集成运算放大器集成电路

1、第10章集成运算放大器集成电路本章内容10.1 集成运算放大器概述10.2 反馈的基本概念10.4 基本运算电路10.6 RC正弦波振荡器10.5 电压比较器10.3 理想运算放大器10.7 有源滤波器第10章集成运算放大器集成电路本章要求1. 了解集成运放的基本组成及主要参数。2. 了解掌握运算放大器的电压传输特性和基 本分析方法。3. 掌握用集成运放组成的比例、加减、微分 和积分运算电路的工作原理。4.了解有源滤波器的工作原理。5. 理解电压比较器的工作原理和应用。第10章集成运算放大器集成电路 集成运算放大器的概述 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它是发展最早

2、、应用最广泛的一种模拟集成电路。运放的应用领域：信号处理、信号测量 、波 形转换、自动控制等。运放的模拟计算：信号的加、减、乘、除、积 分、微分、对数等运算。第10章集成运算放大器集成电路 集成运算放大器的概述一、运算放大器的组成输入级：都采用带恒流源的差分放大电路，输入电 阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号。输入级 中间级输出级输入端输出端中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的 共发射极放大电路。输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，一般由 互补对称电路或射极输出器构成。1、电路组成：第10章集成运算放大器集成电路uo+u+u 集成运算放大器的概述2、运放的电路符号：+UCCUEEuo

3、+u+uuo+u+u一、运算放大器的组成反相输入端同相输入端输出端第10章集成运算放大器集成电路 集成运算放大器的概述二、集成运算放大器的特点1、Auo 高: 80dB140dB2、rid 高: 10510113、ro 低: 几十 几百4、KCMR高: 70dB130dB电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、零点漂移小，抗干扰能力强，可靠性高、体积小，低成本、能耗小等。第10章集成运算放大器集成电路 集成运算放大器的概述三、主要参数1. 最大输出电压 UOPP 使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益 Auo 未接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高， 所构成的

4、运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围 UICM 运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运 放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3. 输入失调电压 UIO4. 输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流 IIB第10章集成运算放大器集成电路 集成运算放大器的概述四、运算放大器电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui) +UOMUOM线性区饱和区 u+ u uo Ouo = Auoui= Auo(u+ u)1、线性区： uo = Auo(u+ u)2、非线性区饱和区： u+ - u X 时，uo = +UOM u+ - u 1，称为深度负反馈，此时：在深度负反馈的情

5、况下，闭环放大倍数仅与反馈电路的参数有关。第10章集成运算放大器集成电路例：|A|=300，|F。 反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善1.提高放大倍数的稳定性第10章集成运算放大器集成电路2. 改善波形失真Auiuf加反馈后uo大略小略大略小略大 负反馈是利用失真的波形来改善波形的失真，因此只能减小失真，而不能完全消除失真。uoAF小接近正弦波正弦波 反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善uiud第10章集成运算放大器集成电路3.展宽通频带引入负反馈使电路的通频带宽度增加无负反馈有负反馈BWfBWf|Au|O 反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善第10章集成运算放大器集

6、成电路uiubeib+4. 对输入电阻的影响在同样的 ib下，ui= ube + uf ube，所以 rif 提高。串联负反馈无负反馈时：有负反馈时：uf+使电路的输入电阻提高 反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善第10章集成运算放大器集成电路if无负反馈时：有负反馈时：在同样的ube下，ii = ib + if ib，所以 rif 降低。并联负反馈使电路的输入电阻降低iiibube+4. 对输入电阻的影响 反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善第10章集成运算放大器集成电路 电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即有恒压输出特性，故输出电阻降低。 电流负反馈具有稳定输出电流的作用，

7、即有恒流输出特性，故输出电阻提高。电压负反馈使电路的输出电阻降低电流负反馈使电路的输出电阻提高5.对输出电阻的影响 反馈的基本概念三、负反馈对放大电路性能的改善第10章集成运算放大器集成电路 理想运算放大器一、理想运算放大器的条件1、开环电压放大倍数 Auo +UCCUEEuo+u+u2、开环输入电阻 ri 3、开环输出电阻 ro 04、共模抑制比 KCMR 第10章集成运算放大器集成电路 理想运算放大器二、理想运算放大器的特性1. 工作在饱和区的特点u+ u 时， uo = +UOM u+ 0 ui = Ui 0 采用运放组成的积分电路,由于充电电流基本恒定,故 uo 是时间 t 的一次函数

8、,从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化UiUi四、积分运算电路 基本运算电路第10章集成运算放大器集成电路比例-积分运算电路uoCFuiR2R1+RFifi1上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分 这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。 改变 RF 和 CF，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。 基本运算电路第10章集成运算放大器集成电路五、微分运算电路ifi1由虚短及虚断可得 i1 = ifuoC1uiR2RF+uitOuotOUiUi动画 基本运算电路第10章集成运算放大器集成电路 基本运算电路比例-微分运算电路

9、PD调节器C1uiR2RF+uo+R1ifiCiR上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分 控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。第10章集成运算放大器集成电路电压比较器的基本功能： 电压比较器用来对两个输入电压信号的大小进行比较。在输出端显示比较结果。电压比较器的用途： 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合 。电压比较器的组成： 运放工作在开环或引入正反馈状态。工作在非线性饱和区。10.5 电压比较器第10章集成运算放大器集成电路一、单限电压比较器10.5 电压比较器输入信号ui从运放的一端输入,而另一端

10、加固定的参考电压UR 。URuouiR2+R1+1、反相输入电压比较器电压传输特性UOM +UOMuiuoOURuiUR 时，uo = UOM可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。输出跃变所对应的输入电压称阈值电压(门限电平) 。 第10章集成运算放大器集成电路一、单限电压比较器10.5 电压比较器URuouiR2+R1+1、反相输入电压比较器UOM +UOMuiuoOURuitOUROuot +UOM UOMt1t2当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。第10章集成运算放大器集成电路一、单限电压比较器10.5 电压比较器2、同相输入电压比较器ui UR，uo=+ UOMu

11、i UR，uo= UOMuiuoURR2+R1+uiuoOURtuiOURt1t2Ouot +UOMUOMUOM+UOM第10章集成运算放大器集成电路3、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 UOM +UOMuiuoOUR10.5 电压比较器一、单限电压比较器第10章集成运算放大器集成电路4、过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波UOM +UOMuiuoOUR= 0tuiOtuo+UOMUOMO10.5 电压比较器一、单限电压比较器UR=0uouiR2+R1+第10章

12、集成运算放大器集成电路5、电压比较器应用过热保护RT是负温度系数热敏电阻，温度高，电阻小 ui大 uo=UOM T导通 KA有电 停止电加热。10.5 电压比较器一、单限电压比较器URuoR2+R1uiRTR3R4DKA+UCC控制对象电加热器KA220V第10章集成运算放大器集成电路二、滞回电压比较器电路中引入正反馈RFR2uoui+R1+10.5 电压比较器单限比较器电路简单，但抗干扰能力差。在uiUR时，干扰易引起输出误跳变，故常采用滞回电压比较器。提高了比较器的响应 速度输出电压的跃变不是 发生在同一门限电压 上。第10章集成运算放大器集成电路二、滞回电压比较器上门限电压下门限电压当

13、uo = + UOM， 则 当 uo = UOM， 则门限电压受输出电压的控制RFR2uoui+R1+10.5 电压比较器上门限电压 U+ ：ui 逐渐增加时的门限电压下门限电压U+：ui 逐渐减小时的门限电压第10章集成运算放大器集成电路uiuoO UOM+UOM电压传输特性uitOuoOt+UOMUOM两次跳变之间具有迟滞特性滞回比较器10.5 电压比较器RFR2uoui+R1+二、滞回电压比较器第10章集成运算放大器集成电路根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+URRFR2uoui+R1+uiuoOUOM+UOM电压传输特性当参考电压U

14、R不等于零时10.5 电压比较器第10章集成运算放大器集成电路定义：回差电压 与过零比较器相比具有以下优点：1. 改善了输出波形在跃变时的陡度。2. 回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰 能力越强。结论：1. 调节RF 或R2 可以改变回差电压的大小。2. 改变UR可以改变上、下门限电压， 但不影回差 电压U。 电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。10.5 电压比较器第10章集成运算放大器集成电路解：对图（1） 上门限电压 下门限电压例：电路如图所示，UOM =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。（1）RFR

15、2uoui+R1+URRFR2uoui+R1+（2）10.5 电压比较器第10章集成运算放大器集成电路解：对图（2） 例：电路如图所示，UOM =6V，UR = 5V， RF = 20k，R2 =10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui+R1+URRFR2uoui+R1+（2）10.5 电压比较器第10章集成运算放大器集成电路（1）RFR2uoui+R1+URRFR2uoui+R1+（2）uiuoO-6-226 图(1)的电压传输特性图(2)的电压传输特性uouiO -661.335.3310.5 电压比较器第10章集成运算放大器集成电路10.5 电压比较器三、双限电压比较器uiuoO

16、+UOM电压传输特性双限电压比较器应用于判断ui在两个给定电压之间。uoui+UHULD1D2第10章集成运算放大器集成电路10.6 RC正弦波振荡器由于学时限制,该节自学。第10章集成运算放大器集成电路一、有源滤波器 滤波器是一种选频电路。 它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。 无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。 有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。 缺点：低频时体积大，很难做到小型化。 优点：体积小、效率高、频率特性好。 按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。10.7 有源

17、滤波器第10章集成运算放大器集成电路1. 有源低通滤波器uiuoRFuCCR+R1+设ui为正弦波信号, 则故：一、有源滤波器10.7 有源滤波器第10章集成运算放大器集成电路若频率 为变量，则电路的传递函数其模为 幅频特性0| Auf0 | T(j) |O10.7 有源滤波器第10章集成运算放大器集成电路 当 0时，| T(j)| 衰减很快 显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。 为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR+R1+ui+RC一阶二阶 幅频特

18、性0| Auf0 | T(j) |O第10章集成运算放大器集成电路2. 有源高通滤波器uiuoRFCR+R1+设ui为正弦波信号，则故：一、有源滤波器10.7 有源滤波器第10章集成运算放大器集成电路2. 有源高通滤波器一、有源滤波器10.7 有源滤波器 可见，电路使频率大于0 的信号通过 ，而小于0 的信号被阻止，称为有源高通滤波器。 其模为 幅频特性0| Auf0 | T(j) |O第10章集成运算放大器集成电路控制信号模拟开关模拟输入信号1.电路二、采样保持电路 SuC+ui+uo+ 采样保持电路，多用于模-数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间,所以在A/D转换前必须对

19、模拟量进行瞬间采样,并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。 用于数字电路、计算机控制及程序控制等装置中。采样存储电容电压跟随器10.7 有源滤波器第10章集成运算放大器集成电路2.工作原理1.电路采样阶段：uG为高电平，S闭合(场效应管导通)， ui对存储电容C充电，uo= uC = ui 。保持阶段：uG为0，S断开(场效应管截止)，输出 保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲uitouGto采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。 SuC+ui+uo+二、采样保持电路10.7 有源滤波器第10章集成运算放大器集成电路10.8 运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用： 产生一定

20、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。第10章集成运算放大器集成电路一、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 通过 RF 对电容C充电， uC 按指数规律增长。 RFCuC+R1R2uo+充电UR+10.8 运放在波形产生方面的应用第10章集成运算放大器集成电路当 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+动画10.8 运放在波形产生方面的应用第10章集成运算放大器集成电路3. 工作波形充电放电uouCt1t3t2T = T1+T2电容充放电过程，uC 的响应规律为4. 周期与频率T1T2TUo(sat)+ Uo(sat)10.8 运放在波形产生方面的应用第10章集成运算放大器集成电路在充电过程中在放电过程中矩形波的周期矩形波的频率充放电时间常数相同： = RC 矩形波常用于数字电