第9章 理想运算放大器的分析与应用

1、问题：问题：1.1.集成运算放大器的由来？集成运算放大器的由来？2.2.如何判断电路是否是运算电路？有哪如何判断电路是否是运算电路？有哪些基本运算电路？怎样分析运算电路些基本运算电路？怎样分析运算电路的运算关系？的运算关系？3.3.如何分析集成运算放大器？如何分析集成运算放大器？4.4.集成运算放大器有哪些应用？集成运算放大器有哪些应用？第第9 9章章 集成运算放大器的分析及应用集成运算放大器的分析及应用2/92第第9章章 集成运放的分析及应用集成运放的分析及应用9.1 9.1 集成运算放的组成及基本特性集成运算放的组成及基本特性9.2 9.2 运放的线性应用及理想运放模型运放的线性应用及理想

2、运放模型9.3 9.3 基本运算电路基本运算电路9.4 9.4 电压比较器电压比较器9.5 9.5 波形发生器波形发生器( (略略) )9.6 9.6 集成运放的其他应用电路（略）集成运放的其他应用电路（略） 小结小结3/929.1 9.1 集成运算放的组成及基本特性集成运算放的组成及基本特性一、一、 概述概述二、集成电路的基本结构二、集成电路的基本结构三、三、 模拟集成运放的典型电路模拟集成运放的典型电路4/921）通用集成电路）通用集成电路 2）模拟信号处理电路）模拟信号处理电路3）控制系统专用集成电路，如电机控制电路控制系统专用集成电路，如电机控制电路、可控硅控制电路等可控硅控制电路等.

3、4）通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专通信系统专用集成电路，如电话电路、无线通信电路、交换专用电路等。用电路等。5）测试系统专用集成电路，测试系统专用集成电路，ATE电路、信号变换和处理电路等。电路、信号变换和处理电路等。6）仪器专用电路等。）仪器专用电路等。 9.1 9.1 集成运算放大器的组成及基本特性集成运算放大器的组成及基本特性1. 模拟集成电路分类模拟集成电路分类按照应用领域进行分类：按照应用领域进行分类：一、一、 概述概述5/92按照电路的功能进行分类按照电路的功能进行分类1）运算放大器）运算放大器2）模拟乘法器（除法器）模拟乘法器（除法器）3）对数放大器对数放

4、大器4）函数发生器函数发生器5）滤波器滤波器6）压控振荡器）压控振荡器 7）集成功率放大器）集成功率放大器8）集成）集成 稳压电源稳压电源一、一、 概述概述( (续）续）9.1 9.1 集成运算放大器的组成及基本特性集成运算放大器的组成及基本特性集成电路集成电路通用型通用型专用型专用型按照集成电路分类按照集成电路分类6/921 1 集成电路的基本结构集成电路的基本结构图 61 集成电路的基本组成结构 输入模块 功能模块 输出模块 电源模块 控制/补偿 模块 保护模块 二二 集成电路的基本结构集成电路的基本结构7/92二二 集成电路的基本结构集成电路的基本结构( (续）续）2 2 模拟集成电路组

5、成模拟集成电路组成输入级中间级输出级偏置电路8/92组成：组成：运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的组成框图如图所示。高增益放大器，它的组成框图如图所示。运放组成差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U+U-Uo三、三、 模拟集成运放的典型电路模拟集成运放的典型电路运放旧符号运放国标符号9/921.输入级输入级:高性能的差动放大电高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个路。运放有两个输入端，一个称为称为同相输入端同相输入端，即输出与该即输出与该端输入信号相位相同，用符号端输入信号相位相同，用符号U 表示；另一个称为表示

6、；另一个称为反相输反相输入端入端，即输出与该端输入信号即输出与该端输入信号相位相反，用符号相位相反，用符号U表示。表示。 4.恒流源偏置：恒流源偏置：可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。流，以稳定工作点。 3.低阻输出级：低阻输出级：由由PNP和和NPN两种极性的三极管或复合管组两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。功率放大器。2.中间放大级：中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多

7、为差动电路和带有源负载的高增益放大器。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。差放输入级中间放大级低阻输出级恒流源偏置U-U+运放组成运放组成10/92F007 的电路原理图 +UCC -UCC T3 _ + Ui T1 T2 T4 T9 T8 T7 T6 R1 T5 R2 R3 1k 1k RW R4 T11 T10 R5 39k T13 T12 3k 50k T16 T17 T15 T14 C 30pFR7 4.5k R8 7.5k T19 T18 Uo R9 25 R10 50 D1 D2 输出级 中间级 偏置电路 输入级 外接调零电位器 集成运放集成运放F007的的电路原理电路原理11

8、/922单极型集成运放单极型集成运放 +UDD -USS T1 T6 R UI T2 UO T3 T4 T5 C T8 T7 C14573 的电路原理图 第一级是以第一级是以P沟道管沟道管T3和和T4为放大管、以为放大管、以N沟道管沟道管T5和和T6管构成的电管构成的电流源为有源负载。流源为有源负载。 第二级是共源放大电路，以第二级是共源放大电路，以N沟道管沟道管T8为放大管，漏极带有源负载。为放大管，漏极带有源负载。 12/9213/929.1.2 9.1.2 集成运算放大器的主要参数集成运算放大器的主要参数集成运放的性能指标集成运放的性能指标-主要参数如下：主要参数如下： 1电源电压电源电

9、压2开环差模电压增益开环差模电压增益AUd3共模抑制比共模抑制比KCMR4差模输入电阻差模输入电阻rid5输入失调电压输入失调电压Uos6输入失调电压的温漂输入失调电压的温漂dUos/dT7输入失调电流输入失调电流Ios8输入失调电流的温漂输入失调电流的温漂dIos/dT9输入偏置电流输入偏置电流IB10最大共摸输入电压最大共摸输入电压Uic,max11最大差模输入电压最大差模输入电压Uid,max12-3dB带宽带宽13单位增益带宽单位增益带宽BWG-fT14转换速率转换速率SR(摆率摆率) |duo/dt|max14/929.1.3 9.1.3 线性应用及理想运放模型线性应用及理想运放模型

10、一、一、 线性应用和非线性应用线性应用和非线性应用二、理想运放模型二、理想运放模型15/929.1.3 9.1.3 线性应用及理想运放模型线性应用及理想运放模型运放模型分类运放模型分类按精度分类按精度分类理想模型理想模型非理想模型非理想模型运放宏模型运放宏模型按功能分类按功能分类直流模型直流模型交流小信号模型交流小信号模型大信号模型大信号模型噪声模型噪声模型16/929.1.3 9.1.3 线性应用及理想运放模型（续）线性应用及理想运放模型（续）运放分析特点运放分析特点：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。：芯片内部分析复杂、外部特征特征分析简单。运放分析内容运放分析内容传输特性传输特性(

11、输入与输出信号关系特性输入与输出信号关系特性)频域特性频域特性时域特性时域特性温度特性温度特性噪声特性噪声特性主要分析主要分析内容内容17/921. 线性应用：线性应用：运放输入输出运放输入输出成线性关系的应用。闭环应成线性关系的应用。闭环应用，如用，如“运算电路运算电路”、“有有源滤波电路源滤波电路”等。等。一、一、 线性应用和非线性应用线性应用和非线性应用2. 非线性应用：非线性应用：运放输入输运放输入输出成非线性关系的应用。开出成非线性关系的应用。开环应用，如比较器。环应用，如比较器。输入输入输出输出输入输入输出输出电压放大器电压放大器电压比较器电压比较器18/92二、理想运放模型二、理

12、想运放模型1. 理想运放的性能理想运放的性能1) 开环电压增益开环电压增益Aud=;2) 输入电阻输入电阻Rid=;3)输出电阻输出电阻Ro=0;4)频带宽度频带宽度 F=;5)共模抑制比共模抑制比CMRR=;6)失调、漂移和内部噪声为零。失调、漂移和内部噪声为零。主要条件主要条件条件较难满足，条件较难满足，可采用专用运放可采用专用运放来近似满足。来近似满足。19/92二、理想运放模型（续）二、理想运放模型（续）-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)1） 同相端与反相端呈开路状态。同相端与反相端呈开路状态。2）输出回路为一受控电压源）输出回路为一受控电压源AUd(U+-U-) ， 由

13、于输出电阻由于输出电阻ro=0,所以所以Uo=AUd(U+-U-)。2.理想运放模型理想运放模型20/921、集成运算放大器的转移特性、集成运算放大器的转移特性:u- -u+uouou- - - - u+0线性工作范围线性工作范围正饱和正饱和负饱和负饱和输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅输入差模电压的线性工作范围很小（一般仅十几毫伏），所以常将特性理想化十几毫伏），所以常将特性理想化2、运放线性工作的保障、运放线性工作的保障:两输入端的两输入端的电压电压必须非常接近，才能保障运放工作在必须非常接近，才能保障运放工作在线性范围内，否则，运放将进入饱和状态。线性范围内，否则，运放将进入饱和状态

14、。运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路电路标志标志。集成运算放大器的线性应用集成运算放大器的线性应用运放的输出幅度有限（比运放的输出幅度有限（比电源低电源低 2V左右）左右）;运放的开环电压增益一运放的开环电压增益一般般 10000;21/923. 线性运用状态时主要特征线性运用状态时主要特征1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零 ，称虚断。，称虚断。I+=I-02. 理想运放的同相和反相输入端电位近似相等理想运放的同相和反相输入端电位近似相等 ，称虚短。，称虚短。U+=U-Rid虚断虚断虚

15、短虚短 在分析运算放大器处于线性状态时，可把在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端两输入端视为等电位视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称，这一特性称为虚假短路，简称虚短虚短。虚地虚地 如将运放的同相端接地如将运放的同相端接地U+=0，则，则U-=0,即反相端是一即反相端是一 个不接个不接“地地”的的“地地”，称为，称为“虚地虚地”。虚地点对地的电阻为虚地点对地的电阻为“0”由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为由于理想运放的输入电阻非常高，输入端电流近似为0，在分析处于线性状态运放时，可以把，在分析处于线性状态运放时，可以把两输入端视两输入端视为等效开路为等效开路，这一特性称为

16、虚假开路，简称虚断。，这一特性称为虚假开路，简称虚断。U+-U-=Uo/AU0-U-I-+U+I+Uo+-AUd(U+-U-)运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路运放应用电路中，负反馈是判断是否线性应用的主要电路标志标志。22/924. 饱和工作状态时特征（非线性工作状态）饱和工作状态时特征（非线性工作状态）1) 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2)当当U+U-时，时，Uo为正饱和值为正饱和值； 当当U+UR时，时， 输出应为负饱和值，输出应为负饱和值，Uo为低电平为低电平-VOL。UoRoDz当当UiUR时，输出为正饱和值时，输出为正

17、饱和值， Uo为高电平为高电平VOM。-UOLURUoUiUOM输出电压被限定在输出电压被限定在 （UZ+UD)原理原理 t U i 0 (c) 经 RC 微分电路后的输出 Uo波形 t Uo 0 (a) 输入 U i波形 (b) 输出 Uo波形 Uo 0 t (a) (b) VOH VOL R1 过零比较器 A - + Uo R2 Ui Uid Uo 例例: 电路如图电路如图 (a)所示，当所示，当Ui如图如图 (b)所示时，试画出所示时，试画出Uo及及Uo 的波形。的波形。 图（图（a) 电路电路图图(b) 波形图电路波形图电路一、单门限比较器（续）一、单门限比较器（续）52/92二、迟滞

18、比较器二、迟滞比较器-+R1UiR2URUoRf引入正反馈起加引入正反馈起加速输出电压变化速输出电压变化 UoUiUomUonU2U1原理原理: 当输出当输出Uo为高电平为高电平Uo=Uom时，同相端受到时，同相端受到Uom和和UR同时作用同时作用f2Rff2om21RRURRRURUU 当当UiU 1时，输出将由高电平时，输出将由高电平Uom跳变到低电平跳变到低电平Uon。U 1称为上门限电压，也称正向阈值电压。称为上门限电压，也称正向阈值电压。迟滞比较器迟滞比较器：具有迟滞回环特性，输入电压的变化方向不同，阈值：具有迟滞回环特性，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

19、输出电压只跃变一次。电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。53/92二、迟滞比较器（续）二、迟滞比较器（续）-+R1UiR2URUoRf UoUiUomUonU2U1原理原理: 当输出当输出Uo为低电平为低电平Uo=Uon时，同相端受到时，同相端受到Uon和和UR同时作用同时作用f2Rff2on22RRURRRURUU 当当UiU 2时，输出将由低电平时，输出将由低电平Uon跳变到高电平跳变到高电平Uom 。U 2称为下门限电压，也称负向阈值电压。称为下门限电压，也称负向阈值电压。U 154/92迟滞比较器迟滞比较器上门限电压：上门限电压：f2Rff2om21RRURRRURU

20、下门限电压：下门限电压：f2Rff2on22RRURRRURU 21-UU U 门限宽度：门限宽度：小结：小结：1. 改变基准电压改变基准电压UR可改变上、下门限电压可改变上、下门限电压U 1、 U 2 ， 但不影响门限宽度但不影响门限宽度 U。2. 改变正反馈系数改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响将影响 U和和 U 1、 U 2 。3. Uom、Uon运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值运放的正负饱和电压，可通过加限幅电路限制其值。UoUiUomUonU2U1)-(onomf22UURRR 55/92三、三、比较器的特点及应用比较器的特点及应用1. 工作在工作在开环开环或或正

21、反馈正反馈状态。状态。2.开关特性开关特性，因开环增益很大，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。和低电平两个稳定状态。3.非线性非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。特点：特点：56/92应用：应用：比较器主要用来对输入波形进行比较器主要用来对输入波形进行整形整形，可以将不，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。规则的输入波形整形为方波输出。正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波三、三、比较器的特点及应用（续）比较器的特点及应用（续）有干扰正弦波变换为方波有干扰正弦波变换为方波57/92一、矩形波发生电路

22、一、矩形波发生电路二、三角波发生电路二、三角波发生电路三、脉冲和锯齿波发生电路三、脉冲和锯齿波发生电路58/92一、电压一、电压电流变换电电流变换电路路二、二、RC有源滤波器有源滤波器三、测量放大电路三、测量放大电路四、单电源供电放大电四、单电源供电放大电路路五、线性稳压电路五、线性稳压电路59/92小小 结结 集成运算放大器本质上是一种多级高增益直流放大器，集成运算放大器本质上是一种多级高增益直流放大器，在外部反馈网络配合下，它的输出与输入之间可以灵活地实在外部反馈网络配合下，它的输出与输入之间可以灵活地实现各种特定的函数关系。因而具有对不同信号进行组合、运现各种特定的函数关系。因而具有对不同信号进行组合、运算和处理等多种功能，可实现各种功能电路。算和处理等多种功能，可实现各种功能电路。 采用理想模型分析时要掌握理想运放的主要条件：采用理想模型分析时要掌握理想运放的主要条件： 1. 开环电压增益开环电压增益Aud=; 2. 输入电阻输入电阻Rid=; 3. 输出电阻输出电阻Ro=0; 4.频带宽度频带宽度 F=; 5.共模抑制比共模抑制比CMRR=; 6.失调、漂移和内部噪声为零。失调、漂移和内部噪声为零。60/92小小 结结 理想运放有两种工作作态。理想运放有两种工作作态。线性