第16章集成运算放大器

1、第第16章：章：集成运算放大器集成运算放大器16.1 集成运算放大器的简单介绍16.2 运算放大器在信号运算方面的应用16.3 运算放大器在信号处理方面的应用16.4 运算放大器在波形产生方面的应用16.5 使用运放应注意的几个问题分立电路与集成电路分立电路：由各种单个元件联接成的电子电路；集成电路：把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分割的整体；特点：体积小、重量轻、功耗低，电路的焊点大大减少，可靠性高、成本低；规模：又称集成度，有小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）；根据导电类型分类：双极型、单极型（场效应管）

2、或两者兼容型的；根据功能分类：数字集成电路、模拟集成电路；模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率电路、集成稳压电源，模数或数模转换电路（有将此类电路称为混合集成电路）；十二、1/2716.1 集成运算放大器的简单介绍运算放大器：简称运放；运算放大器：具有高放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路；功用：可完成加减、乘除、积分微分等运算；随着集成度的提高与功能的完善，运算放大器在信号运算、信号处理、信号测量、波形产生等方面有着广泛应用。十二、2/2716.1.1 集成运算放大器的特点一、集成电路工艺难以制造电感与电容，运放各级放大电路之间采用直接耦合方式，而需要电感与电容的场合通常采用外接

3、的方法；二、运放的输入级采用差动放大电路，在同一个硅片上容易获得特性相近的差动对管，因此也容易制成温漂很小的差动放大器；三、集成电路中电阻合适的阻值在100 30k，但在运放中往往用晶体管恒流源代替电阻 ；四、集成电路中的二极管都采用晶体管构成，把发射极、基极、集电极适当组配来使用。十二、3/2716.1.2 电路的简单说明集成运放：由输入级、中间级、输出级、偏置电路组成，如图：输入级：要求输入阻抗高、零点漂移小及能抑制干扰信号，是放大器质量的关键部分，由差动放大电路构成，有同相输入与反相输入两个输入端；中间级：电压放大作用，要求放大倍数高，通常由共射放大电路构成；输出级：要求输出电阻低、带载

4、能力强、能输出足够大的电压与电流，一般由互补对称的电路或射极输出器构成；偏置电路：为上述各级电路提供稳定与合适的偏置电流（静态工作点），通常由各种恒流源电路构成。输入级偏置电路中间级输出级输入端输出端十二、4/27运放的外形、管脚与符号外形：插脚、贴片；管脚：电源脚、同相输入端、反相输入端、输出端、调零端；电源电压：一般在15V范围内；符号（业界常用），如图：B+VCCA+VCC-VCCC十二、5/2716.1.3 主要参数最大输出电压UOPP：输出不失真时的最大输出电压；开环电压放大倍数AuO：没有外接反馈电路时的电压差模放大倍数，通常在104107；输入失调电压UIO：使实际运放输出为零而

5、在输入端所加的补偿电压，一般为几毫伏；输入失调电流IIO：输入信号为零时两个输入端静态基极电流之差，一般在几十纳安；输入偏置电流IIB：输入信号为零时两个输入端静态基极电流之平均值，一般在几百纳安；共模输入电压范围UICM：在规定共模抑制电压范围或正常工作而不至于损坏器件下的最大共模电压。其它参数：差模输入输出电阻、温漂、共模抑制比、静态功耗，业已介绍过。十二、6/2716.1.4 理想运算放大器及其分析依据理想运算放大器：开环放大倍数：Au0 ；差模输入电阻：rid ；开环输出电阻：ro 0；共模抑制比：KCMRR 。传输特性：输出电压与输入电压之间的关系特性曲线，其中有线性区与饱和区。u+

6、-u-u0十二、7/27运放的重要关系式与重要概念学会：用高等数学中极限的概念来思考问题线性区：u0 = Au0 ( u+ - u- )；由于rid ，则输入电流近似为零i10、i2 0，此称为“虚断”；由于Au0 ，则输入电压近似为零u+ - u- 0，即u+ u- ，此称为“虚短”；当正输入端接地，即u+ =0 时，u- 0，此称为“虚地”。虚断与虚短： 电流为零，电压相等；饱和区：输入电流近似为零i10、i2 0 u0 = sign(u+ - u- )*UO(sat) 十二、8/27例一运放电源为15V，开环放大倍数Au0=2105，最大输出电压Uo(sat)为13V，输入电压如下，求输

7、出电压及其极性；1、u+ = +15uV，u- = -10uV；2、u+ = -5uV，u- = +10uV；3、u+ = 0V，u- = +5mV； 4、u+ = 5mV，u- = 0V。 十二、9/2716.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面功能：比例运算：输入信号乘以常数；加减运算：双输入或多输入信号加减；积分运算：输入信号积分；微分运算：输入信号微分；对数与反对数运算；乘法与除法运算。十二、10/2716.2.1 比例运算比例运算有反相输入与同相输入两种情况反相输入：输入信号接反相输入端，输出信号与输入信号极性相反；同相输入：输入信号接同相输入端，输出信号与输入

8、信号极性相同。十二、11/27反相输入反相输入比例运算电路如图：在线性工作区有：1iifAR2R1RFi1ifuiuo11iRuuifFiRuu00uuiFuRRu1010RRuuAFiuf 当RF=R1时，Auf = -1，u0 = -ui，则称之为反相器。十二、12/27平衡电阻、输入电阻与输出电阻同相输入端电阻R2称为直流平衡电阻；平衡电阻对电路放大倍数没有影响，但会影响内部差分电路静态工作点的对称性，会影响运放的共模抑制比；要求：同相输入端与反相输入端对地直流电阻相等。AR2R1RFi1ifuiuoFRRR|121Riuriii十二、12/270oooiur例二如图，分别计算开关S通与

9、断时的电压放大倍数Auf。提示： S通时，由于电阻值相等，故if=i1=i2=i1/2。AR21ki1ifuo1ki1uiS1k10ki2十二、13/27同相输入同相输入比例运算电路如图：在线性工作区有：1iif110iRu fFoiRuuiuuuiFuRRu101101RRuuAFiuf 当RF=0或R1 =时，Auf=1，u0=ui，则称之为电压跟随器。AR2R1RFi1ifuiuo十二、14/27平衡电阻、输入电阻与输出电阻同相输入端电阻R2称为直流平衡电阻；要求：同相输入端与反相输入端对地直流电阻相等。FRRR|12iiiiur十二、12/270oooiurAR2R1RFi1ifuiu

10、o例三如图，计算输出电压uo。Auo15k+15V10k15k十二、15/27例四如图，运算单元均为电压跟随器，求输出电压uo。AR2uoui1ui2R1R3R4十二、16/2716.2.2 加法运算加法运算电路如图：21iiif1111iRuuifFiRuu00uu2121120iFiFuRRuRRu 当R11=R12=R1时：AR2R11RFi1ifui1uoR12i2ui22122iRuui2110iiFuuRRu十二、17/27平衡电阻、输入电阻与输出电阻FRRRR|1211211111Riuriii十二、12/270oooiurAR2R11RFi1ifui1uoR12i2ui2122

11、22Riuriii例五、P103输入输出关系为：uo = -(4ui1 +2ui2 +0.5ui3)；RF=100k ，求各输入电阻与平衡电阻。411RRFFRRRRR/1312112212RRF5 . 013RRF十二、18/2716.2.3 减法运算减法运算电路如图：1iif111iRuuifFiRuu0112200101iFiFuRRuRRRRRu 当R1=R2、RF=R0时： 再当 RF=R1 时：AR0R1RFi1ifui1uoR2ui21210iiFuuRRu2200iuRRRuu120iiuuu十二、19/27平衡电阻、输入电阻与输出电阻FRRRR|120|1111Riuriii

12、十二、12/270oooiur20222RRiuriiiAR0R1RFi1ifui1uoR2ui2例六、P104减法电路中，ui1 = uic - uid ，ui2 = uic + uid ；R1=R2=R0，求RF为多少时uo不含共模分量。0RRF112200101iFiFuRRuRRRRRuidFFicFFodocuRRRRRRRuRRRRRRRuuu12001120010110112001RRRRRRRFFidiiuuuu2120十二、20/27例七如图，求输出电压uo。112101iFiFuRRuRRuAR1RFuoR2ui2ui1十二、21/2716.2.4 积分运算积分运算电路如图

13、：dtduCiiCFf111iRuuiCuuu0dtuCRuiF1010uuAR0R1CFi1ifuiuo十二、22/2710RR 积分电路输入输出波形uituot-Uo(sat)uituot十二、23/27例八如图，求输出电压uo与输入电压ui的关系式。AR0R1CFi1ifuiuoRFdtduCiiCFf111iRuuiRCuuuu0dtuCRuRRuiFiF11010uu十二、24/27例八如图，求输出电压uo与输入电压ui的关系式。采用叠加原理求解AR0R1CFi1ifuiuoRFdtuCRuiFCF101iFRFuRRu10dtuCRuRRuuuiFiFCFRF110001十二、24

14、/27AR0R1CFi1ifuiuoRF16.2.5 微分运算微分运算电路如图：dtduCiiCf11CiuuufFiRuu0dtduCRuiF100uuAR0C1RFi1ifuiuo十二、25/27FRR 0微分运算的问题微分运算对阶跃信号与噪声信号非常敏感，实际常用惯性微分电路。AR0C1RFi1ifuiuoR1十二、26/27FRR 0例九如图，求输出电压uo与输入电压ui的关系式。dtduCRuiiiCRCRf11CRiuuuufFiRuu0dtduCRuRRuiFiFo110uuAR0R1C1iRifuiuoRFiC十二、27/27例九如图，求输出电压uo与输入电压ui的关系式。采用

15、叠加原理求解iFouRRu11十二、27/27AR0R1C1iRifuiuoRFiCuidtduCRuiFo12dtduCRuRRuuuiFiFooo1121课后练习16.2.8、 16.2.10、16.2.1116.2.13、16.2.16、16.2.1716.2.19、16.2.22、16.2.2416.3 运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在信号处理方面功能：信号滤波：滤去杂波，留下有用的信号；信号采样保持：采用保持用于模数转换；信号比较：输出电压大小比较结果。十三、1/2416.3.1 有源滤波器滤波器：选频电路，有用的信号可以通过，无用的信号被衰减；按频率特性分类：低通滤波器、

16、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器；按构成电路分类：有源滤波器、无源滤波器；无源滤波器：阻容等无源器件构成的滤波器；有源滤波器：运放等有源器件构成的滤波器；有源滤波器特点：体积小、效率高、频率特性好 。十三、2/24无源滤波器低通滤波器高通滤波器十三、1/24uiuoRCRCuiuo有源低通滤波器有源滤波器电路与特性曲线如图：AR1RFuiuoRC)(jT00ufA20ufA十三、3/24有源低通滤波器特性关系RCjUUCjRCjUUUiiC111iFFoUjRRURRU011111RC10其中截止角频率：001)(jAjTuf传递函数：2001)(ufAjT0arctan)(00)(ufAj

17、T2)(00ufAjT0)(jT十三、4/241010RRAFuf 时的放大倍数：二阶有源低通滤波器 二阶有源滤波器电路与特性曲线如图：AR1RFuiuoRCRC)(jT0十三、5/24另一种有源低通滤波器001jAjTuf 另一种常用有源低通滤波器（惯性积分）电路如图：AR0R1CFi1ifuiuoRFFFFCjRRRjT1/1FFCR10十三、6/24有源高通滤波器有源滤波器电路与特性曲线如图：ARCRFuiuoR1)(jT00ufA20ufA十三、7/24有源高通滤波器特性关系RCjUUCjRRUUii111iFFoUjRRURRU011111RC10其中截止角频率：001)(jAjTu

18、f传递函数：2001)(ufAjT0arctan)(0)(ufAjT2)(00ufAjT0)(0jT十三、8/24101RRAFuf时的放大倍数：另一种有源高通滤波器001)(jAjTuf1101CRAR0C1RFi1ifuiuoR1 另一种常用有源高通滤波器（惯性微分）电路如图：1111/CRjRRjTF十三、9/2416.3.2 采样保持电路采样保持电路与工作波形如图：uouiRSC控制信号ui,uot十三、10/2416.3.3 电压比较器电压比较器与传输特性如图：AR1uRuoR2uiuiuoUR+Uo(sat)-Uo(sat)十三、11/24过零电压比较器过零比较器与传输特性如图：u

19、iuo+Uo(sat)-Uo(sat)AR1uoR2ui十三、12/24例十如图，输入电压为正弦波，画出各输出电压波形。AR1uoR2uiRCRLuo1uo2十三、13/24带限幅的过零电压比较器带限幅的过零比较器与传输特性如图：uiuo+UZ-UZAR1uoR2ui十三、14/24滞回（环）电压比较器滞回（环）电压比较器与传输特性如图：ARFuiuoR1R2uiuo+Uo(sat)-Uo(sat)十三、15/24例十一如图，运放最大输出电压UOPP=12V，稳压管UZ=6V，正向压降UD=0.7V，输入电压ui=12sinwt，参考电压UR=+3V、-3V两种情况，画出传输特性与输出电压波形

20、。AR1uoR2uiR3UR十三、16/24例十一解传输特性：正端为参考端，负端为信号端，则曲线为二四象限；负端为参考端，正端为信号端，则曲线为一三象限；转折（跳变）看参考电压，幅值大小看限幅或饱和输出电压。输出波形：正端为参考端，负端为信号端，则输出与输入反相；负端为参考端，正端为信号端，则输出与输入同相；转折（跳变）看参考电压，幅值大小看限幅或饱和输出电压。十三、17/24例十一解UR=+3V、-3V两种情况。uiuoUR+UZ-UDuiuoUR+UZ-UDuot+UZ-UDURuot+UZ-UDUR十三、18/2416.4 运算放大器在波形产生方面的应用信号波形：由振荡器（波形发生器）产生振荡器：多谐振荡器、正弦振荡器多谐振荡器：通过控制周期产生正弦振荡器：通过控制频率产生多谐波形发生器：矩形波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器十三、19/2416.4.1 矩形波发生器比较器：B1电容：C0电阻：R0、R1、R2方波周期取决于时间常数R0*C0以及R1与R2的比值R2-PvB1+PvC0R1R0十三、20/2416.4.2 三角波发生器三角波发生器由滞环比较器与积分器组成积分器积分器-PvA2+PvR11-PvB1+PvC21R12R21滞环滞环比较