第十章运算放大

1、 第第1010章章 集成运算放大器集成运算放大器第 10 章 集成运算放大器10.7 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 集成集成: :它是用一定的生产工艺把它是用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容二极管、电阻、电容、以及它们之间的以及它们之间的连线所组成的整个电路连线所组成的整个电路集成集成在一块半导在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，也称个完整的、具有一定功能的器件，也称为为优优 点：点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻工作稳定、使用方便、体积小、重量轻功耗小，实现了功耗小，实现了

2、元件、电路和系统元件、电路和系统的三的三结合结合电路电路集成电路的分类：集成电路的分类：模拟集成电路、数字集成电路；小、模拟集成电路、数字集成电路；小、 中、大、超大规模集成电路；中、大、超大规模集成电路；集成电路中元器件的特点集成电路中元器件的特点1. 1. 单个的精度不是很高单个的精度不是很高, ,但由于是在同一硅片但由于是在同一硅片上、用相同工艺生产出来的，上、用相同工艺生产出来的，性能比较一致性能比较一致 元器件相互离得很近元器件相互离得很近, ,温度特性较一致温度特性较一致3.3.电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低电阻一般在几十欧至几十千欧、太高或太低都不易制造都不易制造 4.4

3、.电感难于制造电感难于制造, ,电容一般不超过电容一般不超过200pF,200pF,大电容大电容不易制造不易制造 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。模拟集成电路。集成电路分类集成电路分类模拟集成电路：模拟集成电路：数字集成电路数字集成电路:处理数字信号的电路。处理数字信号的电路。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。如集成门电路、编码器、译码器、触发器等。 集成运算放大器、集成集成运算放大器、集成 功率放大器、集成稳压电源、集功率放大器、

4、集成稳压电源、集成成A/D、 D/A 等。等。在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于量大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采间都采用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。用外接的方法。（2）电路结构和参数具有对称性）电路结构和参数具有对称性 由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好。向的偏

5、差，温度均一性好。（1）级间采用直接耦合方式）级间采用直接耦合方式 集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为阻值大约为100 30K，且阻值精度不高，因此常常，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。（3）用有源器件代替无源器件）用有源器件代替无源器件（4）用晶体管代替二极管）用晶体管代替二极管 集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电

6、极三者适当组配使用。射极、基极、集电极三者适当组配使用。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入级：输入级：要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制要求输入电阻高，差模放大倍数高，抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强。采用差分放大零点漂移和共模干扰信号的能力强。采用差分放大电路。电路。中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。本身还应有高的输入电阻，共发射极放大电路构成。本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。以减小对前级的影响。输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负

7、载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。偏置电路：偏置电路：为各级放大电路提供稳定和合适的偏置为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路电流，决定各级的静态工作点，一般由恒流源电路构成。构成。+UCCUEEuu+输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端运算放大器内部结构运算放大器内部结构集成电路的封装集成电路的封装双列直插式塑料封装双列直插式塑料封装管脚数有管脚数有8 8、1010、1212、1414、1616等种类等种类金属壳封装金属壳封装管脚数有管脚数有8

8、8、1010、1212等种类等种类CF741 81723456集成运算放大器的图形符号、引脚集成运算放大器的图形符号、引脚净输入电压净输入电压 运算放大器的符号运算放大器的符号 uD uuuO Ao 同相输入端同相输入端 反相输入端反相输入端 输出端输出端 CF741 1 2 3 48 7 6 5运放举例：CF74122反相输入端反相输入端66输出端输出端33同相输入端同相输入端44负电源端负电源端77正电源端正电源端88闲置端闲置端（NC）1 1、55接调零电位器接调零电位器+ UCCUEE8 7 100 dB231 5 4 6uu+uO 外部接线图外部接线图二、二、电压传输特性电压传输特性

9、 uo= f (ui)运放输入电压和输出电压之间关系的特性曲线，运放输入电压和输出电压之间关系的特性曲线，称为称为传输特性传输特性。从图中看到，实际运放的传输特。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。性与理想运放比较接近。线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +UOM u+ u 时，时， uo = UOM +UOM u+ u uoUOM线性区线性区实际特性实际特性 O饱和区饱和区 运放在不同区工作时的分析运放在不同区工作时的分析方法不同。方法不同。净输入净输入 信号信号xD D 输出信号输出信号 xO 输入信号输入信号 x

10、I放大电路放大电路 Ao 比较环节比较环节 开环放大倍数：开环放大倍数： Ao = xoxD 闭环放大倍数：闭环放大倍数： Af =xo xI 反馈系数：反馈系数： xFxo F =反馈信号反馈信号 xF 反馈电路反馈电路F反馈示意图反馈示意图 正反馈正反馈: xF 与与 xI 作用相同作用相同, 使使 xD 增加；增加； 负反馈负反馈: xF 与与 xI 作用相反作用相反, 使使 xD 减小。减小。 电流反馈：反馈信号取自输出电流，电流反馈：反馈信号取自输出电流，xF iO； 电压反馈：反馈信号取自输出电压，电压反馈：反馈信号取自输出电压，xF uO。 串联反馈串联反馈: xF 与与 xI

11、以串联的形式作用于净输入端；以串联的形式作用于净输入端； 并联反馈并联反馈: xF 与与 xI 以并联的形式作用于净输入端。以并联的形式作用于净输入端。 判断方法：瞬时极性法。判断方法：瞬时极性法。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD uO RFiF R1R2uI iI iD RL正反馈正反馈负反馈负反馈uO RFiF R1R2uI iI iD RL输出端短路法输出端短路法: 令令RL= 0，此时此时 uO=0， 若若 xF = 0 则为电压反馈，否则为电流反馈。则为电压反馈，否则为电流反馈。输出端开路法输出端开路法: 令令RL=，此时，此时 iO=0， 若若 xF = 0

12、 则为电流反馈，否则为电压反馈。则为电流反馈，否则为电压反馈。 Ao RF RL R R1R2 uO uI uF uD 判断方法判断方法 电压反馈电压反馈电流反馈电流反馈uO RFiF R1R2uI iI iD RL Ao RF RL R R1R2 uO uI串联反馈在输入端是以电压的形式出现的；串联反馈在输入端是以电压的形式出现的； 并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。并联反馈在输入端是以电流的形式出现的。 判断方法判断方法 并联反馈并联反馈串联反馈串联反馈 uF uD 负负反反馈馈交流反馈交流反馈直流反馈直流反馈电压串联负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流串

13、联负反馈电流并联负反馈电流并联负反馈稳定静态工作点稳定静态工作点RuRidoXXA ofXXF fidXXX iofXXAfXdXoXiX+ Xo/ XD1XF/ XD = xF AoFxI xD xO = Xo XDXF Xo XI | Af | = | Ao |1| F | Ao | | Af | = 1 | F | | Af | 当当|F |Ao |1，称为深度负反称为深度负反馈馈 | Af | 1，称为，称为深度负反馈深度负反馈，此时：，此时：FA1f 2f11ddAFAA2f1ddAFAAAAAFAAd11dff例例：|A|=300，|F|=0.01。7501. 030013001

14、f AFAA则则：%6d AA若：若：%.%.51)6(01030011 AAAFAAd11d ff 则则：Auiufuduo大大略小略小略大略大略小略小略大略大 uoAF小小接近正弦波接近正弦波正弦波正弦波uiBWAFBW)1 (f无负反馈无负反馈f|Au|uiubeib+在同样的在同样的 ib下下，ui= ube + uf ube，所以所以 rif 提高。提高。irFAr)(if 1biiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：bfbebiifiuuiur uf+bbeiu FArri1fiifbbeiiur 无负反馈时：无负反馈时：有负反馈时：有负反馈时：fbbeiiui

15、ur ibeifiiibube+oof)1 (rAFrAFrr1oof 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，即有恒流输出特性，故输出电阻提高。即有恒流输出特性，故输出电阻提高。 开环电压放大倍数：开环电压放大倍数：Ao 开环输入电阻：开环输入电阻：ri 开环输出电阻：开环输出电阻：ro0 共模抑制比：共模抑制比：KCMR u uuO uD 理想运放的符号理想运放的符号 uO = UOMUCC (2) 当当 uu时，时， 即即

16、uD 0 OuOuD+UOMUOM 不加反馈时，稍有不加反馈时，稍有 uD 即进入饱和区。即进入饱和区。理想运算放大器理想运算放大器的电压传输特性的电压传输特性iD 反馈电路反馈电路 u uuO (1) Ao uOAouD = 0 u = u (2) ri uD riiD = 0 (3) ro0 uOL= uOC 故称为虚短路。故称为虚短路。 故称为虚开路。故称为虚开路。 即输出电压不受负载的影响。即输出电压不受负载的影响。引入负反馈后的理想运放引入负反馈后的理想运放 u u+ uo F007F007运算放大器的运算放大器的正、负电源电压为正、负电源电压为15V15V，开环电压放，开环电压放大

17、倍数大倍数AU0=2 105, ,输出最大电压（即输出最大电压（即 Uo(sat)为为13V。mVtuuiwsin5Vu0ouVu(mV),tu0sin5wVUuVuuVUuVuusatoosatoo130130)()(时，时，mVtuuiwsin5Vu0ouVu(mV),tu0sin5wVUuVuuVUuVuusatoosatoo130130)()(时，时，tuituo+Uo(sat)Uo(sat) 集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、

18、反行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。对数、乘法和除法等运算。 运算放大器工作在线性区时，通常要引入深运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。实现不同的运算。1i1RuuiFofRuui （1）电路组成）电路组成 以后如不加说明，输入、以

19、后如不加说明，输入、输出的另一端均为地输出的另一端均为地( )。（2）电压放大倍数）电压放大倍数因因虚短虚短, 所以所以u=u+= 0，称反相输入端称反相输入端“虚虚地地” 反相输入的重要反相输入的重要特点特点因因虚断，虚断，i+= i = 0 ， i1FouRRu ifi1ii+1FiofRRuuAu uoRFuiR2R1+ 所以所以 i1 if 因要求静态时因要求静态时u+、 u 对对地电阻相同，地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RF1iofuuAu例：例：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知 R1= 10 k ，RF = 50 k 。求：求：1. Auf 、

20、R2 ； 2. 若若 R1不变，要求不变，要求Auf为为 10，则，则RF 、 R2 应为应为 多少？多少？解：解：1. Auf = RF R1 = 50 10 = 5R2 = R1 RF =10 50 (10+50) = 8.3 k 2. 因因 Auf = RF / R1 = RF 10 = 10 故得故得 RF = Auf R1 = (10) 10 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ uoRFuiR2R1+ ou(mV)6280sintuimVtRRuRRu6280sin1Fi1Fotuo-RF/R1RF / R1tui11o

21、F11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui i1Fo)1(uRRu （1）电路组成）电路组成（2）电压放大倍数）电压放大倍数1Fiof1RRuuAu uoRFuiR2R1+ 因因虚短，虚短，所以所以 u = ui ，反相输入端不反相输入端不“虚地虚地” 因要求静态时因要求静态时u+、u 对地对地电阻相同，电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFu+u 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。称电压跟随器。uoRFuiR2R1+ 由运放构成的电压跟由运放构成的电压跟 随器随器输入电阻高、输出输入电阻高、输出 电阻低，

22、电阻低，其跟随性能比其跟随性能比 射极输出器更好。射极输出器更好。uoui+ uo+ 15k RL15k +15V 7.5k 例例1：11RuioiFuVuKRKRKRKR求1,18,2,10,2321FOFRuuiFOFRuuRuii11uRRRuFo11uuoiuuRRRu323iFuRRRRRR3231111Ruii)1 (,4314RRRRuuARRFioufF试证：uoRFuiR25R1+ R4R3FFRui4Fi4u+4444RRiRuiFF4i41RRRuFi3i14143RuRRRuiiiiFiF1314143)(RuRRRuRRRuuuuiFiFioiFFuRRRRRR) 1

23、(3431) 1(4314RRRRARRFufFiFouRRu11uoRFuiR2R1+ R/2R+ R电路第一级的输出电路第一级的输出uo1，第一级为反相比例电路，有：，第一级为反相比例电路，有：电路第二级也为反相比例电路电路第二级也为反相比例电路iFoouRRuRRu112iFoooouRRuuuu121222 例例 10.5.1 应用运放来测量电阻的原理电路如图所示，应用运放来测量电阻的原理电路如图所示， 其中其中 uI =U = 10V，输出端接有满量程为输出端接有满量程为 5V 的电压表，被的电压表，被测电阻为测电阻为Rx。(1) 试找出被测电阻的阻值试找出被测电阻的阻值Rx与电压表

24、读数之与电压表读数之间的关系；间的关系；(2)若使用的运放为若使用的运放为CF741型，为了扩大测量电阻型，为了扩大测量电阻的范围，将电压表量程选为的范围，将电压表量程选为 50V是否有意义？是否有意义？解解 (1) uO Rx R1uI U V 05V1M 10Vx 1uO = uI 1 uIx = uO 106 10 = uO =105 uO 电压表读数电压表读数 uO V 12345被测电阻值被测电阻值 Rx 1052105310541055105所以所以: (2) 查附录可知，查附录可知，CF741 型集成运放的最大输出电压为型集成运放的最大输出电压为 13 V，超出此值时输入与输出不

25、再有线性关系，超出此值时输入与输出不再有线性关系， 所以，选用所以，选用 50 V 量程的电压表是没有意义的。量程的电压表是没有意义的。 因因虚短虚短, u= u+= 0Fo2i2i1i1i RuRuRu 故故得得 平衡电阻：平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RFii2ii1ifFo2i2i1i1iRuuRuuRuu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+因因虚断虚断，i = 0 所以所以 ii1+ ii2 = if )(2i2iF1 i1 iFouRRuRRu1i2i1i2iuRRRu 同理，同理，ui2单独作用时单独作用时 1F o)1( uRRu? u2i2i1i1i1F

26、o)1(uRRRRRu 1i2i1i2i1F)1 (uRRRRR )(1(2i2i1i1i1i2i1i2i1FouRRRuRRRRRu ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ uRRu)1(1F o2i3 231F)1(uRRRRR 1i1F2i3 231F)1(uRRuRRRRR u+1i1F ouRRu oo ouuu ui2uoRFui1R3R2+ R1+：)(i21ouuui -3tui2 3tui1t-33ui2uoRFui1R12R11+ R2+：910uoui1+ + k1k10k10k5ui2k2ui3k10k1 . 111o110110iiuuu第一级为反相比例电路第一级

27、为反相比例电路第二级为反相加法电路第二级为反相加法电路321321o5210)2105101010(iiiiiouuuuuuu由虚断可得：由虚断可得：2i3 23uRRRu 由虚短可得：由虚短可得： uuui2uoRFui1R3R2+ R1+ 如果取如果取 R1 = R2 ，R3 = RF )(1i2i1FouuRRu 则：则： 如如 R1 = R2 = R3 = RF 1i2iouuu 则则：R2 / R3 = R1 / RF输出与两个输入信号的差值成正比。输出与两个输入信号的差值成正比。1 i1F2i3231Fo)1 (uRRuRRRRRu1F1o1 i1 i RRRuuu1R1 i uu

28、u例例1 1：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压：图示是集成电路的串级应用，试求输出电压ouR R2 2R R1 1R RF Fu uo ou ui2i2u ui1i1R R2 2R R1 1R RF Fu uo oA A1 1A A2 2A1A1是电压跟随器，是电压跟随器，i1o1uuA2A2是减法运算电路，是减法运算电路，o11Fi21Fo1uRRuRRui11Fi21F1uRRuRR例题例题2. R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V， ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo_+ + R2R1R1R2ui1_+ + ui2_+ + R2R1RPuo=

29、 (uo2- uo1)=(20/10)3-(-1) =8VR2R1uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V：1111o1)11 ()1 (iiuKuRKRu第一级为同相比例电路第一级为同相比例电路uoui1+ + 1RKR /12Rui22KR第二级为减法电路第二级为减法电路21222122o)1 ()11 ()1 (iiiouKuKKuRKRuRKRu)(1 ()1 ()1 (1221iiiiuuKuKuKuoui1+ + 1RKR /12Rui22KRui2uoRFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui4ui2uo1RFui1R3R21+ R12R11R2

30、2ui3ui4ui2uo2RFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui41111iFouRRu2122iFouRRuui2uo4RFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui4ui2uo3RFui1R3R21+ R12R11R22ui3ui431211322213223)/1 (/iFouRRRRRRRRu41211321223214)/1 (/iFouRRRRRRRRu4321ooooouuuuu 例例 10.5.2 如图为两级运放组成的电路，如图为两级运放组成的电路，已知已知 uI1 = 0.1 V，uI2 =0.2 V，uI3 =0.3 V，求，求 uO。uI1uI2uI3

31、 + uO 30 k 30 k 30 k 10 k 10 k 10 k 10 k 10 k F1 12 F1 11uO1=( uI1 uI2 )第一级为加法运算电路：第一级为加法运算电路： 解解第二级为减法运算电路：第二级为减法运算电路： R5R4 + R5RF2R3 (1 ) uI3 F23 uO1 uO= = 0.3 V= 0.6 V 由虚短及虚断性质可得由虚短及虚断性质可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1otuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuCtt d1 ooiF10tutuCRtt cuuo tUCRud