电工学课件集成运算放大器（凤山书屋）

1、第16章 集成运算放大器1阳山书屋c主要内容集成运算放大器的简介运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号处理方面的应用运算放大器在波形产生方面的应用使用运算放大器应注意的几个问题2阳山书屋c 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成电路： 集 成 度：SSI、MSI、LSI、 VLSI （ASI） 导电类型：双极型、单极型 兼容型 信号类型：数字、模拟、混合 优 点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高模拟集成电路：集成运算放大器、集成功率 放大器、集成稳压电源、集成数模转 换电路 3阳山书屋c16.1.1 集成运算放大器的特点 尽量避免使用电容。输入级采用差动放大电路。电阻值大致为100 3

2、0k。二极管都采用三极管构成。 4阳山书屋c16.1.2 电路的简单说明 一、运放构成输入级中间级偏置 电路输出级输入端输出端输 入 级：由差放构成。可减小零点漂移和抑制干扰。中 间 级：共射放大电路。用于电压放大。输 出 级：互补对称电路。降低输出电阻，提高带载 能力。偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态 工作点。5阳山书屋c 在制造工艺上，运放中很难制造电感、电容元件，所以需要时一般都采取外接的方法。制造电阻比较容易，而制造晶体管却最容易。运放举例：LM741 LM741 1 2 3 48 7 6 5 741761432582反相输入端 出于集成化的原因及放大缓变信号和直流信号的

3、需要，运放各级之间均采用直接耦合的方式。6输出端3同相输入端4负电源端7正电源端8闲置端（NC）1、5接调零电位器6阳山书屋c二、运放特点 开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百K）； 输出电阻低（约几百）； 漂移小、可靠性高、体积小、 重量轻、价格低 。7阳山书屋c16.1.3 主要参数1、最大输出电压UOPP能使输出电压与输入电压保持不失真关系的最大输出电压。2、开环电压放大倍数Auo没有外接反馈时所测出的差模电压放大倍数。3、输入失调电压Uio为使输出等于零而在输入端加的微小补偿电压。（调零工作已由调零电位器来完成，如前所述）8阳山书屋c4、输入失调电流Ii当输入信号

4、为零时，两个输入端的静态基极电流之差。其值愈小愈好。一般在零点零几微安级。5、输入偏置电流IiB当输入信号为零时，两个输入端的静态基极电流的平均值，其值愈小愈好。一般在零点几微安级。6、最大共模输入电压UiCM 运放对共模信号具有抑制的性能，但这个性能是在规定的共模电压范围内才具备。如超出这个电压，运放的共模抑制能力就大为下降，甚至造成器件损坏。9阳山书屋c3）开环输出电阻 ro02）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想化条件：1）开环电压放大倍数 Auo +-u-u+uo理想运放电路模型16.1.4 理想运算放大器及其分析依据 10阳山书屋c 实际运放的参数指标很接近理想化

5、条件，故用理想运放代替实际运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的。 右图所示为运放输入和输出电压的关系曲线，称为传输特性。从图中看到，实际运放的传输特性与理想运放比较接近。o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性理想特性u+ - u-运算放大器的传输特性11阳山书屋c虚地虚断虚短o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性u+ - u-线性区饱和区饱和区 从运放的输入特性看，可分为线性区和饱和区，运放在不同区工作时的分析方法不同：线性区： uo=Auo(u+-u-)rid ，故两输入端的输入电流为零。 Auo ，uo为有限值，故 u+-u-=uo/Auo0 即 u+ u-分析依据当有信号输

6、入时，如同相端接地，即u+=0 则 u- 0虚短12阳山书屋c饱和区： uoAuo(u+-u-)当u+ u- 时,uo=uo(sat) 当u+ R424阳山书屋cP123习题16.2.10 解：用结点电压法求u+25阳山书屋c 运放除了能完成信号的运算，还能完成信号滤波、采样保持及比较等处理工作。16.3 运放在信号处理方面的应用16.3.1 有源滤波器 滤波器是一种选频电路选出有用信号，而抑制无用信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减小；而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减大。按选择频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。 将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入

7、端构成有源滤波器（因运放是有源器件），性能会得到较大的改善：体积小、效率高、频率特性好等。26阳山书屋cuiuo +-RC有源低通滤波器ucRFR11. 有源低通滤波器o幅频特性27阳山书屋co幅频特性28阳山书屋c2. 有源高通滤波器 +R1RFRCuiu0 0由RC电路得出：29阳山书屋c故30阳山书屋c其模为：幅角为：31阳山书屋c16.3.2 采样保持电路 当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。采样保持技术常用于数字电路、计算机和程序控制等装置中。uiuo +-RC采样保持电路ucR1S控制信号ououi

8、采样保持t输入输出波形32阳山书屋c16.3.3 电压比较器uRuo +-R2电压比较器R1ui 运放工作于开环状态，uR是参考电压，当输入与参考电压有微小差值时，输出信号便会达到饱和，即运放工作于非线性饱和区。 参考电压等于零时，称为过零比较器。Uo(sat)-Uo(sat)o传输特性uouiuR33阳山书屋c电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)运放处于开环状态基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+R1+当 u+u 时，uo= +Uo (sat) u+u 时，uo= Uo (sat) 即 uiUR 时，uo = Uo (sa

9、t)可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。参考电压34阳山书屋cuitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR35阳山书屋cui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+R1+uiuoURR2+R1+ Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR36阳山书屋cURuouiR2+R

10、1+uiuoURR2+R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t237阳山书屋c输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则 ui UR，uo = UZUZ UZuoRDZURuouiR2+R1+电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURuiUR 时，uo = Uo (sat) 38阳山书屋c过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波电压传输特性Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR= 0tuiOtuo+Uo(sat)Uo(sat)

11、OURuouiR2+R1+39阳山书屋c滞回比较器40阳山书屋c分析： 当输出为+UZ时 称为上限阈值电压； 当输出为-UZ时称为下限阈值电压 。41阳山书屋c窗口比较器42阳山书屋c16.4 运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用： 产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。43阳山书屋c16.4.1 矩形波发生器1. 电路结构 由滞回比较器、 RC充放电电路组成， 电容电压uC 即是比较器的输入电压，2. 工作原理设电源接通时， uo = +Uo(sat) ，uC(0) = 0。 电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。 uo

12、 通过 RF 对电容C充电， uC 按指数规律增长。 RFCuC+R1R2uo+充电UR+44阳山书屋c当 uo = +Uo(sat)时，电容充电， uC上升，电容放电， uC下降，当uC= UR 时，uo 跳变成 Uo(sat)当 uC= UR 时，uo 跳变成 +Uo(sat) ，电容又重新充电。放电2. 工作原理RFCuC+R1R2uo+充电UR+RFCuC+R1R2uo+UR+45阳山书屋c3. 工作波形充电放电uouCt1t3t2T1T2TUo(sat)+ Uo(sat)46阳山书屋c A1：滞回比较器 因 u = 0 ， 所以当 u+ = 0 时， A1状态改变16.4.2 三角波

13、发生器1. 电路结构A2：反相积分电路Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R147阳山书屋c2. 工作原理A1：滞回比较器 因 u- = 0 ，所以当 u+ = 0时，A1状态改变输出 uo1 改变(+UZ 跃变到UZ 或 UZ 跃变到 +UZ)，当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R148阳山书屋cTT1T23. 工作波形uo1 UZ UZtOuo (1) 改变比较器的输出 uo1、电阻R1 、R2 即可改变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数R4C 即可改变三角波的频率。tRCUuio-=49阳山书屋c16.4.3 锯齿波发生器1. 电路Cuo1R3DZR2+R6uoR5R4+A2A1R1三角波发