第二章集成运算放大器学习教案

1、会计学1第二章集成第二章集成(j chn)运算放大器运算放大器第一页，共40页。2022年1月2日星期日21输入级输入级 采用差分放大电路构成。对称性好、输入电阻高、可以有采用差分放大电路构成。对称性好、输入电阻高、可以有效减小零点漂移、抑制干扰信号等，可以有效放大有用信效减小零点漂移、抑制干扰信号等，可以有效放大有用信号。号。 第1页/共40页第二页，共40页。2022年1月2日星期日3为整个电路为整个电路(dinl)提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放提供足够大的电压放大倍数。一般采用共射级放大电路大电路(dinl)，集电极电阻用晶体管恒流源代替，恒流源的动态电，集电极电阻用晶体管恒

2、流源代替，恒流源的动态电阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。阻很大，可以获得较高的电压放大倍数。3输出级输出级 输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足输出级与负载连接，主要作用是提供足够的输出功率（即足够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低够大的电流和电压）以满足负载的需要。要求其输出电阻低，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。，带负载能力强。一般由射级输出器或互补对称电路构成。4偏置电路偏置电路 为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各为整个电路提供稳定的和合适的偏置电流。偏置电路是由各种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流

3、种恒流源电路组成。还有过载保护电路，可以防止输出电流过大时将运放烧坏。过大时将运放烧坏。第2页/共40页第三页，共40页。2022年1月2日星期日4集成集成(j chn)运放的图形符号运放的图形符号反相输入反相输入(shr)端端同相输入同相输入(shr)端端输出端输出端uouu+ud+Ao+ 输入方式输入方式: 反相输入反相输入 同相输入同相输入 差分输入差分输入F00781723456100 dB238 715 46uu+uo+UCCUEEF007 的外部接线和管脚图的外部接线和管脚图返返 回回下一节下一节上一页上一页第3页/共40页第四页，共40页。2022年1月2日星期日5二、集成二、集

4、成(j chn)运算放大器的主要参数运算放大器的主要参数 iou0lg20uuA第4页/共40页第五页，共40页。2022年1月2日星期日6cdCMRAAK第5页/共40页第六页，共40页。2022年1月2日星期日7第6页/共40页第七页，共40页。2022年1月2日星期日8 理想运放的主要条件：理想运放的主要条件：(1) (1) 开环放大倍数开环放大倍数(bish)(bish)：Ao=Ao=(2) (2) 开环输入电阻：开环输入电阻：ri=ri=(3) (3) 开环输出电阻：开环输出电阻：ro=0ro=0(4) (4) 共模抑制比：共模抑制比：KCMRR=KCMRR=uouu+ud+ 理想运

5、放的图形符号理想运放的图形符号返返 回回上一节上一节上一页上一页三、理想集成三、理想集成(j chn)运放技术指标及符号运放技术指标及符号 四、集成运放的电压传输特性四、集成运放的电压传输特性电压传输特性表示输出电压随输电压传输特性表示输出电压随输入电压变化的规律。入电压变化的规律。+UO(sat)UO(sat)理想特性理想特性实际特性实际特性Ouou+ u-电压传输特性有两个工作区：电压传输特性有两个工作区： 线性工作区和非线性工作区。线性工作区和非线性工作区。第7页/共40页第八页，共40页。2022年1月2日星期日9返返 回回上一节上一节下一节下一节上一页上一页1集成集成(j chn)运

6、放线性工作的特运放线性工作的特点点iuouoo)(uAuuAuiuouoo)(uAuuAu 如果集成运放工作在线性区，分析由它组成的电路时，有两条重要如果集成运放工作在线性区，分析由它组成的电路时，有两条重要而普遍适用的结论：而普遍适用的结论：(1)“虚短虚短” 集成运放两个输入端的电压近似相等，即集成运放两个输入端的电压近似相等，即u+ u- 。如果集成运放反相端有信号输入时，同相输入端接如果集成运放反相端有信号输入时，同相输入端接“地地”，由，由“虚虚短短”现象可知，反相输入端的电位接近现象可知，反相输入端的电位接近“地地”电位，即反相输入端电位，即反相输入端是一个不接是一个不接“地地”的

7、的“地地”电位，通常称为电位，通常称为“虚地虚地” 。0)(uoAuuuo第8页/共40页第九页，共40页。2022年1月2日星期日10流进集成运放两个输入端的电流流进集成运放两个输入端的电流(dinli)近似为零，即近似为零，即 i+i-0 。集成运放开环差模输入电阻很高集成运放开环差模输入电阻很高(理想时理想时)，输入回路相当于断路，输入回路相当于断路，故从两个输入端流入的电流，故从两个输入端流入的电流(dinli)可忽略不计，如同这两端被可忽略不计，如同这两端被断开一样，但实际并不是真的断开，因此称为断开一样，但实际并不是真的断开，因此称为“虚断虚断”。理想的集成运放无论工作在线性区还是

8、非线性区，理想的集成运放无论工作在线性区还是非线性区，“虚断虚断”现象现象总是存在的。总是存在的。(1)(2)两个输入端电压两个输入端电压u+与与 u-不一定相等，即不一定相等，即“虚短虚短” 不一定成立。不一定成立。(3)输入电流仍等于零。尽管两个输入端电压不等，但因为理想输入电流仍等于零。尽管两个输入端电压不等，但因为理想运放的运放的rid=，仍可认为此时的输入电流等于零，即，仍可认为此时的输入电流等于零，即“虚断虚断”现象仍现象仍然存在。然存在。2. 集成运放非线性工作（饱和状态）的特点集成运放非线性工作（饱和状态）的特点 当当 u+ u时：时：uo = + UO(sat)当当 u+u时

9、：时：uo =UO(sat) 第9页/共40页第十页，共40页。2022年1月2日星期日11uo+一一 、反相输入组态（反相比例运算、反相输入组态（反相比例运算(yn sun)电路）电路）R1uiRfRpuu+u= u += 0虚地虚地i1ifi1 = ifuiR1=uoRfuo =f1ui闭环电压放大闭环电压放大(fngd)倍数倍数 Auf(1) (1) 反相比例运算电路反相比例运算电路当当 Rf = R1 时：时： uo = ui反相器反相器平衡电阻平衡电阻平衡电阻平衡电阻: Rp = R1 / Rf平衡电阻的作用：保证集成运放平衡电阻的作用：保证集成运放同相输入端和反相输入端的外接同相输

10、入端和反相输入端的外接电阻相等，消除静态基极电流对电阻相等，消除静态基极电流对输出电压的影响。输出电压的影响。第10页/共40页第十一页，共40页。2022年1月2日星期日12二、同相输入二、同相输入(shr)组态（同相比例运算组态（同相比例运算电路）电路）uo+R1RpuiRfuu+i1ifu= u + = uiif = i1u uo Rf= -= -uR1uo=RfR1 ) ui(1 +平衡电阻平衡电阻: Rp = R1 / Rfuo+ui上一页上一页闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数 Auf1R当 1/ioufuuA电压跟随器电压跟随器 0FPRR再令再令 第11页/共40页第十二页，共4

11、0页。2022年1月2日星期日13一、一、 加法加法(jif)运算运算电路电路1.反相加法反相加法(jif)运运算电路算电路 上一节上一节上一页上一页uo+R12RfRpR11ui1ui2R13ui30uu11i111Rui 12i212Rui13i313Ruifiiii131211)(i313Fi212Fi111FouRRuRRuRRu当F131211RRRR )(i3i2i1ouuuu第12页/共40页第十三页，共40页。2022年1月2日星期日14返返 回回上一页上一页2.同相加法运算同相加法运算(yn sun)电路电路 1FF32/RRRRR为使电路能够补偿输入偏置电流为使电路能够补偿

12、输入偏置电流、失调电流及其漂移的影响。、失调电流及其漂移的影响。 应用叠加原理，应用叠加原理，u+可由可由ui1和和ui2单独单独作用求出：作用求出： ui1单独作用时，单独作用时，令令ui2 =0，i1323)(uRRRu，i2322)(uRRRu ui2单独作用时，单独作用时，令令ui1=0两个电压源共同作用：两个电压源共同作用：i2322i1323)()(uRRRuRRRuuu oF11uRRRu根据根据 “虚短虚短”现象，现象，uu)(1 (i2322i13231FouRRRuRRRRRu若选取若选取 F32RRR)(i2i1ouuu第13页/共40页第十四页，共40页。2022年1月

13、2日星期日15二、二、 减法减法(jinf)运算运算电路电路R3uo+R1RfR2ui1ui2下一节下一节1应用集成运放应用集成运放“虚短虚短”和和“虚断虚断”特点求解特点求解11i1Riuu1F1oi1i1RRRuuu332i2RRRuu 由由“虚短虚短”的特点，的特点， uui11Fi23231Fo)1 (uRRuRRRRRu当当R1=R2和和RF=R3时时)(i1i21FouuRRui1i2ouuu当当RF=R1时时第14页/共40页第十五页，共40页。2022年1月2日星期日162应用叠加原理应用叠加原理(yunl)求解求解 R3uo+R1RfR2ui1ui2当当ui1单独作用时单独作

14、用时:+R3uo +R1RfR2ui1R3uo +R1RfR2ui2当当ui2 单独作用时单独作用时:uu+i11FouRRuuRRu1F o1i2323uRRRui23231F o1uRRRRRu第15页/共40页第十六页，共40页。2022年1月2日星期日17当当时：时：平衡平衡(pnghng)电阻电阻: R2 / R3= R1 / RfR3uo+R1RfR2ui1ui2i11FouRRui23231F o1uRRRRRui11Fi23231F ooo1uRRuRRRRRuuu231FRRRRi1i21FouuRRu第16页/共40页第十七页，共40页。2022年1月2日星期日18例例4-

15、3 下图示电路是具有下图示电路是具有(jyu)四个输入电压的双端输入和差运算电路四个输入电压的双端输入和差运算电路。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。应用叠加原理求解的输出电压和输入电压之间的关系式。解：若令解：若令0i2i1uu则该电路则该电路(dinl)为同相加法运算电路为同相加法运算电路(dinl)。)(1 (i4322i3323FouRRRuRRRRRu21/RRR 若令若令0i4i3uu则电路为反相加法运算电路。则电路为反相加法运算电路。)(i22Fi11FouRRuRRu ooouuu )()(1 (2211i4322i3323FiFiFuRRuRRuRRRuRRR

16、RR若令若令F4321RRRRR)()(2/3i2i1i4i3ouuuuu第17页/共40页第十八页，共40页。2022年1月2日星期日19uo =ui dt1R1C三、积分运算三、积分运算(yn sun)电路电路uo+CuiR1uu+R2i1if+ uCu = u+ = 0uC = uuo =uoif = i1 i1 =uiR1if = CduCdt =Cduodt积分时间常数积分时间常数平衡电阻平衡电阻: :0uit0uotUi t1R1CUO（sat）R2 = R1下一节下一节(b) 波形波形(a) 电路电路Ui第18页/共40页第十九页，共40页。2022年1月2日星期日20uo+Cu

17、iRfuu+R2(a) 电路电路五、微分五、微分(wi fn)运运算电路算电路i1if+ uCu= u+ = 0uC = uiif = i1i1 = CduCdtif =uoRfuo =Rf Cduidt微分微分(wi fn)时间常数时间常数平衡电阻：平衡电阻：R2 = Rf0uit0uot(b) 波形波形上一节上一节上一页上一页Ui第19页/共40页第二十页，共40页。2022年1月2日星期日21基本微分电路存在如下的缺点：基本微分电路存在如下的缺点：输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象；输出端可能出现输出噪声淹没微分信号的现象；电路中反馈网络电路中反馈网络(wnglu)构成的构成的 R

18、FC 滞后环节，与集成运放的滞后环滞后环节，与集成运放的滞后环节合在一起，使电路稳定储备减小，电路容易引起自激振荡；节合在一起，使电路稳定储备减小，电路容易引起自激振荡；突变的输入电压可能造成突变的输入电压可能造成uo超过集成运放允许的最大输出电压，产生堵超过集成运放允许的最大输出电压，产生堵塞现象，造成自锁状态，使电路不能正常工作。塞现象，造成自锁状态，使电路不能正常工作。右图是一种改进型的微分运算电路。右图是一种改进型的微分运算电路。图中输入回路小电阻图中输入回路小电阻R1限制了噪声干限制了噪声干扰和突变的输入信号。且由于扰和突变的输入信号。且由于R1的引的引入，加强了电路中负反馈的作用。

19、反入，加强了电路中负反馈的作用。反馈支路引入小电容馈支路引入小电容CF和和RF并联形式并联形式(xngsh)来进行相位补偿。适当选取来进行相位补偿。适当选取电路参数能使电路稳定工作。电路参数能使电路稳定工作。 第20页/共40页第二十一页，共40页。2022年1月2日星期日22例例4-7 试求图示电路试求图示电路(dinl)的的uo与与ui的关系式。的关系式。FfoRiutuCRuiiiddi11iCRf )dd(i1Fi1FotuCRuRRu此电路是一个反相比例此电路是一个反相比例(bl)运算和微分运算相结合的电路，因运算和微分运算相结合的电路，因此称为比例此称为比例(bl)微分调节器（简称

20、微分调节器（简称PD调节器），用于控制调节器），用于控制系统中，使调节过程起到加速作用。系统中，使调节过程起到加速作用。 解解 由图可列出由图可列出第21页/共40页第二十二页，共40页。2022年1月2日星期日23第22页/共40页第二十三页，共40页。2022年1月2日星期日24 电压比较电路的基本功能是对输入模拟电压进行比较和鉴别电压比较电路的基本功能是对输入模拟电压进行比较和鉴别,根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输根据输入模拟电压是大于还是小于给定的参考电压来决定电路的输出状态出状态,也可以由比较电路的输出状态来判断输入电压的大小，故称也可以由比较电路的输出状态

21、来判断输入电压的大小，故称为电压比较器。为电压比较器。 构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作构成比较器的集成运放一般接成开环或正反馈状态，使其工作于非线性区。于非线性区。 分类：基本比较电路和施密特比较电路分类：基本比较电路和施密特比较电路 反相输入基本比较电路。反相输入端反相输入基本比较电路。反相输入端输入模拟电压输入模拟电压ui，同相输入端接参考电，同相输入端接参考电压压UREF。 也可根据需要把参考电压也可根据需要把参考电压UREF加在反加在反相输入端，而输入信号电压相输入端，而输入信号电压ui加在同加在同相输入端，构成同相输入基本比较相输入端，构成同相输入基本比较电路

22、电路。 第23页/共40页第二十四页，共40页。2022年1月2日星期日251过零比较过零比较(bjio)电路电路 0iuo(sat)oUu0iuo(sat)oUu 比较器输出电压翻转比较器输出电压翻转时刻对应的输入电压时刻对应的输入电压称为称为阈值电压或门限阈值电压或门限电压电压。第24页/共40页第二十五页，共40页。2022年1月2日星期日26例例4-9 电路如图所示，输入电压电路如图所示，输入电压(diny)为正弦波，电路的时间常数为正弦波，电路的时间常数 T，T是正弦波的周期，且是正弦波的周期，且uo(0)=0，试画出，试画出uo1和和uo2的波形。的波形。解：同相输入解：同相输入(

23、shr)过零比较器过零比较器第25页/共40页第二十六页，共40页。2022年1月2日星期日272. 任意电平任意电平(din pn)比较器比较器当当UREF0时，则为任意电平时，则为任意电平(din pn)比较电路。比较电路。为稳定输出电压，可在输出端加稳压管为稳定输出电压，可在输出端加稳压管。第26页/共40页第二十七页，共40页。2022年1月2日星期日283. 基准基准(jzhn)电压比较器电压比较器 REF21iURRuREF221REFi-URRRUuu211REF212iRRRURRRu0-u令令得得第27页/共40页第二十八页，共40页。2022年1月2日星期日29单限比较器电

24、路简单、灵敏度高，但抗干扰能力差的。为提高比较单限比较器电路简单、灵敏度高，但抗干扰能力差的。为提高比较器抗干扰能力，可在开环比较器基础上增加由电阻器抗干扰能力，可在开环比较器基础上增加由电阻(dinz)构成的正构成的正反馈环节，称为施密特比较电路，又称施密特触发电路。反馈环节，称为施密特比较电路，又称施密特触发电路。 iuu TREFF2FoF22UURRRuRRRuZoUuuuZoUuuuZoUu比较器有两个不同的门限电平。比较器有两个不同的门限电平。 第28页/共40页第二十九页，共40页。2022年1月2日星期日30ZoUu T1REFF2FZF22UURRRURRRuZoUuT2RE

25、F2Z22)(UURRRURRRuFFF ZUZUouiuT1UT2UUT2T1UUU 称为称为(chn wi)回差电压回差电压T1U称上门限电压称上门限电压T2U称下门限电压称下门限电压 回差电压的大小取决于回差电压的大小取决于UZ、RF和和R2，与，与UREF无关。无关。改变改变UREF将同时改变将同时改变UT1和和UT2，回差电压，回差电压不变。传输特性平行右移或左移。不变。传输特性平行右移或左移。施密特比较器具有较强的抗干扰能力施密特比较器具有较强的抗干扰能力。第29页/共40页第三十页，共40页。2022年1月2日星期日31例例 4 - 1 1 稳 压 管 稳 定 电 压稳 压 管

26、稳 定 电 压(diny)UZ=6V，R2 =10k，RF=15k，UREF=0，ui= 5sint(V)，试求两个门限电压，试求两个门限电压(diny)，并画，并画出出uo的波形。的波形。解：解：VURRRZF4 . 2615101022V4 . 2)6(151010)(22ZFURRRREFF2FZF22T1URRRURRRUREF2Z22T2)(URRRURRRUFFF第30页/共40页第三十一页，共40页。2022年1月2日星期日32第31页/共40页第三十二页，共40页。2022年1月2日星期日33一、方波产生一、方波产生(chnshng)电路电路 组成：滞回比较器和组成：滞回比较器

27、和RC充放电回路充放电回路(hul)组成的自激振荡电路。组成的自激振荡电路。 1. 工作原理工作原理 滞回比较器的两个门限电压：滞回比较器的两个门限电压： zF122T1URRRU)(zF122T2URRRU初始状态为初始状态为zoUuT1zF122UURRRu 00cuuo通过通过RF2向向C充电，充电，uc上升，当上升，当uc上升到稍大于上升到稍大于UT1时，在正反馈时，在正反馈作用下，作用下，uo由由+UZ迅速转换为迅速转换为-UZ，C充电电压充电电压uc达到最大值。达到最大值。T2zF122)(UURRRu C通过通过RF2放电放电, uc下降下降, uc下降到小于下降到小于UT1时时

28、, uo由由-UT1转换为转换为+UT1。第32页/共40页第三十三页，共40页。2022年1月2日星期日342振荡周期和频率振荡周期和频率(pnl) )21ln(F12F221RRCRTT)21ln(2F12F221RRCRTTT)21ln(211F12F2RRCRTf第33页/共40页第三十四页，共40页。2022年1月2日星期日35二、矩形二、矩形(jxng)波发生器波发生器 占空比：正脉冲占空比：正脉冲(michng)持续时间与波形的周期之比持续时间与波形的周期之比占空比可根据需要进占空比可根据需要进行调节。可用电容充电时间与放电时间不等来实现，行调节。可用电容充电时间与放电时间不等来实现，电路的输出电压形式为矩形波。电路的输出电压形式为矩形波。充电时间常数：充电时间常数： CRRD)(51放电时间常数：放电时间常数： CRRD)(12)21ln()21ln(F22F21LHRRRRTTT第34页/共40页第三十五页，共40页。2022年1月2日星期日36*三三角波发生(fshng)电路 在方波发生电路中，电容的电压是按照指数规律变化的，近似为三角形。当从电容上输出电压时，其波形与三角波形有一定的差别(chbi)。