《电工学》_秦曾煌主编第六版下册_电子技术_第16章

1、(16-0)第十六章第十六章 集成运算放大器集成运算放大器 (16-1)第十六章第十六章 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运算放大器在波形产生方面的应用 16.5 使用运算放大器应注意的几个问题使用运算放大器应注意的几个问题(16-2)集成电路集成电路: 将整个电路的各个元件及连线均制造在将整个电路的各个元件及连线均制造在同一块半导体基片上，形成一个不可分

2、同一块半导体基片上，形成一个不可分割的整体。割的整体。集成电路的优点：集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。重量轻、功耗小。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；模拟集成电路、数字集成电路；小、中、大、超大规模集成电路；小、中、大、超大规模集成电路； 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍(16-3)各类型号集成芯片各类型号集成芯片(16-4)一、集成电路内部结构的特点：一、集成电路内部结构的特点：2. 输入级采用差放电路。由于电路元件制作在输入级采用差放电路。由于电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差

3、方向一致，故温一个芯片上，元件参数偏差方向一致，故温度均一性好。度均一性好。3. 电阻元件由硅半导体构成，范围从电阻元件由硅半导体构成，范围从100到到30K，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元，精度低。高阻值电阻用晶体管有源元件代替或外接。件代替或外接。1. 电感元件难于制造。制造几十电感元件难于制造。制造几十 pF 以下的小电以下的小电容用容用PN结的结电容构成，大电容需外接。结的结电容构成，大电容需外接。4. 二极管一般用晶体管的发射结构成。二极管一般用晶体管的发射结构成。(16-5)三、集成运放电路的组成三、集成运放电路的组成输输 入入 级：级：常为差分放大电路。要求常为差分放大电路。要

4、求Ri大，大， Ad大，大， Ac小小, 输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。输入端耐压高。它有同相和反相两个输入端。中中 间间 级：级：主放大级，常为共射放大电路，多采用复合主放大级，常为共射放大电路，多采用复合 管。要求有足够的放大能力。管。要求有足够的放大能力。输输 出出 级：级：功率级，多采用互补功放电路或射极输出器。功率级，多采用互补功放电路或射极输出器。要求要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。多为各级放大电路设置合适的静态工作点。多采用恒流源电路。采用恒流源电路。(16-6) 集成运放的

5、基本结构集成运放的基本结构输入级输入级中间级中间级 输出级输出级-UCC+UCC uuo u反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端T3T4T5T1T2IS基本原基本原理框图理框图(16-7)T3T4T5T1T2IS u u反相端反相端同相端同相端uo与与uo反相反相与与uo同相同相(16-8)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大。尽可能大。(16-9)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中

6、间级足够大的电压放大倍数足够大的电压放大倍数(16-10)-UEE+UCC uuo u反相端反相端同相端同相端T3T4T5T1T2IS输入级输入级中间级中间级 输出级输出级 主要提高带负载能力，给出足够的输出主要提高带负载能力，给出足够的输出电流电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。(16-11) ri 大大: 几十几十k 几百几百 k 运放特点：运放特点：KCMRR 很大很大 ro 小：小：几十几十 几百几百 A o 很很大大: 104 107理想运放：理想运放： ri KCMRR ro 0 0Ao 运放符号：运放符号：uu+ uo u u+ uoAuo国际符号国际符号国内符号国内符号

7、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(16-12)1、最大输出电压、最大输出电压UOPP 使输出电压和输入电压保持不失真关系使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压。的最大输出电压。2、开环电压放大倍数、开环电压放大倍数Auo三、集成运放的主要参数三、集成运放的主要参数 无外加反馈回路时的差模放大倍数。一般无外加反馈回路时的差模放大倍数。一般在在10104 4 10107 7之间。之间。A Auouo越高，所构成的运算电越高，所构成的运算电路越稳定，运算精度越高路越稳定，运算精度越高。3、输入失调电压、输入失调电压UIO 使输出电压为零时，在输入端所加的补偿电使输出电压

8、为零时，在输入端所加的补偿电压。压。此值越小越好此值越小越好。(16-13)4、输入失调电流、输入失调电流IIO5、输入偏置电流、输入偏置电流IIB6、共模输入电压范围、共模输入电压范围UICM 共模电压超出此范围时，运放的共模抑制共模电压超出此范围时，运放的共模抑制性能大大下降。性能大大下降。 输入信号为零时，两输入端静态基极电流之输入信号为零时，两输入端静态基极电流之差。此值一般在零点零几微安级差。此值一般在零点零几微安级，越小越好越小越好。 输入信号为零时，两输入端静态基极电流平输入信号为零时，两输入端静态基极电流平均值。此值一般在零点几微安级，均值。此值一般在零点几微安级，越小越好越小

9、越好。(16-14)uiuo+UOM-UOM A Auouo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输输出与输入之间入之间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+AuomaxOMoCCUuU例：若例：若UOM=12V，Auo=106，则，则|ui|12 V时，运放时，运放 处于线性区。处于线性区。四、理想运放及其分析依据四、理想运放及其分析依据线性放大区线性放大区饱和区饱和区饱和区饱和区(16-15) 由于运放的开环放大倍数很大，输入由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理电阻高，输出

10、电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的想化，称其所谓的理想运放理想运放。1、在分析信号运算电路时对运放的处理、在分析信号运算电路时对运放的处理uiuo_+Auouiuo_+实际：实际：理想：理想：(16-16)理想运放的条件理想运放的条件uoAidr0or )(uuAuuoo虚短路虚短路: : uu0ii 放大倍数与放大倍数与负载负载无关。分析无关。分析多个运放级联组合的线性电路多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。时可以分别对每个运放进行。虚开路，虚开路，也称虚断路也称虚断路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点运放工作在线性区特点运放工作在线性区特点(16-17)()

11、ououAuu虚短路虚短路不成立：不成立： uu0ii虚开路虚开路成立成立运放工作在饱和区的特点运放工作在饱和区的特点(16-18)2、分析运放组成的线性电路的依据、分析运放组成的线性电路的依据虚短路虚短路虚开路虚开路放大倍数与负载无关，放大倍数与负载无关， 每级可以分开分析每级可以分开分析。0iiuu信号的放大、运算信号的放大、运算有源滤波电路有源滤波电路运放线运放线性应用性应用uuo_+ u+ii+(16-19)16.2 运放在信号运算方面的应用运放在信号运算方面的应用 凡是将放大电路输出端信号（电压或电流）凡是将放大电路输出端信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭的一

12、部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为加，就称为。反馈概念反馈概念 串联负反馈串联负反馈 ri ; 并联负反馈并联负反馈 ri ; 电压负反馈电压负反馈 ro; 电流负反馈电流负反馈 ro;负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响(16-20)16.2.1 比例运算比例运算作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大、反相比例放大。同相比例放大、反相比例放大。方法：方法：引入深度引入深度负反馈或负反馈或负反馈。这样输出电压与运放的负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。反馈系数有关。(16-2

13、1)0uui1 iF1FiouuRR F11ouuRAuR uo_+ + RFR1RPuii1iF1. 放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相负反馈引到反相 输入端，信号从输入端，信号从 反相端输入。反相端输入。虚地虚地(16-22)平衡电阻：可使输入端对平衡电阻：可使输入端对地的静态电阻相等，保证地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。静态时输入级的对称性。RP = R1 / RF 为保证一定的输为保证一定的输入电阻，当放大倍数入电阻，当放大倍数大时，需增大大时，需增大R RF F，而，而大电阻的精度差，因大电阻

14、的精度差，因此，此，在放大倍数较大在放大倍数较大时，该电路结构不再时，该电路结构不再适用。适用。i1iFuo_+ + RFR1RPui2. 电路的输入电阻电路的输入电阻ri = R1(16-23)4. 共模电压共模电压02uu3. 反馈方式反馈方式电压并联负反馈电压并联负反馈输出电阻很小输出电阻很小uo_+ + RFR1RPuii1iF电位为电位为0 0，虚，虚地地因因虚短虚短, 所以所以uu+= 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(16-24)反相比例电路的特点：反相比例电路的特点：2. 共模输入电压为共模输入电压为0，因此对运放的，因此对运放的。

15、3. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是为是0，因此，因此。4. 由于并联负反馈的作用，由于并联负反馈的作用，因此，因此对输入电流有一定的要求。对输入电流有一定的要求。5. 在放大倍数较大时，该电路结构不再适用在放大倍数较大时，该电路结构不再适用 。1. 反相端为反相端为“”。(16-25)例：例：试计算下图开关试计算下图开关S断开和闭合时的断开和闭合时的Au解：S断开断开:S闭合闭合:if i1 i2 P98 例例 16.2.1+ - -UiUo10RRR1S+-+R R 11 05FuRARRRR i1i2iF1223iiuuiRRR212ii

16、F()1010oouuuiRR 310iouuRR i3.3ouuAu 2Fii由由知：知：(16-26)R4R2uo_+ + R1RPuiR3i1i2i4i3M例：例：求求Au =?0uui1= i2虚短路虚短路虚开路虚开路虚地虚地21iMuvRR24234111()()oMuuvRRRRR(16-27) 该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。因大电阻。因R3的存在，削弱了负反馈。的存在，削弱了负反馈。) 1()111(342412214324RRRRRRRRRRRRuuAiou2344111()oMuvRRRR21iMuvRR(16-28)

17、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 、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 =100 k R2 = 10 100 (10 +100) = 9. 1 k uoRFuiR2R1+ (16-29)二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+ + R

18、FR1R2uiuou- u+= uiF1oiiuuuRRF1(1)oiRuuRF111ouuRAuR 虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点： 负反馈引到反相输入端，负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入信号从同相端输入。虚开路虚开路i1iF(16-30)同相比例电路的特点同相比例电路的特点3. 共模输入电压为共模输入电压为ui，因此对运放的，因此对运放的。1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是为是0，因此，因此。2. 由于串联负反馈的作用，由于串联负反馈的作用，。(16-31)oiuuuu此电路输入电阻大，输出电阻小，在电路中此电路输入电阻

19、大，输出电阻小，在电路中的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压的作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。跟随性能好。三、电压跟随器三、电压跟随器结构特点：结构特点：输出电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。 当当 R1= 或或 RF = 0 时时F111ouuRAuR uoui+ (16-32)例：例：试计算试计算Uo解：由其为电压跟随器知由其为电压跟随器知:Uo = 15 / 2 =7.5VP99：例：例 16.2.2+-+15V+Uo-2R2R R2R

20、+-+15V+Uo-2R R(16-33)uo+ 2RRL 2R+15V R(16-34)例：例：试计算试计算Uo44321221121212211 )/( )(/(11RRRRUUURRRRURURRRRRURUUOaoOOiiOOaoP99： 例例 16.2.3解：Ui1Ui2aUo+-+-+-+R1R2R3R4+-+Ro+-UaoR4R3Uoa(16-35) 16.2.2 加法运算电路加法运算电路作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型：类型：同相求和、反相求和。同相求和、反相求和。方法：方法：引入深度引入深度负反馈或负反馈或负反馈。这

21、样输出电压与运放的负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。反馈系数有关。(16-36)一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+ RFR11ui2uoRPui1 实际应用时可适当增加或减少输入端的实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。个数，以适应不同的需要。FPRRRR/1211(16-37)0uuFiii1211FF121112()oiiRRuuuRRi12iFi11R12_+ RFR11ui2uoRPui1 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出

22、电压的比例关系，调节方便。影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。(16-38)二、同相求和运算二、同相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。个数，以适应不同的需要。12122/FRRRR-R1RF+ui1uoR21R22ui2(16-39)此电路如果以此电路如果以 u+ 为输入为输入 ，则输出为：则输出为：uRRuFo)1 (1-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+ 与与 ui1 和和 ui2的关系如的关系如何？何？)(1 (222121212212221iiFouRRRuRRRRRu注意：注意：同相求和电路的各输入信

23、号的放大倍数同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影互相影响，不能单独调整。响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）22221211222122iiuRRRuRRRu节点电压法节点电压法(16-40)211211212(1)()iiFoiiiiiiRRRuuuRRRRRui2uoRFui1Ri2Ri1+ R1+ui2uoRFui1Ri2Ri1+ R2+FFoi1i 2i1i 2()RRuuuRR (16-41)uo-R1RF+ui1R21R22ui2R 左图也是同相求和运左图也是同相求和运算电路，算电路，如何求同相输如何求同相输入端的电位？入端的电位？

24、提示：提示：1. 虚开路：流入同相端的虚开路：流入同相端的电流为电流为0。2. 结点电位法求结点电位法求u+。(16-42)_+ + RFR1R2ui2uoR3ui1uu11RuuRuuiFo1123231)1 (iFiFouRRuRRRRRu解出：解出：223iuuuRR 16.2.3 减法运算减法运算i11iFi12iR3(16-43)RF_+ + R1R2ui2uoR3ui1F211()oiiRuuuR单运放加减运算电路特例：差动放大器单运放加减运算电路特例：差动放大器213FRRRR1123231)1 (iFiFouRRuRRRRRuRFR1(16-44) 实际应用时可适当增加或减少输

25、入端的实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。个数，以适应不同的需要。R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521/RRRRRR(16-45)R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R63434634(/)()iiuuuRRRRRuu虚短路虚短路虚开路虚开路虚开路虚开路341234125iiiiouuuuuRRRRR125346/RRRRRR12125125(/)()iiouuuuRRRRRR123451234()iiiiouuuuuRRRRR(16-46)优点：优点：元件少，成本低。元件少，成本低。)(443322115RuRuRuR

26、uRuiiiio缺点：缺点：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。 阻值的调整计算不方便。阻值的调整计算不方便。单运放加减运算电路小结单运放加减运算电路小结 改进：改进：采用双运放电路。采用双运放电路。(16-47)例：例：设计一加减运算电路，设计一加减运算电路， RF=240k ，使使uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3解解: (1) 画电路。画电路。 系数为负的系数为负的信号从反相端信号从反相端输入，系数为输入，系数为正的信号从同正的信号从同相端输入。相端输入。ui1R1-R3RF+uoR2ui2ui3(16-48)(2) 求各电阻值。求各电阻值。R4PNRR ) (332211RuRuRuRuiiiFok240FRuo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3k241Rk302Rk123R应应接接在在同同相相端端 k804R213/ /RRRRRRPFN UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 一、一、ui从同相端输入从同相端输入uo_+_+_+_UR uiR1R2(16-72)uoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 二、二、 ui从反相端输入从反相