第14章 集成运算放大器02simple

1、1. 1. 了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；了解和熟悉集成运算放大器的组成及其图符号；2. 2. 掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；掌握集成运放的理想化条件及其分析方法；3. 3. 理解集成运放的线性应用及其工作原理；理解集成运放的线性应用及其工作原理；4. 4. 了解一般集成运放的简单非线性应用。了解一般集成运放的简单非线性应用。第14章 集成运算放大器n14.1 集成运算放大器概述n14.2 反馈的基本概念n14.3 负反馈对放大电路性能的改善n14.4 理想运算放大器n14.5 基本运算电路n14.6 电压比较器n14.7 RC正弦波振荡电路Home14.1 集成运算放大器

2、概述n14.1.1 集成运算放大器的组成n14.1.2 电压传输特性14.1.1 集成运算放大器的组成n概念:是一种电压放大倍数很高的直接耦合的多级放大电路n组成:输入级,中间级和输出级三个基本部分组成n输入级:双端输入的差分放大电路n中间级:完成电压放大,一般采用共射放大电路n输出级:采用互补对称放大电路或共集放大电路 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，一般由四部分组成。结构具有共同之处，一般由

3、四部分组成。 输入级输入级一般是差动放大器，利用一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整个电路的共模其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输抑制比和电路性能，输入级有反相输入端、同相输入端两个输入端；入端、同相输入端两个输入端； 中间级中间级的主要作用是提高电压增的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路组成；益，一般由多级放大电路组成； 输出级输出级一般由电压跟随器或互补一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。提高带负载能力。 偏置电路偏置电路是为各级提供合适的工是为各级提供合适的工作电流。作电流。

4、 此外还有一些过载保护电路及高此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。频补偿环节等辅助环节。集成电路的几种外形集成电路的几种外形左图所示为左图所示为A741A741集成运算放大器的芯片实物外形图集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出，从实物外形图上可看出，A741A741集成运放有集成运放有8 8个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：个管脚，管脚的排列图、电路图符号如下：12876543空脚空脚正电源端正电源端输出端输出端调零端调零端调零端调零端 反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端负电源端负电源端集成运放的电路图符号集成运放的电路图符号U0U+U-同相输入同相输入

5、反相输入反相输入+12V输出输出6513724-12V调零电位器调零电位器外部接线图外部接线图 指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的下的直流差模电压增益。集成运放的Au0一般很高，约为一般很高，约为104107； 集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间；低，约在几十欧至几百欧之间；（2）差模

6、输入电阻）差模输入电阻ri和输出电阻和输出电阻r0 （1）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数Au0 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。器件损坏。（3）最大共模输入电压）最大共模输入电压Uicmax 14.1.1 集成运算放大器的组成集成运放的特点：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零点漂移小零点漂移小抗干扰能力强抗干扰能力强可靠性高可靠性高,体积小体积小,耗电

7、少耗电少14.1.2 电压传输特性n集成运放的输出电压与输入电压之间的关系称为集成运放的电压传输特性uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之输出与输入之间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_+Ao运放工作在线性区时的特点运放工作在线性区时的特点CoOMEuUmax例：若例：若UOM=12V，Ao=106， 则则|ui|1：结论：结论：当当 Ao 很大时，负反馈放大器的闭环放大倍很大时，负反馈放大器的闭环放大倍数与晶体管无关，只与反馈网络有关。即负数与晶体管无关，只与反馈网络有

8、关。即负反馈可以稳定放大倍数。反馈可以稳定放大倍数。FAAAooF1FAF114.2.1 反馈的分类n1 正反馈和负反馈n2 交流反馈和直流反馈n3 串联反馈和并联反馈n4 电流反馈和电压反馈1 正反馈和负反馈正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。另一角度另一角度正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。判别方法：判别方法：瞬时极性法瞬时极性

9、法。即在电路中，从输入端开始，沿着。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 （正斜率或负斜率，用（正斜率或负斜率，用“+”、“- -”号表示）。号表示）。例例vIvO- -+RLR2R1(+)(+)(-)(-)(-)净输入量净输入量vIvO- -+RLR2R1(+)(+)(-)(-)净输入量净输入量负反馈负反馈正反馈正反馈vO- -+R4R5R3- -+vIR1R2反馈通路反馈通路反馈通路反馈通路级间反馈通路级间反馈通路(+)(+)(+)(+)(-)(-)净输入量净输入量级间负反馈级间负反馈反馈通路反馈通路本级反

10、馈通路本级反馈通路由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的称其所谓的理想运放理想运放。理想运放的条件理想运放的条件oAir0or)uu(Auoo虚短路虚短路uu0iI放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。虚开路虚开路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点一、在分析信号运算电路时对运放的处理一、在分析信号运算电路时对运放的处理二、分析运放组成的线性电路的出发点二

11、、分析运放组成的线性电路的出发点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， 可以分开分析可以分开分析。0iIuuu+uo_+uIi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14.5 基本运算电路n比例运算电路n加法运算电路n减法运算电路n微分运算电路n积分运算电路比例运算电路比例运算电路信号的运算电路信号的运算电路作用：作用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环

12、负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。数有关。0uui1= i221RuRuoi12RRuuAiouuo_+ + R2R1RPuii1i21. 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：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。虚开路虚开路平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP =R1 / R2uo_+ + R2R1RPuii1i2二、同相比

13、例运算电路二、同相比例运算电路_+ + R2R1RPuiuou-= u+= ui12RuRuuiioiouRRu)1 (12反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。1211RRuuAou虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。虚开路虚开路_+ + uiuoiouuuu此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。器相同，但是电压跟随性能

14、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。 加减运算电路加减运算电路作用：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：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。数

15、有关。一、反相求和运算一、反相求和运算R12_+ R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，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。以适应不同的需要。FPR/R/RR12110uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影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电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。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个数，实际应用时可适当

16、增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。22211R/RR/RF-R1RF+ui1uoR21R22ui2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 的关系如何？的关系如何？)(1 (212111111211121iiFouRRRuRRRRRu注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。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）2222121122212

17、2iiuRRRuRRRu3、减法运算电路、减法运算电路 +-+ui1uoR2R1Rfu-u+R3ui2ui1单独作用：单独作用：uo1 =(- Rf / R1 ) ui1ui2单独作用：单独作用：uo2 =(1+ Rf / R1 ) ui2R3R2 + R3 uo = uo1 + uo2 =(1+ Rf / R1 ) ui2 - ui1R3R2 + R3 RfR1ui1和和ui2共同作用时：共同作用时：当 R2 = R1 ， Rf = R3 ： uo = ( Rf / R1 )( ui2 - ui1 ) 当 R1 = R2 = R3 = Rf ：uo = ui2 - ui1 四、双运放的加减运

18、算电路四、双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R625461213FFR/R/RR,R/R/RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo五、三运放电路五、三运放电路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+1 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短路：虚短路：虚开路：虚开路：)(21212iiWWouuRRRRRu

19、 三运放电路是差三运放电路是差动放大器，放大动放大器，放大倍数可变。倍数可变。 由于输入均在同由于输入均在同相端，此电路的相端，此电路的输入电阻高。输入电阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1+AR2R2uo+uiRP +CRiCiRuo由于反相输入端虚地，且 ii，由图可得：CRiiRuiiR，dtduCdtduCiCoC由此可得：dtuRCui1o输出电压与输入电压对时间的积分成正比。若 ui为恒定电压 U，则输出电压 uo为：tRCUuo ui为恒定电压时积分电路为恒定电压时积分电路uo的波形的波形uouiUUOMtt00 iC ui RP + + C R iR uo u

20、o ui U t t 0 0 )90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC90运算电路运算电路要求要求1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。路图及放大倍数公式。2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3. 会用会用 “虚开路虚开路(ii=0)”和和“虚短路虚短路(u+=u) ”分析给定运算电路的分析给定运算电路的 放大倍数。放大倍数。 运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输运算放大器处在

21、开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压输出电压uo达到最大值达到最大值UOM。电路特点：电路特点：1、在反相输入端提供一个基值电压；、在反相输入端提供一个基值电压；2、待比较信号由同相输入端输入；、待比较信号由同相输入端输入；3、电路处于开环工作方式，运放工作在饱和区（非线性区）；、电路处于开环工作方式，运放工作在饱和区（非线性区）；4、输出、输出 uo 为二值信号；为二值信号；( uo = AU ( ui - UR ) ) +-+ui+-URuou-u+uiuoUR+Uom

22、-Uom例：例：uiURuo-Uom+Uom基准电压基准电压UR=0时，输入电压时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。与零电位比较，称为过零比较器。 输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽，忽略正向导通电压，则略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，时，稳压管正向导通， uo=0；uiUR时，稳压管正向导通，时，稳压管正向导通， uo=UZ；uiUR时，稳压时，稳压管反向击穿，管反向击穿， uo=UZ时。时。 电压比较器广泛应用电压比较器广泛应用在模在模- -数接口、电平检测数接口、电平检测及波形变换等领域。右图及波形变换等领域。

23、右图所示为用过零比较器把正所示为用过零比较器把正弦波变换为矩形波的例子。弦波变换为矩形波的例子。例：例：已知已知ui波形，波形，UZ= 6V；画出画出uo波形波形 +-+-UR=2VUZuiuoRui+4v-4vuo分析：分析：1、输出电压只能是、输出电压只能是 + 6V或或 -6V；2、 uo 为为+ 6V，则运放输出端，则运放输出端 电压为正，对应输入端应电压为正，对应输入端应 满足满足u- u+ ，即，即ui u+ ，即，即ui 2V；u-u+2V-6V+6V14.4 滞回比较器滞回比较器1.滞回比较器滞回比较器(下行下行)特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态

24、运放处于非线性状态1、因为有正反馈，所以输、因为有正反馈，所以输出饱和。出饱和。2、当、当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：Hom211+UURRRU 3、当、当uo负饱和时负饱和时(uo =-UOM) ：Lom211+UURRRU +uoRR2R1uiU+uoRR2R1uiU+滞回比较器滞回比较器(下行下行)uoui0+Uom-UomU+HU+L设设ui , 当当ui = U+H , uo从从+UOM -UOM传输特性传输特性uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压上门限电压U+L下门限电压下门限电压U+H - U+L称为回差称为回差om211URRR HU om21

25、1URRR LU tuiU+HU+LtuoUom-Uom例例:设输入为正弦波设输入为正弦波, 画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1uiU+R212om211HURRRURRRU R212om211LURRRURRRU 加上参考电压后的滞回比较器加上参考电压后的滞回比较器(下行下行)：+uoRR2R1uiUR上下限：上下限：uoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM例题：例题：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当当输入输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。uoui0U+HU+L+uoRR2R1uiU

26、R传输特性传输特性上下限：上下限：R212om211HURRRURRRU =10VR212om211LURRRURRRU =2V2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM+uoRR2R1uiUR+uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L滞回比较器滞回比较器(下行下行)两种电路两种电路传输特性传输特性的比较的比较:1 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fidXXX改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反

27、馈电路FiX+ dXoXfX14.3 正弦波振荡电路正弦波振荡电路如果：如果：,ifXX则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ +dXoXfX自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导fidofdooXXXXFXXAXFAAXXAooioF1基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfXFAo=1自激振荡的条件自激振荡的条件基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfXoffdXFXX

28、X,oodooXFAXAX自激振荡的条件：自激振荡的条件：1)()(FA因为：因为：AAA|)(FFF|)(所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。问题问题1：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅是要求输出的幅度。起振时度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+ B =2n ，即可起振。即可起振。问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会