第5章集成运算放大器n.

1、 课程的基本描述课程的基本描述课程名称：课程名称：数字电路综合设计数字电路综合设计Comprehensive design of digital circuit课程编号：课程编号：040115HI06课程性质：课程性质：学科、专业基础学科、专业基础适用专业：适用专业：计算机科学与技术计算机科学与技术参考教材：参考教材：理论理论叶挺秀叶挺秀. 电工电子学电工电子学. 第四版第四版. 北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，2014年年毛法尧毛法尧. 数字逻辑（第二版）北京：高等教育出版社，数字逻辑（第二版）北京：高等教育出版社，2008年年实验实验总总 学学 时：时：32学时学时理论学时：理

2、论学时：12学时学时实验学时：实验学时：无无上机学时：上机学时：无无翻转、案例翻转、案例实践、创新实践、创新实践：实践：20学时学时学学 分：分：2学分学分开课学期：开课学期：第三学期第三学期前导课程：前导课程：数字电路及逻辑数字电路及逻辑后续课程：后续课程：计算机组成原理、数据结构、微机接口技术、数字系统设计计算机组成原理、数据结构、微机接口技术、数字系统设计第第5章章 集成运算放大器集成运算放大器常见集成运放芯片简介常见集成运放芯片简介5.1 5.1 集成运放的基本组成集成运放的基本组成 5.1.1 概述概述 运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合运算放大器实际上就是一个高增益的多级

3、直接耦合放大器，广泛应用于模拟信号的放大器，广泛应用于模拟信号的运算、放大、滤波运算、放大、滤波等功能。等功能。 集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器集成运算放大器则是利用集成工艺，将运算放大器的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装的所有元件集成制作在同一块硅片上，然后再封装在管壳内。在管壳内。 集成运算放大器简称为集成运放，习称运放。使用集成运算放大器简称为集成运放，习称运放。使用集成运放，只需另加少数几个外部元件，集成运放，只需另加少数几个外部元件， 就可以就可以方便地实现很多电路功能。可以说，集成运放已经方便地实现很多电路功能。可以说，集成运放已经成为模拟电子技术领域中的成

4、为模拟电子技术领域中的核心通用器件核心通用器件之一。之一。集成运放基本组成框图集成运放基本组成框图 5.1.2集成运放的输入级电路集成运放的输入级电路- -基本差动放大电路基本差动放大电路 1 1 由两个由两个对称对称的单管共射放大电路组成的的单管共射放大电路组成的 Vl和和V2是两只特性是两只特性相同的三极管、相同的三极管、 RB1= RB2，RCl=RC2 2 2 对零点漂移的抑制作用对零点漂移的抑制作用电路完全对称，由此，当电路完全对称，由此，当u uI I=0=0时，时，u uOl=Ol=u uO2O2，u uO O= =u uOlOl- -u uO2O2=0=0。如果由于某种原因，使

5、两管集电极。如果由于某种原因，使两管集电极电流发生变化，那么，它们各自的变化量大小相等，电流发生变化，那么，它们各自的变化量大小相等，方向相同。即方向相同。即u uOlOl=u uO2O2，则输出变化量，则输出变化量u uO O=u uOlOlu uO2O2=0=0，说明抑制了零点漂移。，说明抑制了零点漂移。3 3 差模放大倍数差模放大倍数 差模信号差模信号：幅度相等极性相反的信号：幅度相等极性相反的信号 差模输入方式：差模输入方式： 若令单管电路的电压放大倍数均为若令单管电路的电压放大倍数均为A1 ，则有：，则有： ）（）（i1o2i1o1U21AUU21AU差动放大电路的输出差动放大电路的

6、输出uO为：为： ioooAUUUU21差模放大倍数（差模放大倍数（Ad）为：）为： Ad =A1 差动放大电路的差模电压放大倍数与构成它的单管电路的差动放大电路的差模电压放大倍数与构成它的单管电路的电压放大倍数相同。可以认为差动式电路的特点之一是多电压放大倍数相同。可以认为差动式电路的特点之一是多用一只放大管来换取对零点漂移的抑制。用一只放大管来换取对零点漂移的抑制。 射极耦合差动放大电路射极耦合差动放大电路4 4电路分析电路分析 （1）静态分析）静态分析假定电路完全对称假定电路完全对称 ，uI=0时，则基极电流时，则基极电流IBl=IB2=IB，集电极，集电极电流电流ICl=IC2=IC。

7、于是在。于是在Vl和和V2的基极回路中有如下关系：的基极回路中有如下关系：IBRB+uBE+IERE=EE。近似条件下：。近似条件下： EEECREII22集电极静态电流集电极静态电流IC为：为： 基极静态电流基极静态电流IB为：为： EECBREII2 每管的每管的集集-射电压射电压为：为： 静态时静态时基极电位基极电位UB为：为： uCEVCCICRCVCC EECRER2BBBRIU（2 2）动态分析）动态分析 按图按图5.3所示计算其交流参数所示计算其交流参数 差模电压放大倍数为：差模电压放大倍数为： bebCdrRRAAA21输入电阻输入电阻ri为：为： ri = 2（Rb+rbe）

8、 差模输出电阻差模输出电阻ro为：为： ro=2RC 4 4 差动放大电路的连接方式差动放大电路的连接方式 可以组合成四种不同的连接方式，即：可以组合成四种不同的连接方式，即：双端输入双端输出、双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。 详见表详见表5.1bebCdrRRA）（/2RL)(2bebirRrCoRr2bebCdrRRA）（LR21)(2bebirRrCoRr bebCdrRRA）（/2RL)(2bebirRrCoRr2bebCdrRRA）（LR21)(2bebirRrCoRr 接法电路原理图差分放

9、大倍数输入输出电阻共模抑制比特点双端输入双端输出很高放大倍数与单管相同电路对称时共模抑制比 适用于输入输出对称电路双端输入单端输出较高放大倍数为单管的一半共模抑制比仍然很高 适用于将差动信号转换为单管信号的情况单端输入双端输出很高放大倍数与单管相同电路对称时共模抑制比 适用于将单端输入转为双端输出电路单端输入单端输出较高放大倍数为单管的一半共模抑制比仍然很高 适用于输入输出都要接地的情况。5.1.35.1.3集成运放的输出级电路集成运放的输出级电路- -互补对称电互补对称电路路工作原理：工作原理：ui为正半周时，为正半周时，T1管工作，管工作，T2管截止，输出管截止，输出uo为正；为正；ui为

10、负半周时，为负半周时，T2管工作，管工作，T1管截止；输出管截止；输出uo为负。为负。两管交替工作，在负载电阻两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。上得到完整的正弦波。 uuVCCVCCoiLR输入输出波形图输入输出波形图uiuououo 交越失真交越失真死区电压死区电压uuVCCVCCoiLR2. 克服交越失真的互补对电路克服交越失真的互补对电路 静态时，静态时，T1、T2两管发射两管发射结电压分别为二极管结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。状态，以消除交越失真。 电路中增加电路中增加 D1

11、、D2工作原理工作原理 ： uuRoLi2R1DD2VCC1RVCC5.1.4 5.1.4 集成运放的图形符号集成运放的图形符号集成运放的特点：集成运放的特点：电压增益高电压增益高输入电阻大输入电阻大输出电阻小输出电阻小反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端国内符号：国内符号：国际符号：国际符号： 1.输入失调电压输入失调电压UIO 输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内即为折算到输入端的失调电压。是表征运放内部电路对称性的指标。部电路对称性的指标。5.2.1 集成运放的主要参数5.2 5.2 集成

12、运放的基本特性集成运放的基本特性 2.输入失调电流输入失调电流 IIO 在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。于表征差分级输入电流不对称的程度。 3.输入偏置电流输入偏置电流IIB ： 输入电压为零时，输入电压为零时，运放两个输入端偏置电流的平均值，运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。 2B1BIB21III 4.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 Aod ： 无反馈时的差模电压增益。无反馈时的差模电压增益。一般一般Aod在在10

13、0120dB左右，高增益运放可达左右，高增益运放可达140dB以上。以上。 UUUAood 5.最大差模输入电压最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。差分管将出现反向击穿现象。 6.最大共模输入电压最大共模输入电压Vicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。去共模抑制能力。 7.共模抑制比共模

14、抑制比 KCMR ： KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB) 其典型值在其典型值在80dB以上，性能好的高达以上，性能好的高达180dB。 8.最大输出电压最大输出电压Vomax 在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。如电源电压为真的最大输出电压峰值。如电源电压为15V时，时，V Vomaxomax约为约为13V13V。 9.最大输出电流最大输出电流Iomax 在额定电源电压下达到最大输出电压时所能输出的最大在额定电源电压下达到最大输出电压时所能输出的最大电流。通用一般几到几十毫安。电流。通用一般几到几十

15、毫安。 10.输入电阻输入电阻ri和输出电阻和输出电阻ro 集成运放输如电阻集成运放输如电阻ri为双极型管输入级约为为双极型管输入级约为1051011欧，场效应管输入级可达欧，场效应管输入级可达1011欧以上。欧以上。 集成运放输出电阻集成运放输出电阻ro ，是从输出端看进去的等效电阻，是从输出端看进去的等效电阻，一般为几十至几百欧。一般为几十至几百欧。5.2.2 集成运放的电压传输特性 所谓电压传输特性是指放大电路的输出电压与输所谓电压传输特性是指放大电路的输出电压与输入电压之间的函数关系。即入电压之间的函数关系。即： uo= Ao ui = Ao ( u+u- ) 当ui =u+-u- 较

16、小，即在-uik 到+uik 之间变化时，输出与输入之间呈线性关系，-uik 到+uik 称为线性区。 开环电压增益开环电压增益A Aodod。 差模输入电阻差模输入电阻r ridid。 输出电阻输出电阻r rodod00。 共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR，5.2.3 集成运放的理想特性集成运放的理想特性 传输特性传输特性 ：称为理想运放输入端的称为理想运放输入端的“虚短虚短”。如果同相输入端接地时，反相输入端称为如果同相输入端接地时，反相输入端称为虚地虚地 +=-0 称为称为虚断虚断。同样，。同样，“虚断虚断”与与“断路断路”不同，不同，“虚断虚断”是指某一支路的电流十分微小是指某一

17、支路的电流十分微小 0AUUUUOdOi（1 1）运放工作在线性工作区时的特点）运放工作在线性工作区时的特点集成运放工作时的特点集成运放工作时的特点理想运放的差模输入电压等于零：理想运放的差模输入电压等于零：由于由于uo为有限值，理想运放为有限值，理想运放Aod= ，则输入电为无穷小则输入电为无穷小ui0。即。即 理想运放的输入电流等于零：由于理想运放的输入电流等于零：由于 rid= ，两个输入端均没有电流，即，两个输入端均没有电流，即 （2 2）运放工作在非线性工作区时的特点）运放工作在非线性工作区时的特点非线性工作区非线性工作区是指其输出电压是指其输出电压uo与输入电压与输入电压uI不成比

18、例时不成比例时的输入电压取值范围。的输入电压取值范围。 在非线性工作区，运放的输入信号超出了线性放大的范围，在非线性工作区，运放的输入信号超出了线性放大的范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和饱和，输出，输出电压为正向饱和压降电压为正向饱和压降UOH(正向最大输出电压正向最大输出电压)或负向饱和或负向饱和压降压降UOL(负向最大输出电压负向最大输出电压)。 集成运放工作在非线性区时的条件：集成运放工作在非线性区时的条件：集成运放一般是开环运用或加正反馈。集成运放一般是开环运用或加正反馈。 输出电压有两种形态输出电压有两种形态： （1）当）当

19、时时 ，（2）当）当 时时 ， 。5.3 5.3 放大器中的负反馈放大器中的负反馈5.3.1 反馈的基本概念反馈的基本概念 在电子设备中经常采用反馈的方法来改善电路的在电子设备中经常采用反馈的方法来改善电路的性能，以达到预定的指标。性能，以达到预定的指标。 将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量全部，通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量（电压或电流）的连接方式。（电压或电流）的连接方式。主要功能分两部分：主要功能分两部分：基本放大电路基本放大电路放大信号放大信号反馈网络反馈网络传输反馈信号传输反馈信

20、号基本放大电路的输入信号为基本放大电路的输入信号为净输入量净输入量，由输入信，由输入信号（输入量）和反馈信号（反馈量）共同决定。号（输入量）和反馈信号（反馈量）共同决定。 反馈信号中只含有交流分量的称为反馈信号中只含有交流分量的称为交流反馈交流反馈。或者说。或者说存在于交流通路中的反馈网络引入交流反馈。交流反馈影存在于交流通路中的反馈网络引入交流反馈。交流反馈影响电路的交流性能。本章主要是研究交流负反馈。响电路的交流性能。本章主要是研究交流负反馈。1. 直流反馈与交流反馈直流反馈与交流反馈 在放大电路中既含有直流分量，又含有交流分量，因在放大电路中既含有直流分量，又含有交流分量，因而，必然有直

21、流反馈与交流反馈之分。而，必然有直流反馈与交流反馈之分。 反馈信号中只含有直流分量的称为反馈信号中只含有直流分量的称为直流反馈直流反馈。或者说。或者说存在于放大电路的直流通路中的反馈网络引入直流反馈。存在于放大电路的直流通路中的反馈网络引入直流反馈。直流反馈影响电路的直流性能，如静态工作点。直流反馈影响电路的直流性能，如静态工作点。 另一种是使净输入信号另一种是使净输入信号Xid比没有引入反馈时增加了，有比没有引入反馈时增加了，有 Xid=Xi+Xf，称这种反馈为，称这种反馈为正反馈正反馈。2. 负反馈与正反馈负反馈与正反馈 反馈信号反馈信号Xf送回到输入回路与原输入信号送回到输入回路与原输入

22、信号Xi共同作用共同作用后，对净输入信号后，对净输入信号Xid的影响有两种结果：的影响有两种结果： 一种是使净输入信号一种是使净输入信号Xid比没有引入反馈时减小了，有比没有引入反馈时减小了，有Xid=Xi-Xf，称这种反馈为，称这种反馈为负反馈负反馈；放大电路中一般引入负反馈。放大电路中一般引入负反馈。3. 电压反馈与电流反馈电压反馈与电流反馈 在反馈放大电路中，反馈网络把输出电量（输出电压在反馈放大电路中，反馈网络把输出电量（输出电压或输出电流）的一部分或全部取出来送回到输入回路，因或输出电流）的一部分或全部取出来送回到输入回路，因此，在放大电路输出端的取样方式有两种：此，在放大电路输出端

23、的取样方式有两种： 一种是电压取样，这时反馈信号是输出电压的一部分一种是电压取样，这时反馈信号是输出电压的一部分或全部，即反馈信号与输出电压成正比（或全部，即反馈信号与输出电压成正比（xf=Fuo），称为称为电压反馈电压反馈。 另一种是电流取样，这时反馈信号是输出电流的一部另一种是电流取样，这时反馈信号是输出电流的一部分或全部，即反馈信号与输出电流成正比分或全部，即反馈信号与输出电流成正比（xf=Fio），），称为称为电流反馈电流反馈。 4. 串联反馈与并联反馈串联反馈与并联反馈 根据反馈信号根据反馈信号XF与输入信号与输入信号XI在放大电路输入端的求在放大电路输入端的求和方式可分为和方式可分

24、为串联反馈和并联反馈串联反馈和并联反馈。串联反馈：串联反馈：并联反馈：并联反馈：以电压方式求和的称为以电压方式求和的称为串联反馈。串联反馈。以电流方式求和的称为以电流方式求和的称为并联反馈。并联反馈。5.3.2 反馈的判断反馈的判断 主要看反馈通路是否真正从输出端引回到输入端并主要看反馈通路是否真正从输出端引回到输入端并对净输入产生影响。对净输入产生影响。+ (a)uiuo+ (c)uiuoui+ (b)uo1、如何判断反馈存在、如何判断反馈存在无反馈无反馈有反馈有反馈无反馈无反馈本级反馈：本级反馈：存在于本级基本放大电路中的反馈。存在于本级基本放大电路中的反馈。级间反馈：级间反馈：存在于后级

25、与前级放大电路间的反馈。存在于后级与前级放大电路间的反馈。2.是正反馈还是负反馈的判断是正反馈还是负反馈的判断 瞬时极性法瞬时极性法 规定输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依规定输入信号在某一时刻对地的极性，并以此为依据，逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的据，逐级判断电路中各相关点电流的流向和电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使基本放极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使基本放大电路的净输入信号增强，则说明引入正反馈；若大电路的净输入信号增强，则说明引入正反馈；若反馈信号使基本放大电路的净

26、输入信号削弱，则说反馈信号使基本放大电路的净输入信号削弱，则说明引入了负反馈。明引入了负反馈。uDuPuNuFuDuPuNuF运放的同相端与反相端与输出端信号之间的相位关系：运放的同相端与反相端与输出端信号之间的相位关系：同相端的输入信号与输出端信号之间同相同相端的输入信号与输出端信号之间同相反相端的输入信号与输出端信号之间反相反相端的输入信号与输出端信号之间反相负反馈负反馈正反馈正反馈 )uu(uFiD )uu()u(uuFiFiD正反馈系统是不稳定系统，不能用作线性放大，一般用于振荡电路。 对分离元件的对分离元件的分析中三极管的集电极与基极分析中三极管的集电极与基极电压相位相反。电压相位相

27、反。 反馈反馈分析的是交流信号变化，不要与直流信分析的是交流信号变化，不要与直流信号混淆。号混淆。分析中用到的电压、电流要在电路中标出。分析中用到的电压、电流要在电路中标出。并且注意符号的使用规则。并且注意符号的使用规则。如果反馈对交直流均起作用，可以用全量。如果反馈对交直流均起作用，可以用全量。 当为当为交流反馈时，瞬时极性法所判断的是交流反馈时，瞬时极性法所判断的是相相位的关系位的关系。电路中两个信号的相位。电路中两个信号的相位不是同相不是同相就是反相就是反相。3. 直流反馈、交流反馈的判断直流反馈、交流反馈的判断 看反馈通路传送的是交流信号还是直流信号，或看反馈通路传送的是交流信号还是直

28、流信号，或者两者都有。者两者都有。存在于直流通路中的反馈为直流反馈。存在于直流通路中的反馈为直流反馈。存在于交流通路中的反馈为交流反馈。存在于交流通路中的反馈为交流反馈。直流通路、交流通路中均存在的反馈为直流通路、交流通路中均存在的反馈为交直流反馈。交直流反馈。4. 电压反馈、电流反馈的判断电压反馈、电流反馈的判断 从从输出端输出端看，假设看，假设负载短路（负载短路（RL=0），），使使输出输出电压电压uo=0，看反馈信号是否还存在：，看反馈信号是否还存在：输出短路法：输出短路法： 若若反馈信号不存在反馈信号不存在了，则说明反馈信号与输了，则说明反馈信号与输出电压成比例，是出电压成比例，是电压

29、反馈电压反馈； 若若反馈信号存在反馈信号存在，则说明反馈信号不是与输，则说明反馈信号不是与输出电压成比例，而是和输出电流成比例，是出电压成比例，而是和输出电流成比例，是电流电流反馈反馈。RLuoRLuo电压反馈采样的两种形式：电压反馈采样的两种形式：采样电阻很大采样电阻很大电流反馈采样的两种形式：电流反馈采样的两种形式：RLioiERLioiERf采样电阻很小采样电阻很小5串联反馈与并联反馈的判断串联反馈与并联反馈的判断 从输入端看，输入信号与反馈信号的求从输入端看，输入信号与反馈信号的求和方式是电压求和还是电流求和：和方式是电压求和还是电流求和：若输入信号与反馈信号的求和方式是若输入信号与反

30、馈信号的求和方式是电压求电压求和则为串联反馈和则为串联反馈；若输入信号与反馈信号的求和方式是若输入信号与反馈信号的求和方式是电流求电流求和则为并联反馈和则为并联反馈。iifibib=i-if并联反馈并联反馈ufuiubeube=ui-uf串联反馈串联反馈判断反馈电路的一般步骤：判断反馈电路的一般步骤： 根据输出输入之间有无实质性的连接判断电路有根据输出输入之间有无实质性的连接判断电路有无反馈无反馈 反馈网络存在于直流通路则为直流反馈；存在于反馈网络存在于直流通路则为直流反馈；存在于交流通路则反馈为交流反馈；交流、直流通路均交流通路则反馈为交流反馈；交流、直流通路均存在的反馈为交直流反馈存在的反

31、馈为交直流反馈 用用输出短路法输出短路法判断是电压反馈还是电流反馈判断是电压反馈还是电流反馈 根据根据输入求和方式输入求和方式判断是串联反馈还是并联反馈判断是串联反馈还是并联反馈 用用瞬时极性法瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈判断是正反馈还是负反馈 5.4.1 比例运算比例运算 5.4.2 加法与减法运算加法与减法运算 5.4.3 积分与微分运算积分与微分运算5.4 5.4 集成运放在模拟信号运算方面的应用集成运放在模拟信号运算方面的应用5.4.1 比例运算比例运算一、反相比例运算一、反相比例运算运算放大器在线性应用运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断时同时存在虚短和虚断0 ii虚断虚断F

32、 1 ii -0 uu虚地虚地fFORiu 1f11fFiofRRRiRiuuAu 若若Rf = R1 Auf = -1 称为反相器称为反相器 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+ oF11uRRRu 因因虚断，虚断，所以所以u+ = ui 1Fiof1RRuuAu 因因虚短，虚短，所以所

33、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 对地电阻相同，对地电阻相同， 所以所以平衡电阻平衡电阻R2=R1/RFuoRFuiR2R1+ u+u二、同相比例运算二、同相比例运算 当当 R1= 且且 RF = 0 时，时，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，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+ 例：例：1Fiof1RRuuAu uo=ui 电压跟随器电压跟随器5.4.2 加法与减法运算加法与减法运算一、加法运算一、加法运算1. 反相加

34、法运算反相加法运算R3 = R1 / R2 / RfiF i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2) R2 / R3 / R4 = R1/ Rf uRRu)1(1fO)/)(1(I242342I1432431fOuRRRRRuRRRRRRRu I242342I143243/uRRRRRuRRRRRu 若若 R2 = R3 = R4 ，则则 uO = uI1+ uI2 Rf = 2R1 2. 同相加法运算同相加法运算法法 1：利用叠加定理：利用叠加定理uI2 = 0 uI1 使：使：I11fO1

35、uRRu uI1 = 0 uI2 使：使： uRRu)1(1fO22If1f1f2O)1(uRRRRRu 一般一般R1 = R 1； Rf = R fuO = uO1 + uO2 = Rf / R1( uI2 uI1 )法法 2：利用虚短、虚断：利用虚短、虚断f1fI1f11ORRRuRRRuu f1fI2RRRuu uuo = Rf /R1( uI2 uI1 )减法运算实际是差分电路减法运算实际是差分电路二、减法运算二、减法运算U=10V =410-3()-1Rt (0) =51Rt (25) =56.1Ua=R2/(R1+R2)U=5VUb=R3/(R3+Rt)U=4.762VU0=(R6

36、/R4)(Ua-Ub)=2.38V例：利用差分放大电路和电桥测量温度例：利用差分放大电路和电桥测量温度一、积分运算一、积分运算1I1Rui tuCiddoF =)0(d1oIf1CutuCRu 当当 uI = UI 时，时，f1IoCRtUu 设设 uC(0) = 0 时间常数时间常数 = R1Cf积分电路输出电压：积分电路输出电压：tuOO5.4.3 积分与微分运算积分与微分运算tuCiddI11 R2 = Rf虚地虚地F 1 ii 虚断虚断tuCRRiuddI1ffFO RfC1 = 时间常数时间常数微分电路输出电压微分电路输出电压:二、微分运算二、微分运算 uItOuOtO5.55.5

37、集成运放在幅值比较方面的应用集成运放在幅值比较方面的应用5.5.1 开环工作的比较器开环工作的比较器5.5.2 滞回比较器滞回比较器 5.5.1 开环工作的比较器开环工作的比较器uoui0+Uom-UomUR传输特性传输特性UR：参考电压：参考电压 ui ：被比较信号：被比较信号 +uouiUR特点：运放处于开环状态。特点：运放处于开环状态。当当ui UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 一、一、若若ui从同相端输入从同相端输入 +uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 二、二、 若若ui从反相端输入从反相端输

38、入 uoui0+UOM-UOM+uoui三、过零比较器三、过零比较器: (UR =0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM +uouitui例：例：利用电压比较器将正利用电压比较器将正弦波变为方波。弦波变为方波。uot+Uom-Uom 分析分析1. 因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以输出饱和。输出饱和。2. 当当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM)U+HomUURRRU2113. 当当uo负饱和时负饱和时(uo =UOM)LomUURRRU211+uoRR2R1ui参考电压由参考电压由输出电压决定输出电压决定5.5.2 滞回比较器滞回比较器特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反

39、馈， 运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。1. 没加参考电压的下没加参考电压的下行迟滞比较器行迟滞比较器 omHURRRU211omLURRRU211分别称分别称UH和和UL上下门限电压上下门限电压。称。称(UH - UL)为为回差或回差或门限门限宽度宽度。当当ui 增加到增加到UH时，输出时，输出由由Uom跳变到跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当当ui 减小到减小到UL时，输出时，输出由由-Uom跳变到跳变到Uom 。传输特性：传输特性：UHULuoui0Uom-Uom tuiUom-UomtuiUHUL例：例：下行迟滞比较器的下行迟滞比较器的输入为正弦波时，输入为正弦波时，画出输出

40、的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1ui RomHURRRURRRU212211RomLURRRURRRU2122112. 加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的上下限：加上参考电压后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL 例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiUR5V10Vuit0 门限电压：门限电压：V2212211RomLURRRURRRU+UOM-UOM根据传输特性画输出波

41、形图根据传输特性画输出波形图uiuott10V5V002VV10212211RomHURRRURRRU +uoRR2R1ui+uoRR2R1ui3 3、上行迟滞比较器、上行迟滞比较器没加参考电压的没加参考电压的上行迟滞比较器上行迟滞比较器 加上参考电压后的加上参考电压后的上行迟滞比较器上行迟滞比较器UR5.7 5.7 常见集成运放芯片简介常见集成运放芯片简介 （1）LM324 ：集成了集成了4个通用运算放大器，适合需个通用运算放大器，适合需要使用多个运放放大器且输入电压范围相同的运算电路。要使用多个运放放大器且输入电压范围相同的运算电路。 （2）LM358： LM358是双运算放大器。内部包括

42、有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 正弦波和非正弦波常常作为信号源，被广泛地应用于无线电通信、自动测量及自动控制等系统中。电子技术实验中使用的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路，大功率的正弦波振荡电路还可以直接为工业生产提供能源。 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 6.2 多谐振荡器多谐振荡器 6.3 单稳态触发器和施密特触发器单稳态触发器和施密特触发器6.1.1 正弦波振荡器的基本

43、原理一、自激振荡的条件一、自激振荡的条件iUOUfUF开关合在 “1”：iOUAUu 开关合在“2” ：fOUAUu ifUU 如果：如果： 正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦波信号的电路，电路中只有直流源而没有外接信号源。其频率范围很广，可以从零点几Hz到几百MHz以上，其输出功率可以从几mW到几十mW。 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU 即：即：iiofUUFAUFU 1 AF1 AF幅度平衡条件幅度平衡条件相位平衡条件相位平衡条件二、正弦波振荡器的起振过程二、正弦波振荡器的起振过程1 AF nF

44、A2 起振条件：起振条件：合闸后：合闸后：信号信号小小大大平衡平衡1 AF1 AF), 2, 1, 0(2FA nn 三、正弦波振荡电路的组成与分类三、正弦波振荡电路的组成与分类 放大电路放大电路 选频网络选频网络 正反馈网络正反馈网络 稳幅环节稳幅环节确定确定 f0合二为一合二为一使输出幅值稳定使输出幅值稳定使使fiXX 1 1、正弦波振荡电路的组成、正弦波振荡电路的组成根据根据选频网络选频网络所用元件分类：所用元件分类：RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路f0 1MHz f0 很稳定很稳定 2、正弦波振荡电路的分类、正

45、弦波振荡电路的分类三、正弦波振荡电路的组成与分类三、正弦波振荡电路的组成与分类 四、正弦波振荡电路的分析步骤四、正弦波振荡电路的分析步骤1. 检查电路的结构和组成检查电路的结构和组成 ：（2）检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路）检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；正常工作；（1）检查电路是否包含四个组成部分，即放大电路、）检查电路是否包含四个组成部分，即放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节；选频网络、正反馈网络和稳幅环节；（3）检查电路中的反馈信号取自什么地方，加在什）检查电路中的反馈信号取自什么地方，加在什么位置以及反馈信号的极性。么位置以及反馈信号的极性。 四、

46、正弦波振荡电路的分析步骤四、正弦波振荡电路的分析步骤2. 判断电路是否满足自激振荡的条件判断电路是否满足自激振荡的条件 ：（2）幅值条件）幅值条件1 FA（1）相位条件）相位条件瞬时极性法瞬时极性法：断开反馈，：断开反馈，iU加频率为加频率为 f0 的信号的信号 ，fUiU判断判断 与与 的极性，的极性，若相同，则满足相位条件。若相同，则满足相位条件。iUoU F AfU 四、正弦波振荡电路的分析步骤四、正弦波振荡电路的分析步骤3. 振荡频率的估算振荡频率的估算 nFA2 计算计算 时的频率，即为振荡频率时的频率，即为振荡频率 f0 。振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率由相位平衡条件决定。写

47、出写出 AF 表达式；表达式；. .1、文氏电桥（、文氏电桥（RC串并联）振荡器串并联）振荡器1）RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性)/1(111CjRZ 2222221/1/(CRjRCjRZ ）212ifZZZUUF 12211221111CRCRjCCRR RRR 21CCC 21 RCRCjF 131 oo31jRC1o 2oo231 F3arctanoof 幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：当当= =o o时，电路达到谐振，时，电路达到谐振，电路呈电路呈“电阻性电阻性”，此时，此时31 F 0f RCf 21o 幅值最大幅值最大RC1o 2、文氏电桥振荡器的分析、文氏

48、电桥振荡器的分析1）组成）组成同相比例同相比例放大电路放大电路RC选频网络，选频网络，兼正反馈网络兼正反馈网络Z1、Z2、 R3 与与R4形形成四个桥臂成四个桥臂2）起振条件及振荡频率）起振条件及振荡频率 RC网络谐振时满足自网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。激振荡的相位平衡条件。RCf 21o 振荡频率：振荡频率：由同相放大电路：由同相放大电路：431RRA 由幅度起振条件：由幅度起振条件：31 F由选频网络可知，谐振时：由选频网络可知，谐振时：1 FA3 A或或432RR RCf 21o RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：振荡频率的范围

49、：1Hz 1MHz例如，桥式振荡器。例如，桥式振荡器。选选R=1k，C=200pF，则，则 fo=796HzRC正弦波振荡器的振荡频率取决于正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。的数值。 若提高振荡频率若提高振荡频率fo ，必须选择较小的，必须选择较小的R和和C值。值。foR基本放大电路的负载加重；基本放大电路的负载加重；C受到管子结电容和分布电容的限制。受到管子结电容和分布电容的限制。当振荡频率高于当振荡频率高于1MHz时，采用时，采用LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。RCf21o 总结：（1）RC振荡电路结构简单，调节方便，经济可靠。振荡电路结构简单，调节方便，经济可靠。（2）RC振荡电

50、路的振荡频率较低，最高不会超过振荡电路的振荡频率较低，最高不会超过200kHz。（3）RC振荡电路的振荡电路的RC选频网络，选频特性较差，因选频网络，选频特性较差，因而应尽量使放大器件工作在线性区，故多采用负反馈而应尽量使放大器件工作在线性区，故多采用负反馈的方法稳幅和改善输出波形。的方法稳幅和改善输出波形。 2121021CCCCLf LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LcC1C2L+uce- -+ube - -(1)直流等效电路直流等效电路(2)交流等效电路交流等效电路五、改进的电容三点式振荡电路五、改进的电容三点式振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C C

51、1， C C2， 则：则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡，且频率稳定度高。产生高频振荡，且频率稳定度高。CMLLf)2(21210 在这个电路中三极管在这个电路中三极管VT1与外围的电感器和电容器与外围的电感器和电容器构成了一个电容三点式振荡器。它的交流等效电路（不构成了一个电容三点式振荡器。它的交流等效电路（不考虑考虑RP和和R2的作用如图所示，当图中三极管基极有一的作用如图所示，当图中三极管基极有一正信号时，由于三极管的反向作用使它的集电极信号为正信号时，由于三极管的反向作用使它的集电极信号为负。两个电容器

52、两端的信号极性如图所示，通过电容器负。两个电容器两端的信号极性如图所示，通过电容器的反馈，三极管基极上的信号与原来同相，由于这是正的反馈，三极管基极上的信号与原来同相，由于这是正反馈，所以电路可以产生振荡，反馈，所以电路可以产生振荡，RP和和R1的存在，消弱的存在，消弱了电路中的正反馈信号，使电路处于刚刚起振的状态下。了电路中的正反馈信号，使电路处于刚刚起振的状态下。 金属探测器的振荡频率约为金属探测器的振荡频率约为40KHz，主要由电感，主要由电感L 、电容器电容器C1、C2决定。调节电位器决定。调节电位器RP减小反馈信号，减小反馈信号，使电路处在刚刚起振的状态。电阻器使电路处在刚刚起振的状

53、态。电阻器R2是三极管是三极管VT1的基极偏置电阻。微弱的振荡信号通过电容器的基极偏置电阻。微弱的振荡信号通过电容器C4、电、电阻器送到由三极管阻器送到由三极管VT2、电阻器、电阻器R4、R5及电容器及电容器C5等组成的电压放大器进行放大。然后由二极管等组成的电压放大器进行放大。然后由二极管VD1和和VD2进行整流，电容器进行整流，电容器C6进行滤波。整流滤波后的直进行滤波。整流滤波后的直流电压使三极管流电压使三极管VT3导通，它的集电极为低电平，发导通，它的集电极为低电平，发光二极管光二极管VD3亮。亮。 在金属探测器的电感探头在金属探测器的电感探头L接近金属物体时，振荡接近金属物体时，振荡

54、电路停振，没有信号通过电容器电路停振，没有信号通过电容器C4，三极管，三极管VT3的基的基极得不到正电压，所以三极管极得不到正电压，所以三极管VT3截止，发光二极管截止，发光二极管熄灭。熄灭。电路工作原理电路工作原理 多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路多谐振荡器电路是一种矩形波产生电路.这种电路不需要外加触发信号这种电路不需要外加触发信号,便能连续地便能连续地, 周周期性地自行产生矩形脉冲期性地自行产生矩形脉冲.该脉冲是由基波和该脉冲是由基波和多次谐波构成多次谐波构成,因此称为多谐振因此称为多谐振 荡器电路荡器电路. 本节介绍用集成电路构成的多谐振荡器。本节介绍用集成电路构成的多谐振荡器。 6

55、.2 多谐振荡器多谐振荡器 比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。的输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。 1、电路组成、电路组成RC积分电路积分电路延时兼反馈延时兼反馈迟滞比较器迟滞比较器开关电路开关电路限流限流电阻电阻6.2.1 用集成电路构成的多谐振荡器用集成电路构成的多谐振荡器2、工作原理、工作原理电路的正反馈系数电路的正反馈系数211RRRF zoFUFuu 比较电压比较电压设设t=0时，时，uC=0，uo=+UzzFUu 则则输出电压输出电压uo通过通过R向向C充电，充电，uC呈呈指数

56、规律增加。指数规律增加。当当t = t1，uCu+时，时，uo跳变为跳变为 Uz。zFUu 此时此时zFUu uo= Uz 此时此时C通过通过R放电，放电，uC呈指数呈指数规律减小。规律减小。如此周而复始，产生如此周而复始，产生振荡，输出矩形波。振荡，输出矩形波。当当t = t2，uCu +时，时，uo跳变为跳变为+Uz。电容又被充电。电容又被充电。3、振荡周期、振荡周期t1 t2，电容放电。，电容放电。放电时间常数：放电时间常数： 1=RCz0FUuC ）（zUuC ）（11 zRCtCeFUtu ）（）（当当t = T1=T/2时，时，z2FUTuC ）（，代入上式，得，代入上式，得z2z

57、11 2FUeFUTuRCTC ）（）（FFRCT 11ln2 2121ln2RRRC振荡频率：振荡频率：Tf1 4、占空比可调的矩形波产生电路、占空比可调的矩形波产生电路 占空比：矩形波中高电平的持续时间与占空比：矩形波中高电平的持续时间与振荡周期的比值。方波的占空比为振荡周期的比值。方波的占空比为50%。%100%1002111 TT CRrR 1dw1 CRrRR 2d ww2 为改变输出方波的占空比，可改变电容为改变输出方波的占空比，可改变电容C的充、的充、放电时间常数。放电时间常数。占空比：占空比：其中其中rd是二极管是二极管D的导通电阻。的导通电阻。改变改变Rw 的中点位置，占空比

58、就可改变。的中点位置，占空比就可改变。石英晶体振荡器最突出的特点就是振荡频率稳定性好。石英晶体振荡器最突出的特点就是振荡频率稳定性好。一、石英晶体的特性一、石英晶体的特性1、基本特征、基本特征压电效应：压电效应： 在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；反之若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会反之若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。产生一定的电场。压电谐振：压电谐振：固有频率与晶片的切割方式、几何形状及尺寸有关。固有频率与晶片的切割方式、几何形状及尺寸有关。6.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器用石英晶体构成的

59、多谐振荡器2、石英晶体的等效电路、石英晶体的等效电路符号：符号：（1）晶体不振动时，等效为平板电容器）晶体不振动时，等效为平板电容器C0 ，称为静电电，称为静电电容，一般为几到几十皮法。容，一般为几到几十皮法。（2）晶体振动时，机械振动的惯性用电感）晶体振动时，机械振动的惯性用电感L (10-3102H ) 等效，晶片的弹性用电容等效，晶片的弹性用电容 C (10-210-1PF )等效，晶片振等效，晶片振动时的损耗用电阻动时的损耗用电阻R (102)等效。等效。CC 03、石英晶体的谐振频率、石英晶体的谐振频率串联谐振频率串联谐振频率LCf 21s并联谐振频率并联谐振频率0s00p121CC

60、fCCCCLf 此时串联支路呈现为很小的纯电阻此时串联支路呈现为很小的纯电阻R，C0容抗远大于容抗远大于R，视为开路。，视为开路。 当工作频率大于当工作频率大于 fs 时，串联支路呈感性，与时，串联支路呈感性，与C0并联并联形成形成LC回路。回路。电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性纯阻性纯阻性 二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路1 1、串联型石英晶体多谐振荡电路、串联型石英晶体多谐振荡电路 二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路2 2、并联型石英晶体多谐振荡电路、并联型石英晶体多谐振荡电路 并联型石英晶体振荡电路，常用于电子钟表，计并联型石英晶体振荡电路，常