若若ui1，ui2为差模信号，即为差模信号，即 则能有效地放大，则差模放大倍数为则能有效地放大，则差模放大倍数为 。v 值得注意的是，值得注意的是，A1，A2的对称性要好，各电阻阻值的的对称性要好，各电阻阻值的 匹配精度要高，才能保证整个电路匹配精度要高，才能保证整个电路KCMR很大。很大。v 有时，为了调节方便，有时，为了调节方便，R1经常采用可调电位器。经常采用可调电位器。v 测量放大器的应用非常广泛，目前已有单片集成芯片测量放大器的应用非常广泛，目前已有单片集成芯片 产品。除了可调产品。除了可调R1以外，所有元件

46、都封装在内部。以外，所有元件都封装在内部。2i1 iuu 0ouCMRK12/21RRi1i2uu 共模抑制比共模抑制比CMRK第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用3.3 3.3 集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用 分析运放的分析运放的非线性非线性应用时，应用时，“虚短虚短”的概念已的概念已经经不适用不适用，而运放的输入电阻很高，而运放的输入电阻很高，“虚断虚断“仍然仍然适用适用。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用v 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。v 比较器输入的是连续的模拟信号，输出的是

47、以高、比较器输入的是连续的模拟信号，输出的是以高、 低电平为特征的数字信号，即低电平为特征的数字信号，即“1”或或“0”v当当两者两者幅度幅度不相等不相等时时输出电压输出电压为为高电平高电平或或低电平低电平v当当两者两者幅度幅度相等相等时时输出电压输出电压产生产生跃变跃变由高电平变由高电平变 成低电平，或者由低电平变成高电平。成低电平，或者由低电平变成高电平。v 由此来判断输入信号的大小和极性。由此来判断输入信号的大小和极性。3.3.1 3.3.1 电压比较器电压比较器 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 （1）电路构成电路构成p 开环工作的运算放大器是最基本的单限电压比

48、较器。开环工作的运算放大器是最基本的单限电压比较器。p 根据输入方式不同，分为根据输入方式不同，分为反相输入反相输入和和同相输入同相输入两种。两种。p 反相输入单限电压比较器电路如图反相输入单限电压比较器电路如图3.11（a）所示）所示p 输入信号输入信号ui从反相端加入，同相端加参考电压从反相端加入，同相端加参考电压UR， 输出电压为输出电压为uo。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用电压传输特性电压传输特性uiuoOURURuouiR2+ R1+可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压第第3 3章章 集成运算放大

49、器及应用集成运算放大器及应用 即即 ： 当当 时时 ； 当当 时时 ； 当当 时时 发生跳变。发生跳变。v 把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压把比较器输出电压发生跳变时所对应的输入电压 值称为值称为阈值电压阈值电压或或门槛电压门槛电压。v 阈值电压用阈值电压用UTH表示，表示，UTH值可以为正或负。值可以为正或负。v 此电路的此电路的UTH=UR，因为这种电路只有一个阈值因为这种电路只有一个阈值 电压，故称为电压，故称为单门限电压比较器单门限电压比较器。RiUu omoUuRiUu omoUuRiUu ou阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应

50、的输入电压。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用uoui0+UOM-UOM+uoui过零比较器过零比较器: 当当UR =0时时+uouiuoui0+UOM-UOM第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用+uouituituo+Uom-Uom利用电压比较器将利用电压比较器将正弦波变为方波。正弦波变为方波。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用n 电压比较器常用作波形变换使用，它可以电压比较器常用作波形变换使用，它可以 把连续变化的输入波形变换成矩形波；把连续变化的输入波形变换成矩形波；n 也可作为电压是否超过了规定数值的检测；也可作为电压是

51、否超过了规定数值的检测；n 也可以和传感器配合使用，作为某一物理量也可以和传感器配合使用，作为某一物理量 （如温度、压力、位移等）是否超过了整定（如温度、压力、位移等）是否超过了整定 值的检测。值的检测。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 单限电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。单限电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。 例如，当例如，当ui在门槛电压在门槛电压UR附近受到干扰时，就有可能使附近受到干扰时，就有可能使uo 产生连续的翻转。产生连续的翻转。 在实际应用中，这种情况是不允许的，解决的方案是在实际应用中，这种情况是不允许的，解决的方案是采用采用

52、滞回电压比较器滞回电压比较器。 在电压比较器的基础上，通过在电压比较器的基础上，通过 Rf把输出电压的把输出电压的正反馈正反馈到放大到放大 器的同相端，就组成了滞回比较器。器的同相端，就组成了滞回比较器。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 （1 1）电路组成）电路组成 滞回电压比较器又称为滞回电压比较器又称为施密特触发器施密特触发器， 其电路如图其电路如图3.14（a）所示）所示 它是在它是在过零比较器过零比较器的基础上加上的基础上加上正反馈正反馈构成的。构成的。+uoR1RfR2uiU+参考电压参考电压u+由原由原来的输出决定来的输出决定第第3 3章章 集成运算放大器

53、及应用集成运算放大器及应用2、当当ui u+时，时， ，此时，此时uo 经过反馈电经过反馈电 阻阻Rf 正反馈到同相输入端的电位变为正反馈到同相输入端的电位变为上门限电压上门限电压 当当ui 增大到增大到uiUTH1时，时，uo就由正向饱和电压翻转就由正向饱和电压翻转 为负向饱和电压，即为负向饱和电压，即 。 此时同相输入端的电位变为此时同相输入端的电位变为下门限电压下门限电压 omoUu2TH1om2fRUURR omoUu2TH2om2fRUURR 1、因为有、因为有正反馈正反馈，所以，所以输出饱和输出饱和。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用uoui0+Uom-Uom

54、UTH1UTH2以后当输入电压以后当输入电压ui下降下降到到ui UTH1时，输出电压时，输出电压uo发生发生跳变跳变， 由由 +Uom跳变为跳变为- Uom，2. 当当ui 减小时，减小时，到到ui UTH2时，输出电压时，输出电压uo发生发生 跳变跳变， 由由-Uom跳变为跳变为 + Uom，第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 例例3.2 图图3.15所示为滞回电压比较器，所示为滞回电压比较器， 输入信号输入信号ui 的波形如图的波形如图3.17（a）所示，）所示， 试画出其电压传输特性和输出电压试画出其电压传输特性和输出电压uo的波形。的波形。 解解：图中电阻图中电

55、阻R1和和R为限流电阻，输出为限流电阻，输出uo受稳压管受稳压管 限幅，即限幅，即Uom= 6V。 （1）画电压传输特性。由式（）画电压传输特性。由式（3-11）得上门限电压为：）得上门限电压为： 由式（由式（3-12）得下门限电压为：）得下门限电压为： 其电压传输特性如图其电压传输特性如图3.16所示。所示。2TH1om231563V1515RUURR 2TH2om231563V1515RUURR 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 图3.15 例3.2的电路图 图3.16 例3.2的电压传输特性 用稳压管稳用稳压管稳定输出电压定输出电压第第3 3章章 集成运算放大器及

56、应用集成运算放大器及应用图3.17 例3.2的输入输出波形 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 （2）画画uo的波形的波形 当当t =0时，由于时，由于uiUTH2= 3V，所以，所以uo=+Uom=6V， 此时此时U+= UTH1=3V。 当当t =t1时，时，uiUTH1=3V，电路翻转为，电路翻转为uo= Uom= 6V。 此后此后U+=UTH2= 3V，在，在t1至至t2时段，时段，uiUTH2= 3V， 故故uo保持保持 6V不变。不变。 当当t =t2时，时，uiUTH2= 3V，电路又翻转回来，电路又翻转回来，Uo由由 6V变为变为+6V，U+由由UTH2=

57、 3V变为变为UTH1=3V。 依此类推，可画出依此类推，可画出uo的波形，如图的波形，如图3.17（b）所示。）所示。 由波形图可见，虽然图（由波形图可见，虽然图（a）的输入电压波形因受干扰）的输入电压波形因受干扰 而不规则，但输出的电压波形已变成标准的矩形波，而不规则，但输出的电压波形已变成标准的矩形波， 这种作用又叫这种作用又叫“整形整形”。第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 集成电压比较器常用型号有集成电压比较器常用型号有LM710、LM311（SF31）、）、 BG307等。等。 其主要特点有：其主要特点有： （1）输出高电平）输出高电平UOH=3.3V，输出低

58、电平，输出低电平UOL= 0.4V， 适应适应TTL数字电路要求。数字电路要求。 （2）有较大的上升速率）有较大的上升速率SR，以适应开关电路对响应，以适应开关电路对响应 速度的要求。速度的要求。 （3）适应非线性工作状态，所以没有相位补偿（校正）适应非线性工作状态，所以没有相位补偿（校正） 引出脚。引出脚。3.4 3.4 集成电压比较器简介集成电压比较器简介 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 如需要对某一参数（如压力、温度、噪声等）进行如需要对某一参数（如压力、温度、噪声等）进行监控，可将传感器输出的监控信号监控，可将传感器输出的监控信号ui送给比较器监控送给比较器监

59、控报警，图报警，图3.18所示的是利用所示的是利用比较器比较器设计出的设计出的监控报警监控报警电路。电路。 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用v 当当 时，比较器输出负值，晶体管时，比较器输出负值，晶体管VT截止，截止， 指示灯熄灭，表明工作正常。指示灯熄灭，表明工作正常。v 当当 时，被监控的信号超过正常值，比较器时，被监控的信号超过正常值，比较器 输出正值，晶体管输出正值，晶体管VT饱和导通，报警指示灯亮。饱和导通，报警指示灯亮。v 电阻电阻R 决定于对晶体管基极的驱动程度，其阻值应决定于对晶体管基极的驱动程度，其阻值应 保证晶体管进入饱和状态。保证晶体管进入饱和状态

60、。v 二极管二极管VD起保护作用，当比较器输出负值时，晶起保护作用，当比较器输出负值时，晶 体管发射结上反偏电压较高，可能击穿发射结，而体管发射结上反偏电压较高，可能击穿发射结，而 VD能把发射结的反向电压限制在能把发射结的反向电压限制在0.7V，从而保护了从而保护了 晶体管。晶体管。 RiUu RiUu 第第3 3章章 集成运算放大器及应用集成运算放大器及应用 3.4.1 调零调零集成运放通常有集成运放通常有零输入零输入-零输出零输出的要求。的要求。当输入信号为零，而输出不为零时，需要有当输入信号为零，而输出不为零时，需要有 调零措施。调零措施。 一般是将输入端对地短接，利用外接调零一般是将