《电工电子技术》全套课件-第7章-集成运算放大器及其应用

1、7.1 集成运算放大电路概述7.2 放大电路中的负反馈7.3 集成运算放大器的线性应用7.4 集成运算放大器的非线性应用7.5 集成运算放大器使用时的注意事项7.6 集成运算放大器的应用举例 第7章 集成运算放大器及其应用学习目标了解集成运放的组成及各部分的作用。掌握理想运放的条件和传输特性。能够正确判断电路中是否引入反馈以及反馈的类型。掌握负反馈对放大电路性能的影响。理解集成运放线性应用的条件和两个重要分析依据。掌握集成运放的基本运算电路。了解集成运放在信号处理方面的应用。理解集成运放非线性应用的条件和分析依据。掌握集成运放构成的电压比较器。了解集成运放构成的各种信号发生电路。掌握集成运放使

2、用注意事项。7.1 集成运算电路概述7.1.1 集成运算放大器的组成及工作原理1、集成运算放大器的组成输入级中间级输出级u+u-uo差放放大差摸信号抑制共模信号输入电阻大共射放大倍数高射极输出器输出电阻小带负载能力强集成运放是一种电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、耗电少的通用电子器件。 u u+ uoA u 0 ：开环电压放大倍数2. 集成运放的符号u ：反相输入端；u+ ：同相输入端；uo ：输出端。圆壳式双列直插式空脚+UCC-UEE输出u-u+12345678A741 12876345A7413. 集成运放的管脚接调零电位器接调零电位器

3、7.1.2 集成运算放大器的传输特性正饱和区：线性区：负饱和区：7.1.3 集成运算放大器的主要参数一般略低于正、负电源电压。1）最大输出电压Uopp ：能使输入输出保持不失真关系的最大输出电压2）开环电压放大倍数A u 0 ：越大越好。 一般为104 1073）差模输入电阻rid 与输出电阻ro ：输入电阻很高。 一般为几十千欧几十兆欧。输出电阻很低。 一般为几十欧。无外接反馈时的差模电压放大倍数7）输入失调电压Uio ：Uo=0时，在输入端加的补偿电压反映了电路的不对称性。 一般为几毫伏。4）共模抑制比KCMRR ：对共模信号的抑制能力。很高。 一般为103 107 。运放能抑制共模信号的

4、范围。5）共模输入电压范围UiCM ：运放正常工作时，允许输入差模电压的范围。6）最大差模输入电压UidM ：7.1.4 理想运算放大器1、理想运放： rid KCMRR ro 0Au 2、理想运放的传输特性 uo=f（ui）uoui = u+ - u- +Uom -Uom理想运放有无线性区？3、理想运放的分析依据因为： ri d = u u+ uoii+1） i = i+ =0因为： u+ - u- = uo / A u 02） u+ = u-uo 为有限值， A u 0 为结论2只适用于理想运放闭环线性应用时！注意！“虚断”“虚短”结论1适用于理想运放工作在线性和饱和时！在实际中，集成运放

5、的Au0， ri d不可能是无穷大 ，所以“虚短”和“虚断”是两个近似的结论。理想运放的线性区趋近于0，所以运放要工作在线性区，必须引入深度负反馈。7.2 放大电路中的负反馈7.2.1 反馈的概念反馈：凡是将电路的输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）通过一定的电路（反馈回路）引回到输入端，与输入信号叠加，一同控制电路的输出，就称为反馈。负反馈：若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。正反馈：若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。放大电路中引入的一般为负反馈基本放大电路Ao反馈电路F反馈框图：净输入信号输出信号开环放大倍数反馈信号 反馈系数xixdxoxfxoxoxdxf= A0 xo

6、xd= F xfxoA0=xoxdF=xfxo反馈信号削弱净输入信号 负反馈反馈信号增强净输入信号 正反馈基本放大电路Ao反馈电路Fxixdxoxfxoxd = xi - xfxd = xi + xf7.2.2 反馈的类型及判断(1)根据反馈电路在输出端所采样的信号不同，可以分为电压反馈和电流反馈。如果反馈信号取自（正比于）输出电流，为电流反馈如果反馈信号取自（正比于）输出电压，为电压反馈(2)根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同，可以分为串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号串联（Xf=Uf）为串联反馈如果反馈信号与输入信号并联（Xf=If）为并联反馈负反馈电压串联负反馈电压并联

7、负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈1. 负反馈的类型1）电压串联负反馈Rf基本放大电路：运放反馈电路：R1 、 Rf反馈信号：Uf = UO R1 /（ R1 + Rf ）+-Uf净输入信号：Ud = u+ - u- = ui - uf负反馈：Uf与UO 同相，削弱了净输入信号；ud uiR1R2RLuo uo uf ud =ui-uf uo串联负反馈：Uf与Ui串联（电压相加减）；电压负反馈：Uf = UO R1 /（ R1 + Rf ）反馈信号正比于输出电压电压负反馈能稳定输出电压：串联电压负反馈Rf+-Ufud uiR1R2RLuoRf+-Ufud uiR1R2RLuo若考虑集成运放的A

8、od和rid很大，则流经R1 、 Rf的电流：电流只与输入ui有关，此时，将RL接到Rf位置，则可以获得稳定的电流。这种电路引入的是电流串联负反馈。iR1 = ui/R1 = iRf2）电流串联负反馈基本放大电路：运放反馈电路：Rf 、RL反馈信号：uf = io Rf净输入信号：ud = u+ - u- = ui - uf负反馈：uf与ui 同相，削弱净输入信号；Rf uiR2RLuoioufud串联负反馈：Uf与Ui串联（电压相加减）电流负反馈：Uf = io Rf反馈信号正比于输出电流电流负反馈能稳定输出电流：串联负反馈电路的输入电流很小，适用于输入信号为恒压源或近似恒压源的情况。io

9、uf ud =ui-uf uo ioRf uiR2RLuoioufud3）电压并联负反馈Rf基本放大电路：运放反馈电路：Rf反馈信号：if = -uO/ Rf净输入信号：id = ii - if负反馈：if与uo 反相， 削弱了净输入信号； uiR1R2RLuoifiiid并联负反馈：if与ii并联（电流相加减）电压负反馈：if = -uo/ Rf反馈信号正比于输出电压电压负反馈能稳定输出电压：并联电压负反馈Rf uiR1R2RLuoifiiidio uf ud =ui-uf uo io4） 电流并联负反馈基本放大电路：运放反馈电路：Rf 、 R3反馈信号：if = -io R3 /(Rf +

10、R3)净输入信号：id = ii - if负反馈：if与uo （ io ）反相，削弱净输入信号；ifiiidRfio uiR1R2R3uoRL并联负反馈：if与ii并联（电流相加减）电流负反馈：if = -io R3 / (Rf +R3)反馈信号正比于输出电流并联电流负反馈ifiiid uiR1R2R3uoRfioRL电流负反馈能稳定输出电流：if= ui /R1 =iiio= iR - if- Rf if= R3 iR iR = - Rf / R3 ifio= -if （1+Rf / R3 ）= -ui /R1 （1+Rf / R3）输出电流与负载无关。当元件参数确定后，输出电流不变。ifi

11、iid uiR1R2R3uoRfioiRRL归纳电路中引入不同组态的交流负反馈就可实现不同的控制关系，它们的放大倍数具有不同的物理意义：电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈放大电路中应引入电压负反馈还是电流负反馈，取决于负载欲得到稳定的电压还是稳定的电流；放大电路中应引入串联负反馈还是并联负反馈，取决于输入信号源是恒压源（或近似恒压源）还是恒流源（或近似恒流源）。2. 反馈类型的判断1）找出反馈网络将输入、输出联系起来的电路。Rf uiR1R2RLuoRf反馈网络： RfRL uiR1R2uo反馈网络一般由电阻或电阻、电容组成。反馈电路的结构决定了反馈信号是交流、直流或交、

12、直流。负反馈2）判断正、负反馈：瞬时极性法假设输入端瞬时极性为“+”（电位升高）；Rf uiR1R2RLuo由入至出，再由出至入，依次判断出各点的瞬时极性；若反馈信号使得净输入提高，为正反馈；若反馈信号使得净输入降低，为负反馈；RfRL uiR1R2uo负反馈ifRf uiR2RLuoiouf？负反馈！？正反馈！Rf uiR2RLuoio本级反馈反馈电路接至反相输入端为负反馈反馈电路接至同相输入端为正反馈if3） 判断串、并联反馈：看反馈电路与输入端的连接形式Rf uiR1R2RLuo若反馈信号与净输入信号串联（反馈信号以电压的形式出现）RfRL uiR1R2uo串联反馈并联反馈若反馈信号与净

13、输入信号并联（反馈信号以电流的形式出现）串联反馈并联反馈ifiiidudufRf uiR2RLuoiouf？串联反馈！？并联反馈！udifiiidR3ioiR uiR1R2Rfuo本级反馈反馈信号与输入信号接在同一输入端为并联反馈反馈电路与输入信号分别接在两个输入端为串联反馈4）判断电压、电流反馈：看反馈电路与输出端的连接方式Rf uiR1R2RLuo若反馈信号取自于输出电压，为电压反馈；电压反馈若反馈信号取自于输出电流，为电流反馈；ifiiidRf uiR2RLuoiouf电流反馈Rf uiR2RLuoiouf？电流反馈！？电压反馈！RfRL uiR1R2uouduf本级反馈反馈信号直接从输

14、出端引出为电压反馈从负载电阻RL的靠近“地”端引出为电流反馈Rf1 uiR1R2uo1Rf3Rf2R1RLuoRf1 、 Rf2 ：本级并联电压负反馈；Rf3 ：ufuduo级间串联电压负反馈！负反馈电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈1. 负反馈的类型1）电压串联负反馈Rf uiR1R2RLuo2）电流串联负反馈Rf uiR2RLuo3）电压并联负反馈Rf uiR1R2RLuo4） 电流并联负反馈Rf uiR1R2R3uoRL7.2.3 负反馈对放大电路的影响基本放大电路Ao反馈电路FxixdxoxfxoA0=xoxdF =xfxoxd = xi - xf1. 降低放大倍

15、数Af：闭环放大倍数负反馈使放大倍数下降。2. 负反馈提高放大倍数的稳定性反馈深度称为深度负反馈，此时：若在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络的参数有关。引入负反馈使电路放大倍数的稳定性提高。3. 改善波形的非线性失真AouiufAouiuoFuduo加反馈前加反馈后引入负反馈将输出端的失真信号反送到输入端，使净输入信号发生某种程度的失真，经过放大后，即可使输出信号的失真得到一定程度的补偿。从本质上说，负反馈是利用失真了的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，不能完全消除失真。4. 展宽了通频带引入负反馈使电路的通频带宽度增加：fAfHFfH集成运放中都采用直接耦合，无耦合电容，故其低

16、频特性良好，展宽了通频带；引入负反馈后，在高频段通频带又能得到展宽。5. 对输入、输出电阻的影响1）串联反馈使电路的输入电阻增加：2）并联反馈使电路的输入电阻减小：3）电压反馈使电路的输出电阻减小：稳定输出电压！4）电流反馈使电路的输出电阻增加：稳定输出电流！7.3 集成运算放大器的线性应用理想运放引入深度负反馈，使运放工作于线性状态。运放的线性应用理想运放线性应用时的两个重要结论：1） i = i+ =0 “虚断”2） u+ = u- “虚短” u u+ uo虚地1. 比例运算电路1） 反相比例运算电路uiuo0uu=-+i1=ifi+= i- = 0i1ifi-i+u+u-7.3.1 基本

17、运算电路_+RfR1R2电压并联负反馈 uo 与 ui 为比例关系 uo 与 ui 反相位 若Rf=R1，则为 反相器 电压并联负反馈 R2 ： 平衡电阻，保持运放输入级电路的对称性 R2=R1/Rf_+RfR1R2uiuo电位为0，虚地 uic =02） 同相比例运算电路uiuo_+RfR1R2u-= u+= ui没有虚地概念。i1ifi-i+u+u-i+= i- = 0i1= if = = （ui - uo ）/ Rf- ui / R1电压串联负反馈 uo 与 ui 为比例关系 uo 与 ui 同相位 电压串联负反馈 R2 ： 平衡电阻 R2=R1/Rf_+RfR1R2uiuo uic=u

18、i同相比例系数也即电压放大倍数Af总是大于或等于1，不会小于1。电压跟随器uo_+ui 若Rf=0，或R1 = 电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小R3i1ifi-i+u+u-i+= i- = 0i1= if = = （u+ - uo ）/ Rf- u+ / R1_+RfR1R2uiuo2. 加法运算电路R12_+RfR11ui2uoR2ui1i11i12ifR2=R11/R12/Rf平衡电阻：叠加反相加法电路如图示。求uo的波形。_+100k100k50kui2uo25kui1tui1tui2tuo1v-1v-0.5v解：)uRRuRR(u2i12f1i11f0+-= -（100/100u

19、i1+100/50ui2）= -（ui1+2ui2）例1叠加原理3. 差动运算电路ui1ui2RfR1R2uoui1RfR1R2uouoRfR1R2ui2uo=uouo+uo=uouo+R3RfR1R2uoui1ui2ui1RfR1R2uoR3uoui2RfR1R2R3则：若： R1 = R2 R3 = Rf若： R2 = R3 = R1 = Rf则：减法器R3RfR1R2uoui1ui2差动运算电路广泛应用在测量和控制系统中。4. 积分运算电路=cucicdtduCiCC=dtiC1uCCi1ui-+R1R2Cfuoif反相积分 R1CF为积分常数保持如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出

20、将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-Uom线性函数积分tui0tuo0图示电路中，已知输入方波，输出是三角波。i1ui-+R1R2Cfuoif例2比例积分电路（PI）i1ifu i-+R1R2RfuoCf=积分若 u i = U则uo=R1CfU t- u i RFR1tuouit0U-Uom- u i RFR1比例保持i1ifu i-+R1R2RfuoCf5. 微分运算电路u i+uoRfR2i1ifC1tui0tuo0当输入为阶跃信号时，输出为尖脉冲例3图示电路中，已知输入正弦波，求输出波形u i+uoRfR2i1ifC1tui0tuo07.3.2 集成运算放大器在信

21、号处理方面的应用滤波器:低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器1. 有源滤波器使一定频率范围内的信号顺利通过，在此频率范围以外的信号衰减很大，不能通过。无源滤波器:一般由无源器件R、C组成有源滤波器:一般由有源器件集成运算放大器与R、C组成。特性差，带负载能力差，无放大作用幅频特性filter按幅频特性分类：低通高通带通带阻1.一阶低通滤波器CC无源RCR10.7070此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。截止频率处：0w截止频率一阶有源低通滤波器RR1RFC+-+幅频特性：00w截止角频率截止角频率：2） w = w0 时，低通，有放大作用，运放输

22、出，带负载能力强。1） w w0 时，3） w w0 时，w 4）w = 时，如何组成高通有源滤波器？RC对调RR1RFC+-+请同学们自行推导高通滤波器的幅频特性2. 采样保持电路uo uiR2ucS控制信号电压跟随器功能将变化较快的模拟信号变为阶梯信号。工作原理uo = u+ = uct0uo , uiui控制信号采样保持采样采样采样保持保持保持uo控制信号=1，S闭， uc = ui uo = ui 控制信号=0，S开， uc 保持， uo 保持 电路3. 信号变换电路1）电压电压变换器uo UZR2DZ12VR3R1RWUWUO = UW连续可调UZ ：基准电压2） 电压电流变换器R

23、uiR2RLuoiLiL= ui / R将电压变换为与其成正比的电流，输出电流与负载电阻无关。恒流源3） 电流电压变换器DRf-EuoILuo= iL Rf将电流变换为与其成正比的电压。4）电流电流变换器Rf ISRRLuo IL IfIf =IL RRf + RIS +If =0If = - IS = - IS7.3.3 RC正弦波振荡电路正弦波振荡器： 产生正弦波信号的电路。 接通电路的电源，即开始工作，输出一定频率的正弦波信号。不需要输入信号？是的！自激振荡 ！1. 自激振荡正反馈电路才能产生自激振荡负反馈：正反馈：基本放大电路Ao反馈电路FUiUdUoUfUoUd = Ui - UfU

24、d = Ui + Uf改成正反馈如果：基本放大电路Ao反馈电路FUiUdUoUfUoUd = Ui + UfUi= Uf去掉 ，仍信号输出。 Ui基本放大电路Ao反馈电路FUdUoUfUo反馈信号代替了放大电路的输入信号，输入信号为0时仍有输出，称为自激振荡。自激振荡的条件：基本放大电路Ao反馈电路FUdUoUfUo所以自激振荡条件可以写成：（1）幅值条件：（2）相位条件：（n是整数）相位条件保证反馈极性为正反馈，幅值条件保证反馈有足够的强度。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。因为： 为了得到单一频率的正弦波，自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、正反馈回路中应该有选频作用，将不要的频

25、率抑制掉。 Xi 最初是由放大电路接通电源时激起的一个微小的干扰信号提供的，这就是起始信号。它是非正弦信号，是由多种频率正弦信号叠加而成的。 为了让它发展增长，振荡电路中必须有放大和正反馈环节。选频电路通常由RC电路或LC电路组成。2. RC选频电路RCRC用RC电路构成的选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。UiUo文氏桥选频电路在振荡电路中是反馈网络UfUoRCRCUiUo若令（此时幅频特性值最大）则：对于频率为f0的信号：频率特性：+9090fff0在fo处：_+R2uoR13. 用运放组成的R

26、C振荡器：0A=j在f0 处：0f=j满足相位条件。AF=131F=RR1A12+=RCRCuf在f0 处：满足幅值条件。如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。起振并能稳定振荡的条件：1AFBUo时，1AFBUo=时，1AFBUo3，AF1，随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降。输出频率的调整_+RfuoRCCRK2K1R1R1R2R2R3R3改变R或C，可改变输出频率 ！正弦波振荡器的组成：放大环节 A正反馈环节 F选频网络稳幅环节7.4 集成运放的非线性应用+Auoui = u+ - u-运放工作在非线性状态。uo+UO

27、（sat） -UO（sat）ui = u+ - u- u+ u ，uo = +UO（sat） u+ uR ，uo = +UO（sat） ui uR ，uo = -UO（sat） uoui0-Uo(sat)URUo(sat)传输特性1. 基本电压比较器若基准电压加在同相输入端;若基准电压是负值;若基准电压加在反相输入端，且为负值;传输特性如何？若基准电压是负值; UR 0URui+uououi0+Uom-UomURUR为正，在同相端若基准电压加在同相输入端， UR U+H , 就有 u- u+ uo 立即由Uz 变成Uz ! U+Huc0t0tuoUz-Uz在 uc U+H 时，u- 0u+ 0

28、uo1 =+UZuo1 =-UZuo = - (UZ)t RC1uo = + (UZ)t RC1_uo-+RR5Cuo1+R1R2R4R3u+ =R1 + R2R1 uo1 +R1 + R2R2 uou+ = 0uo1 =+UZ时uo1 =-UZ时R1R2uo =+UZuo =-UZR1R2_uo-+RR5Cuo1+R1R2R4R30uo1tUZUZ0uot+UZR1R2-UZR1R2设t=0时，给电路加电uo1 =+UZC开始充电uo 线性下降uo =-UZR1R2uo1 =-UZC放电uo 线性上升uo =UZR1R2uo1 =+UZ周期和频率的计算：tuoT+UZR1R2-UZR1R2请

29、同学们课后自己推导改进电路调整电位器RW可以使三角波上下移动+A1A2uouo1R02R01RCR2R1+E-ERW改进电路tuoT1T2RT2RT1+R2R1-+RR2CuoR3. 锯齿波发生器uot-+RR2CuoR+R2R1uo1t一、运放的选择：根据用途选择合适的型号1、若要求放大电路对信号源的影响尽可能小应选择输入电阻大的运放2、若电路的输入为小信号应选择KCMRR大的运放另外，还有跟随性能良好的高速型运放；能耗低的低功耗运放； 提高输出功率的大功率运放等。 7.5 集成运算放大器使用时的注意事项二、运放的消振和调零为了避免系统产生自激振荡，而使系统不能稳定工作。1、消振加适当的补偿电容2、调零为了减小零漂对运放工作的影响令UI=0时，UO=0需要时外接消振和调零电路。三、运放的保护1、电源保护+UCC-UCC2、输入端保护 3、输出端保护7.6 集成运算放大器的应用举例RT-UCC (-15V)R1UT510kR2+-+A110kR310kR410kR5+-+A2+UCC (15V)R2RRP1220KRRP210K4.7kR6Uo1Uo210kR7+-+A3