第1,2章集成运放机器基本运用

1、第1章 导言 1.电信号：模拟与数字2.电子信息系统概述 电子系统的组成电子信息系统的示意图 电子信息系统组成的原则1.满足功能和性能指标的要求2.尽量简单3.电磁兼容性4.调试与生产工艺力求简单 常用模拟电路的功能放大 滤波 运算 信号转换 信号发生 直流电源一、课程的性质、目的与任务 模拟电子电路是信息技术专业必修的技术基础课。该课程不仅具有自身的理论体系且是一门实践性很强的课程。本课程的任务是解决电子技术入门的问题，使学生掌握模拟电子电路的基本工作原理、分析方法和基本技能，为深入学习后续课程和从事有关电子技术方面的实际工作打下基础。 二、课程特点 1知识理论系统性较强。学习本课程需要有一

2、定的基础理论、知识作铺垫且又是学习有关后续专业课程的基础。 2基础理论比较成熟。虽然电子技术发展很快，新的器件、电路日新月异，但其基本理论已经形成了相对稳定的体系。有限的学校教学不可能包罗万象、面面俱到，要把学习重点放在学习、掌握基本概念、基本分析、设计方法上。 3实践应用综合性较强。本课程是一门实践性很强的技术基础课，讨论的许多电子电路都是实用电路，均可做成实际的装置。本课程的先修课程：高等数学、大学物理和电路。 模拟电子技术基础课程的学习要求是使学生获得模拟电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。因为模拟电子技术是一门发展迅速、不断更新、应用广泛的学科，因而内容庞杂繁多，具体表现在：器

3、件种类多且新器件推出速度快、电路形式多且电路中交直流电量并存、新的概念多、分析方法多。所以学生在初学时，普遍感到很难适应，往往心中无数。对此，如不相应改进学习方法，就难以掌握要领。下面针对模拟电子技术的课程特点谈谈学习方法： 一、学会定性分析，掌握基本概念。掌握基本概念是进行分析计算和实验调整的前提，是学好本课程的关键。要学会定性分析，务必防止用所谓的严密数学推导掩盖问题的物理本质。 二、学会归纳总结，找规律，抓相互联系。模拟电子技术内容庞杂繁多，要学会俯视的看问题，保持清晰的思路，找出彼此间的内在联系。只有这样，才能举一反三，触类旁通，能在不同的条件下灵活运用所学知识。 三、重视实验。实验在

4、本课程中有着重要的作用，它可以帮助验证所学的理论，并且可以培养解决实际问题的能力。 四、按时、独立地完成规定的作业。做习题是一个非常重要的环节，它对于巩固概念、启发思考、熟悉分析运算过程、暴露学习中的问题和不足是不可缺少的。 第2章 集成运放及其基本应用 放大的概念及其性能指标 集成运放 理想运放组成的基本运算电路 理想运放组成的电压比较器2.1 放大电路的基本概念 2.1.1 放大的概念 2.1.2 放大电路的主要技术指标2.1.1 放大的概念 1.1.放大电路主要用于放大微弱信号，输放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信

5、号的能量得到了加强。号的能量得到了加强。 2. 2.输出信号的能量实际上是由输出信号的能量实际上是由直流电源直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之提供的，只是经过三极管的控制，使之转换转换成成信号信号能量，提供给负载。能量，提供给负载。放大电路的结构示意框图见图放大电路的结构示意框图见图02.0102.01。图02.01 放大概念示意图放大的本质放大的本质：能量的控制与转换能量的控制与转换2.1.2 2.1.2 放大电路的主要技术指标放大电路的主要技术指标 (1)放大倍数 (2)输入电阻Ri (3)输出电阻Ro (4)通频带(1) (1) 放大倍数放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放

6、大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。放大倍数定义式中各有关量如图02.02所示。图02.02 放大倍数的定义功率放大倍数功率放大倍数定义为定义为 (02.03)iiooio/IVIVPPAp电压放大倍数电压放大倍数定义为定义为 (02.01)io/VVAv电流放大倍数电流放大倍数定义为定义为 (02.02)io/IIAi(2) (2) 输入电阻输入电阻 Ri 输入电阻:从放大电路输入端看进去的等效电阻,表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ri大放大电路从信号源吸取的电流小，放大电路所得的输入电压则接近于信号源电

7、压。Ri的定义见图02.03和式(02.04)(02.04)iiiIVR图 02.03 输入电阻的定义(3) (3) 输出电阻输出电阻Ro 输出电阻是表明放大电路带负载输出电阻是表明放大电路带负载的能力，的能力，Ro大表明放大电路带负载的大表明放大电路带负载的能力差，反之则强。能力差，反之则强。Ro的定义见图的定义见图02.0402.04和式和式(02.05)(02.05)。 (02.05) 0,.o.ooSL=VRIVR强调强调：符号的不同写法的说明，见教材 图图( (a) )是从输出端加假想电源是从输出端加假想电源V o求求Ro， 图图(b)是通过放大电路的负载特性曲线求是通过放大电路的负

8、载特性曲线求Ro。(a) 从假想的 求Ro (b)从负载特性曲线求Ro图 02.04 输出电阻的定义 oV)05.02()b(04.02oooL根据式。开路时的输出为，、，测得时，在带根据图VIVR.OLOLOVRRRVLOOORVVR).1(4) (4) 通频带通频带00HL7.02)()(AAfAfA(02.07)相应的频率相应的频率fL称为下限频率，称为下限频率，fH称为上限频率称为上限频率。图 02.05 通频带的定义 放大电路的增益放大电路的增益A(f) 是频率的函数。在低是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数都要下降。当频段和高频段放大倍数都要下降。当A(f)下降下降到中频电压放大

9、倍数到中频电压放大倍数A0的的 1/ 时时，即，即2(5)最大不失真输出电压最大不失真输出电压:输入电压再增大就会使输出波形输入电压再增大就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压产生非线性失真时的输出电压.(6)最大输出功率与效率最大输出功率与效率:输出信号不失真情况下输出信号不失真情况下,负载负载上能够获得的最大功率上能够获得的最大功率Pom,它与直流电源消耗的功它与直流电源消耗的功率率Pv的比值反映直流电源能量的利用率，即效率的比值反映直流电源能量的利用率，即效率2.2.1 差分放大电路的输入和输出方式 差分放大电路一般有两个输入端：差分放大电路一般有两个输入端： 同相输入端，同相输入端，

10、 反相输入端。反相输入端。 2.2 2.2 集成运算放大电路集成运算放大电路 根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。 反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。 信号的输入方式：若信号同时加到同相输入信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为端和反相输入端，称为双端输入；双端输入； 若信号仅从若信号仅从一个输入端对地加入，称为一个输入端对地加入，称为单端输入。单端输入。图2共模信号和差模信号示意图差模信号和共模信号 差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，差分放大电路仅对差模信号具有

11、放大能力，对共模信号不予放大。对共模信号不予放大。 温度对三极管电流的影响相当于加入了共模温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。级所采用的电路形式。 差模信号差模信号 共模信号共模信号 是指在两个是指在两个输入端加上幅度输入端加上幅度相等，极性相反相等，极性相反的信号。的信号。 是指在两个是指在两个输入端加上幅度输入端加上幅度相等，极性相同相等，极性相同的信号。的信号。差分放大电路的差模工作状态分为四种: 1. 双端输入、双端输出（双-双） 2. 双端输入、单端输出（双-单） 3. 单端输入

12、、双端输出（单-双） 4. 单端输入、单端输出（单-单）(1) 共模放大倍数Avc(2)共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。cdCMRvvAAKdBlg20cdCMRvvAAK主要性能指标差模放大倍数Avd2.2.2运算放大器的符号和型号(1)(1)集成放大器的符号集成放大器的符号 按照国家标准符号如图所示。按照国家标准符号如图所示。 (a) (b)图模拟集成放大器的符号图模拟集成放大器的符号 (a) 国家标准符号国家标准符号 (b)原符号原符号 （2 2）运算放大器的引线）运算放大器的引线 运算放大器的符号中有运算放大器的符号中有三个引线端三个引线端 ，两个输入两个输入

13、端端，一个输出端一个输出端。一个称为。一个称为同相输入端同相输入端 ，即该端输，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号入信号变化的极性与输出端相同，用符号 + 或或 IN+表示；另一个称为表示；另一个称为 反相输入端反相输入端 ，即该端输入，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号信号变化的极性与输出端相异，用符号 “-” -” 或或 “IN-” -” 表示。表示。输出端输出端一般画在输入端的另一侧，一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有在符号边框内标有+号。实际的运算放大器通常号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零必须有正、负电源端，有的品种还有补偿

14、端和调零端。端。集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性uiuo_+AoCoOMEuUmaxuo-UOM+UOM线性放大区线性放大区NPuu 同相输同相输入端入端反相输反相输入端入端线性放大区线性放大区:)(NPodouuAuodA( 指无反馈时的差模放大倍数指无反馈时的差模放大倍数,亦称差模开环放大倍数亦称差模开环放大倍数)VodA数量级数量级:510*N输入输入：级 满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。 1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。 2.2.3 理想运算放大器的条件 2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大23个量级即可

15、。 3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。 4.带宽足够宽。 5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。 2.2.4 理想运算放大器的特性 (1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两

16、输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 “虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 (2)虚断 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。2。3 理想运放组成的基本运算电路

17、 回顾理想运放的性能指标 运算电路是集成运算放大器的基本应用电路，它是集成运放的线性应用。讨论的是模拟信号的加法、减法积分和微分、对数和反对数（指数）、以及乘法和除法运算。 为了分析方便，把运放均视为理想器件：（1）开环电压增益 Au =（2）Ri= ，R=0，（3）开环带宽 BW= （4）当UP=UN 时，Uo=0。没有温漂 1.理想运放在线性工作区对于工作在线性区的理想运放应满足： “虚短”：即U+=U- ； “虚断”：即I+=I-=0 本章讨论的即是上述“四字法则”灵活、大胆的应用。2.集成运放工作在线性区的电路特征 特征是:电路引入了负反馈集成运放引入负反馈三.理想运放的非线性工作区

18、在电路中,若集成运放不是处于开环状态(即没有引入反馈),就是只引入了正反馈,则表明集成运放工作在非线性区.集成运放工作在非线性 区时的电压传输特性基本运算电路 2.3.1 比例运算电路 2.3.2 加减运算电路 2.3.3 积分运算和微分运算电路 2.3.4 对数运算电路和指数运算电路 2.3.5 利用对数和指数运算电路实现的乘法运算和除法运算电路 2.3.6 集成运放性能指标对运算误差的影响2.3.1 比例运算电路 一. 反相比例运算电路 1.基本电路:图2.3.1 反相比例运算电路根据”虚短”、”虚断“特性IfOuRRufONNIRuuRuuRFii二. 同相比例运算电路 电路:图2.3.

19、2 同相比例运算电路根据”虚短”、”虚断“特性INPuuufNONRuuRu0IfPfNfOuRRuRRuRRu)1 ()1 ()1 ( 三.电压跟随器 电路:图2.3.3 电压跟随器 电路:0NPuuIIRuii12M点电位IMuRRRiu12222142,RRRR已知求数据出电压与输入电压的比例系数2142,RRRRIIMouRRuRRRRuRRu)1 ()1 ()1 (43431243多级运算电路中，因各级电路的输出电阻均为零，具有恒压特性，所以后级虽然是前级电路的负载，但不影响前级电路的运算关系，因此对每级电路的分析和单级电路完全相同IouRRu)1 (121145OOuRRu2.3.

20、2 加减运算电路一、 反相输入求和电路二、 同相输入求和电路三、 双端输入求和电路一、一、 反相输入求和电路反相输入求和电路 在在 反相比例运算电路的基础上，增加一个反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图。输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图。此时两个输入信号电压产生的电流都流向此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。所以输出是两输入信号的比例和。)()()(i22fi11ff2i21i1f2ii1ovRRvRRRRvRvRiiv相之和。时，输出等于两输入反当f21RRR反相求和运算电路)()(i2i1i22fi11fo

21、vvvRRvRRv反相求和运算电路利用叠加原理求解运算关系二、二、 同相输入求和电路同相输入求和电路 在同相比例运算电路的基础上，增加在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。路，如图所示。同相求和运算电路 因运放具有因运放具有虚断的特性，虚断的特性，对运放同相输对运放同相输入端的电位可入端的电位可用叠加原理求用叠加原理求得得:RRRRRRvRRRRRRRvRRRRRRRRRRvRRRRRvRRvf12i212221i1211f12i2121i12o) /() /() /() /() /() /() /() /(RvR

22、vRRRRRRRRvRRvRRv2i21i1fnpfffi22pi11po)()(由此可得出/ / fn21pRRRRRRR式中 vvRRRvRRRRRvRRv) /() /() /() /(12i2121i12vRRRvof而 , i2i1of21npvvvRRRRR时当，同相求和运算电路三、三、 加减运算电路加减运算电路 双端输入也称差动输入，双端输入求双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图所示。其输出电压表达式和运算电路如图所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似的推导方法与同相输入运算电路相似。双端输入求和运算电路 当vi1=vi2 =0时，用叠加原理分别求出vi

23、3=0和vi4 =0时的输出电压vop。当vi3 = vi4 =0时，分别求出vi1=0，和vi2 =0时的von。先求 )/1 () /() /()/1 () /() /(21f34i4321f43i34opRRRRRRvRRRRRRRRvRRv )/1 () /() /()/1 () /() /(21f34i434421f43i3433opRRRRRRvRRRRRRRRRRvRRRRv )/1 ()/1 (21fi44p21fi33pRRRvRRRRRvRR )(/)/(i44pi33pff21f21vRRvRRRRRRRRR )(4i43i3nfpRvRvRRRop v式中Rp=R3/R

24、4/R , Rn=R1/R2/Rf 再求on vi22fi11fonvRRvRRv)()( 2i21i1f4i43i3nfponopoRvRvRRvRvRRRvvvnpf4321 RRRRRRRRR时，当)( i2i1i4i3fovvvvRRv于是于是若电路只有两个输入,且参数对称, 如图所示:差分比例运算电路)(124IIfOuuRRu2.3.3 积分和微分运算电路积分和微分运算电路一一. . 积分运算电路积分运算电路二二. . 微分运算电路微分运算电路，于是根据虚地有Rvii tvRCtiCvvd1d1iCCO当输入信号是阶跃直流电压VI时，即tRCVtvRCvvIiCOd1积分运算放大电

25、路一、积分运算电路一、积分运算电路积分运算电路在不同输入情况下的波形(a)输入为阶跃信号(b)输入为方波输入为正弦波二、微分运算电路二、微分运算电路1.1.基本微分电路基本微分电路微分运算电路如图所示。微分运算电路如图所示。微分电路tvRCtvRCRiRivdd dd ICCRO显然1. 1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。或引入正反馈。若若U+U- 则则UO=+UOM；若若U+U- 则则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用注意：此时不能用虚短虚短！概概 述述电压比较器电压比较器2. 2. 运放

26、工作在非线性状态的分析运放工作在非线性状态的分析方法：方法：Exit概概 述述 3.3.电压比较器的种类电压比较器的种类b. 迟滞比较器迟滞比较器: 两个阈值电压两个阈值电压UT1 UT2.输入电压向单一方向输入电压向单一方向变化时变化时,输出电压跃变一次输出电压跃变一次.a. 单限比较器单限比较器: 一个阈值电压一个阈值电压UT.c. 窗口比较器窗口比较器: 两个阈值电压两个阈值电压UT1 UT2.输入电压向单一方向输入电压向单一方向变化时变化时,输出电压跃变两次输出电压跃变两次.电压比较器电压比较器图图1图图2图图3Exituoui0+UOM-UOM+uoui+uouiuoui0+UOM-

27、UOM单门限电压比较器单门限电压比较器1.1.过零比较器过零比较器: :（门限电平（门限电平=0=0）电压比较器电压比较器Exit+uouituituo+Uom-Uom例题：例题：利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波。将正弦波变为方波。单门限电压比较器单门限电压比较器1.1.过零比较器过零比较器: :（门限电平（门限电平=0=0）电压比较器电压比较器Exit+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压为参考电压当当 ui UREF时时 ： uo = +Uom当当 ui UREF时时 ： uo = -Uom 运放处于开环状态运放处于开环状态2. 单门限比较器单门

28、限比较器（与参考电压比较）（与参考电压比较）单门限电压比较器单门限电压比较器电压比较器电压比较器Exituoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时 ： uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入2. 单门限比较器单门限比较器（与参考电压比较）（与参考电压比较）单门限电压比较器单门限电压比较器电压比较器电压比较器运放处于开环状态运放处于开环状态+uouiUREFExit+uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了忽略了UD3. 限幅电路限幅电路使输出电压稳定使输出电压稳定单门限电压比较器单门限电压

29、比较器电压比较器电压比较器Exit+uiuo UZR R_稳幅电路的另一种形式：稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上将双向稳压管接在负反馈回路上uoui0+UZ-UZR =R3. 限幅电路限幅电路使输出电压稳定使输出电压稳定单门限电压比较器单门限电压比较器电压比较器电压比较器ExitREFNURRRuRRRu2121211REFTPNURRUuu12 0，则阈值电压，则阈值电压令令单门限电压比较器单门限电压比较器电压比较器电压比较器4. 一般单限比较器一般单限比较器Exit当当ui UT时时, uN UT时时, uN up, u/0=-UOM, u0=U0L=-UZ; 若若URE

30、F0, 则电压传输则电压传输特性如图特性如图(b)4. 一般单限比较器一般单限比较器单门限电压比较器单门限电压比较器电压比较器电压比较器Exit 1).由集成运放输出端所接限幅电路确定电压比较由集成运放输出端所接限幅电路确定电压比较 器的输出器的输出U0L或或U0H. 2).写出写出uN和和uP的表达式的表达式,令令uP = uN ,解得的输入电解得的输入电 压即为阈值电压压即为阈值电压UT. 3).由由u0在在ui过过UT时的跃变方向决定时的跃变方向决定ui作用于集成作用于集成 运放的哪个输入端运放的哪个输入端, 当当ui 从从反相反相端输入时端输入时, ui UT , u0= U0L;当当ui 从从同相同相端输入时端输入时, ui UT , u0= U0H;电压比较器电压比较器分析电压传输特性方法分析电压传输特性方法: :Exit特点特点:电路中使用正反馈。电路中使用正反馈。1）有正反馈，输出饱和。）有正反馈，输出饱和。0211000uRRRUuMMUU则+uoRR2R1uiU+电压比较器电压比较器迟滞比较器迟滞比较器Exit2）当）当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：+OM211+UURRRUT T 3）当）当uo负饱和时负饱和时(uo =-UOM) ：-OM211+U