集成运放电路基础教案课件

集成运放电路基础集成运放电路基础1基本差分放大器

静态时，由于电路结构完全对称，集电极电位相等，故输出为零。当温度变化，或电源电压波动，将引起两管集电极电流IC1、IC2同时增大或减小，这就是零飘现象，相当于在两管的输入端同时加人一对大小相等、极性相同的信号ui1、ui2，称为共模输入信号。对于共模输入信号，两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式，输出电压为零，或者说，差动放大电路的共模电压放大倍数AC=0，即差动放大电路可以有效地抑制零飘，换句话说，差动放大电路，对共模信号没有放大作用。第1页/共64页基本差分放大器静态时，由于电路结构完全对称，集电极电2典型的差分放大器

由于RE的电流负反馈作用，使每个管子的漂移又得到了一定程度的抑制，这样，输出端的漂移就进一步减小了。显然，RE愈大，电流负反馈作用愈强，因而抑制每个管子的漂移作用就愈显著。这样就进一步增强了差动电路抑制漂移和共模信号的能力。因此RE也称为共模负反馈电阻。第2页/共64页典型的差分放大器由于RE的电流负反馈作用，使每个管子3第3页/共64页第3页/共64页4第4页/共64页第4页/共64页5带恒流源的差动放大器

如图3-3（a）所示，就是一个具有恒流源的差放电路，图中：T3和R1、R2、RE3、T4、T5组成恒流源，电阻R1、R2、RE3用来调整和确定T3的静态工作电流IC3，二极管D4、D5用作温度补偿。将电流源简化，其电路如图3-3（b）所示。(a)(b)图3-3带恒流源的差分放大电路第5页/共64页带恒流源的差动放大器如图3-3（a）所示，就是一个具6第6页/共64页第6页/共64页7第7页/共64页第7页/共64页8差动放大器的输入、输出方式单端输入、单端输出的差分放大电路

单端输入、双端输出的差分放大电路双端输入、单端输出差分放大电路第8页/共64页差动放大器的输入、输出方式单端输入、单端输出的差分放大电路9

3.2集成运算放大器简介

集成运算放大器的基本结构及其特点1、集成运算放大器的基本结构第9页/共64页3.2集成运算放大器简介集成运算放大器的基本结构及其特点102、集成运算放大器的图形符号和管脚功能

集成运放的图形符号如图3-10所示。图中可见，集成运放有两个输入端和一个输出端，输入端输入方式有三种从“-”端输入(u-)称反相输入，输出电压与输入电压相位相反；从“+”端输入(u+)称同相输入，输出电压与输入电压相位相同；从“-”、“+”两个端输入称差分输出（uId=u--u+），输出电压与差分输入电压相位相反。3-10集成运放符号（a）国际标准符号；（b）习惯通用符号。第10页/共64页2、集成运算放大器的图形符号和管脚功能集成运放的图形11集成运算放大器主要参数的意义第11页/共64页集成运算放大器主要参数的意义第11页/共64页12第12页/共64页第12页/共64页13

(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；

(2)输入电阻趋于无穷；

(3)输出电阻趋于零；

(4)共模抑制比趋于无穷；

(5)有无限宽的频带；

(6)当输入端u

-=u

+时，uo=0。目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。理想集成运算放大器的分析方法第13页/共64页(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；理14集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图8.19所示的电压传输特性来描述。图8.19运算放大器的电压传输特性第14页/共64页集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图8.115第15页/共64页第15页/共64页16第16页/共64页第16页/共64页173.3基本运算电路1.反相比例运算电路第17页/共64页3.3基本运算电路1.反相比例运算电路第17页/共64页182.同相比例运算电路(a)同相比例运算电路

(b)电压跟随器

第18页/共64页2.同相比例运算电路(a)同相比例运算电路(b)电压跟随器193.加法运算电路第19页/共64页3.加法运算电路第19页/共64页204.减法运算电路第20页/共64页4.减法运算电路第20页/共64页21第21页/共64页第21页/共64页22第22页/共64页第22页/共64页23积分与微分电路

积分运算指集成运放的输出电压与输入电压的积分成比例的运算。积分运算电路如图3-21所示。图中，用CF代替RF构成反馈电路。1.积分电路

图3-21积分运算电路第23页/共64页积分与微分电路积分运算指集成运放的输出电压与输入电压的积242.微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，电阻R1与电容CF的位置对调一下，即得微分电路，电路如图3-22所示。图3-22微分运算电路第24页/共64页2.微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，电阻25

(1)电压比较器电压比较电路如图3-24所示。图3-24电压比较器3.4信号处理电路

信号幅度比较电路大致可分为三种：电压比较电路、滞回比较电路和窗口比较电路。第25页/共64页(1)电压比较器3.4信号处理电路信号26

图3-25过零比较器（a）电路图；（b）电压传输特性。第26页/共64页图3-25过零比较器第26页/共64页27图3-26有限幅的过零比较器（a）电路图；（b）电压传输特性。第27页/共64页图3-26有限幅的过零比较器第27页/共64页28[例3.6]设计一个简单的电压比较器，要求如下：

UREF=2V；输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V；当输入电压大于2V时，输出为低电平。解：因输入电压大于2V时，输出为低电平。故输入信号应加在反相输入端，同相输入端加2V的参考电压。又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出电压为-6V。综上所述，满足设计要求的电路如图8.38所示。第28页/共64页[例3.6]设计一个简单的电压比较器，要29

图3-27[例3.6]的电路图第29页/共64页第29页/共64页30

2.滞回比较器滞回特性的比较器(又称施密特触发器)，如图3-29所示。

3-29滞回比较器

第30页/共64页2.滞回比较器第30页/共64页31第31页/共64页第31页/共64页32

[例3.7]电路如图3-30（a）所示，试求上、下限阈值电压，并画出电压传输特性。（a）电路图（b）电压传输特性图3-30[例3.7]的图第32页/共64页[例3.7]电路如图3-30（a）所示，试求上、下限阈33第33页/共64页第33页/共64页343.窗口比较器

图3-31窗口比较器(a)电路图；(b)电压传输特性。

设UL<UH，当UI<UL时，D2导通、D1截止，输出电压uo为高电平Uom；当Ui>UH时，D1导通、D2截止，输出电压uo仍为高电平Uom。只有当UL<UI<UH时，D1、D2均截止，输出电压uo为低电平0。第34页/共64页3.窗口比较器图3-31窗口比较器设UL<UH，35有源滤波器

滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通过，而将此频率范围以外的信号衰减的电路。滤波器可以由无源的R、L、C等元件组成，也可以由有源的运放加R、C等元件组成，前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。1.基本概念

通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受衰减的信号频率范围称为阻带。按照通带和阻带相互不同的位置，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)几种类型，它们的理想幅频特性如图3-32所示。第35页/共64页有源滤波器滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通过36图3-32各种滤波器的理想幅频特性

(a)低通；(b)高通；(c)带通；(d)带阻。第36页/共64页图3-32各种滤波器的理想幅频特性第36页/共64页372.一阶低通滤波器一阶低通有源滤波器有如图3.33所示的两种基本电路形式。图3.33一阶低通滤波器第37页/共64页2.一阶低通滤波器第37页/共64页38低通截止频率。第38页/共64页低通截止频率。第38页/共64页39图3.34一阶有源低通滤波器幅频特性曲线第39页/共64页图3.34一阶有源低通滤波器幅频特性曲线第39页/共6440图3.35二阶有源低通滤波器第40页/共64页图3.35二阶有源低通滤波器第40页/共64页41图3.35二阶有源低通滤波器第41页/共64页图3.35二阶有源低通滤波器第41页/共64页423.一阶高通滤波器(HPF)图3.36高通滤波器第42页/共64页3.一阶高通滤波器(HPF)图3.36高通滤波器第4243高通截止频率当时特性曲线按+20dB十倍频上升，可以对小于

的信号进行抑制。同理，如果采用如图3.36(b)所示的二阶高通滤波器，其阻带衰减程度会更剧烈，滤波效果会更好。第43页/共64页高通截止频率当时特性曲线按+244图3.37一阶高通滤波电路的幅频特性曲线第44页/共64页图3.37一阶高通滤波电路的幅频特性曲线第44页/共64454.带通滤波电路和带阻滤波电路(1)带通滤波电路。图3.38带通滤波电路的构成方法第45页/共64页4.带通滤波电路和带阻滤波电路(1)带通滤波电路。图3.46图3.39压控电压源二阶带通滤波电路第46页/共64页图3.39压控电压源二阶带通滤波电路第46页/共64页47在同一条特性曲线-3dB处的通频带范围为通频带宽度，理论可以证明

可见，值越大，频带越窄，选频特性越好。第47页/共64页在同一条特性曲线-3dB处的通频带范围为通频带宽度，理论可以48(2)带阻滤波电路。图3.40带阻滤波电路的构成方法

带阻滤波电路又名陷波器。它由低通滤波电路和高通滤波电路并联而成，两者对某一频段均不覆盖，形成带阻频段。第48页/共64页(2)带阻滤波电路。图3.40带阻滤波电路的构成方法49图3.41压控电压源二阶带阻滤波电路第49页/共64页图3.41压控电压源二阶带阻滤波电路第49页/共64页50根据理论推导，该电路的电压放大倍数为阻带的中心频率为(3.38)(3.40)式中：

(3.39)第50页/共64页根据理论推导，该电路的电压放大倍数为阻带的中心频率为(351阻带的中心频率为阻带的宽度第51页/共64页阻带的中心频率为阻带的宽度第51页/共64页52不同的值的幅频特性如图3.41(b)所示。由图可见，值越大，阻带越窄，选频特性越好。带阻滤波电路在检测仪表和电子系统中应用较多，常用于抑制50Hz交流电源引起的干扰信号。这时带阻中心频率选为50Hz，使对应于该中心频率的电压放大倍数为零。第52页/共64页不同的值的幅频特性如图3.41(b)所示。由图可见，值越大，53信号转换电路1.电压电流转换电路（1）接地负载电压—电流变换器第53页/共64页信号转换电路1.电压电流转换电路（1）接地负载电压—电流变换54（2）悬浮负载电压—电流变换器

图3-43悬浮负载的电压—电流变换器（a）反相电压—电流变换器；（b）同相电压—电流变换器

第54页/共64页（2）悬浮负载电压—电流变换器图3-43悬浮负载的电压—电55第55页/共64页第55页/共64页562.精密二极管半波整流器3-45典型的高精度半波整流电路(a)电路图；(b)电压传输特性；(c)波形图。第56页/共64页2.精密二极管半波整流器3-45典型的高精度半波整流电路第557第57页/共64页第57页/共64页58精密仪用放大电路1.精密差分测量放大器电压放大倍数为第58页/共64页精密仪用放大电路1.精密差分测量放大器电压放大倍数为第58592.集成精密测量放大器（1）INA101M型测量放大器图3-47INA101M测量放大器(a)内部电路；(b)基本应用电路。第59页/共64页2.集成精密测量放大器（1）INA101M型测量放大器图3-60（2）应用举例——心电信号放大电路

图所示3-48为实用的心电信号放大电路。心电信号由安置在手腕和脚腕的电极取得，该电极称为导联。在电极和人体间涂上导电液，以减小接触电阻。其中R1、C1和R2、C2用以预防电极悬空而引入干扰信号。第二级为同相比例放大，与C6一起组成低通滤波电路，这二级总的电压放大倍数可达一万倍，最后一级采用带阻滤波器，构成50Hz陷波器,减小工频干扰。第60页/共64页（2）应用举例——心电信号放大电路图所示3-48为实用的61图3-48心电信号放大电路第61页/共64页图3-48心电信号放大电路第61页/共64页623.5集成运放使用中的问题1.选用集成运放型号2.在使用集成运放时应熟悉管脚的功能3.集成运放的消振与调零4.集成运放的保护措施5.集成运放电路外接电阻值的选取6.调试过程中应注意的问题第62页/共64页3.5集成运放使用中的问题1.选用集成运放型号2.在使用631．反馈是将输出信号的一部分或全部以通过反馈网络送到输入端。负反馈放大电路有四种不同类型。由瞬时极性判断反馈的性质，由输出端判别电压或电流反馈，由输入端判别串联或并联反馈。

2．差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路形式，其特点是电路对称。

3．集成运放是一种高增益直接耦合放大器，掌握集成运放理想化条件是分析集成运放在线性和非线性应用时的基本概念和重要原则。理想运放线性应用时，若反相输入则有u-=u+=0、i-=i+；若同相输入或差分输入则有u-=u+、i-=i+

。理想运放组成正弦波振荡器时，关键是要满足振幅条件和相位条件。本章小结第63页/共64页1．反馈是将输出信号的一部分或全部以通过反馈网络送64感谢您的观看。第64页/共64页感谢您的观看。第64页/共64页65集成运放电路基础集成运放电路基础66基本差分放大器

静态时，由于电路结构完全对称，集电极电位相等，故输出为零。当温度变化，或电源电压波动，将引起两管集电极电流IC1、IC2同时增大或减小，这就是零飘现象，相当于在两管的输入端同时加人一对大小相等、极性相同的信号ui1、ui2，称为共模输入信号。对于共模输入信号，两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式，输出电压为零，或者说，差动放大电路的共模电压放大倍数AC=0，即差动放大电路可以有效地抑制零飘，换句话说，差动放大电路，对共模信号没有放大作用。第1页/共64页基本差分放大器静态时，由于电路结构完全对称，集电极电67典型的差分放大器

由于RE的电流负反馈作用，使每个管子的漂移又得到了一定程度的抑制，这样，输出端的漂移就进一步减小了。显然，RE愈大，电流负反馈作用愈强，因而抑制每个管子的漂移作用就愈显著。这样就进一步增强了差动电路抑制漂移和共模信号的能力。因此RE也称为共模负反馈电阻。第2页/共64页典型的差分放大器由于RE的电流负反馈作用，使每个管子68第3页/共64页第3页/共64页69第4页/共64页第4页/共64页70带恒流源的差动放大器

如图3-3（a）所示，就是一个具有恒流源的差放电路，图中：T3和R1、R2、RE3、T4、T5组成恒流源，电阻R1、R2、RE3用来调整和确定T3的静态工作电流IC3，二极管D4、D5用作温度补偿。将电流源简化，其电路如图3-3（b）所示。(a)(b)图3-3带恒流源的差分放大电路第5页/共64页带恒流源的差动放大器如图3-3（a）所示，就是一个具71第6页/共64页第6页/共64页72第7页/共64页第7页/共64页73差动放大器的输入、输出方式单端输入、单端输出的差分放大电路

单端输入、双端输出的差分放大电路双端输入、单端输出差分放大电路第8页/共64页差动放大器的输入、输出方式单端输入、单端输出的差分放大电路74

3.2集成运算放大器简介

集成运算放大器的基本结构及其特点1、集成运算放大器的基本结构第9页/共64页3.2集成运算放大器简介集成运算放大器的基本结构及其特点752、集成运算放大器的图形符号和管脚功能

集成运放的图形符号如图3-10所示。图中可见，集成运放有两个输入端和一个输出端，输入端输入方式有三种从“-”端输入(u-)称反相输入，输出电压与输入电压相位相反；从“+”端输入(u+)称同相输入，输出电压与输入电压相位相同；从“-”、“+”两个端输入称差分输出（uId=u--u+），输出电压与差分输入电压相位相反。3-10集成运放符号（a）国际标准符号；（b）习惯通用符号。第10页/共64页2、集成运算放大器的图形符号和管脚功能集成运放的图形76集成运算放大器主要参数的意义第11页/共64页集成运算放大器主要参数的意义第11页/共64页77第12页/共64页第12页/共64页78

(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；

(2)输入电阻趋于无穷；

(3)输出电阻趋于零；

(4)共模抑制比趋于无穷；

(5)有无限宽的频带；

(6)当输入端u

-=u

+时，uo=0。目前，集成运放的开环差模电压放大倍数均在104以上，输入电阻达到兆欧数量级，输出电阻在几百欧以下。因此，作近似分析时，常常对集成运放作理想化处理。理想集成运算放大器的分析方法第13页/共64页(1)开环差模电压放大倍数趋于无穷；理79集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图8.19所示的电压传输特性来描述。图8.19运算放大器的电压传输特性第14页/共64页集成运放输出电压与差分输入电压之间的关系，可用图8.180第15页/共64页第15页/共64页81第16页/共64页第16页/共64页823.3基本运算电路1.反相比例运算电路第17页/共64页3.3基本运算电路1.反相比例运算电路第17页/共64页832.同相比例运算电路(a)同相比例运算电路

(b)电压跟随器

第18页/共64页2.同相比例运算电路(a)同相比例运算电路(b)电压跟随器843.加法运算电路第19页/共64页3.加法运算电路第19页/共64页854.减法运算电路第20页/共64页4.减法运算电路第20页/共64页86第21页/共64页第21页/共64页87第22页/共64页第22页/共64页88积分与微分电路

积分运算指集成运放的输出电压与输入电压的积分成比例的运算。积分运算电路如图3-21所示。图中，用CF代替RF构成反馈电路。1.积分电路

图3-21积分运算电路第23页/共64页积分与微分电路积分运算指集成运放的输出电压与输入电压的积892.微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，电阻R1与电容CF的位置对调一下，即得微分电路，电路如图3-22所示。图3-22微分运算电路第24页/共64页2.微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算。积分电路中，电阻90

(1)电压比较器电压比较电路如图3-24所示。图3-24电压比较器3.4信号处理电路

信号幅度比较电路大致可分为三种：电压比较电路、滞回比较电路和窗口比较电路。第25页/共64页(1)电压比较器3.4信号处理电路信号91

图3-25过零比较器（a）电路图；（b）电压传输特性。第26页/共64页图3-25过零比较器第26页/共64页92图3-26有限幅的过零比较器（a）电路图；（b）电压传输特性。第27页/共64页图3-26有限幅的过零比较器第27页/共64页93[例3.6]设计一个简单的电压比较器，要求如下：

UREF=2V；输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V；当输入电压大于2V时，输出为低电平。解：因输入电压大于2V时，输出为低电平。故输入信号应加在反相输入端，同相输入端加2V的参考电压。又因输出低电平约为-6V，输出高电平约为0.7V，故可采用具有限幅作用的硅稳压管接在输出端，它的稳定电压为6V。当输出高电平时，稳压管作普通二极管使用，其导通电压约为0.7V，故输出电压为0.7V；当输出低电平时，稳压管稳定电压为6V，故输出电压为-6V。综上所述，满足设计要求的电路如图8.38所示。第28页/共64页[例3.6]设计一个简单的电压比较器，要94

图3-27[例3.6]的电路图第29页/共64页第29页/共64页95

2.滞回比较器滞回特性的比较器(又称施密特触发器)，如图3-29所示。

3-29滞回比较器

第30页/共64页2.滞回比较器第30页/共64页96第31页/共64页第31页/共64页97

[例3.7]电路如图3-30（a）所示，试求上、下限阈值电压，并画出电压传输特性。（a）电路图（b）电压传输特性图3-30[例3.7]的图第32页/共64页[例3.7]电路如图3-30（a）所示，试求上、下限阈98第33页/共64页第33页/共64页993.窗口比较器

图3-31窗口比较器(a)电路图；(b)电压传输特性。

设UL<UH，当UI<UL时，D2导通、D1截止，输出电压uo为高电平Uom；当Ui>UH时，D1导通、D2截止，输出电压uo仍为高电平Uom。只有当UL<UI<UH时，D1、D2均截止，输出电压uo为低电平0。第34页/共64页3.窗口比较器图3-31窗口比较器设UL<UH，100有源滤波器

滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通过，而将此频率范围以外的信号衰减的电路。滤波器可以由无源的R、L、C等元件组成，也可以由有源的运放加R、C等元件组成，前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。1.基本概念

通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受衰减的信号频率范围称为阻带。按照通带和阻带相互不同的位置，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)几种类型，它们的理想幅频特性如图3-32所示。第35页/共64页有源滤波器滤波器是一种能够让指定频率范围内的信号通过101图3-32各种滤波器的理想幅频特性

(a)低通；(b)高通；(c)带通；(d)带阻。第36页/共64页图3-32各种滤波器的理想幅频特性第36页/共64页1022.一阶低通滤波器一阶低通有源滤波器有如图3.33所示的两种基本电路形式。图3.33一阶低通滤波器第37页/共64页2.一阶低通滤波器第37页/共64页103低通截止频率。第38页/共64页低通截止频率。第38页/共64页104图3.34一阶有源低通滤波器幅频特性曲线第39页/共64页图3.34一阶有源低通滤波器幅频特性曲线第39页/共64105图3.35二阶有源低通滤波器第40页/共64页图3.35二阶有源低通滤波器第40页/共64页106图3.35二阶有源低通滤波器第41页/共64页图3.35二阶有源低通滤波器第41页/共64页1073.一阶高通滤波器(HPF)图3.36高通滤波器第42页/共64页3.一阶高通滤波器(HPF)图3.36高通滤波器第42108高通截止频率当时特性曲线按+20dB十倍频上升，可以对小于

的信号进行抑制。同理，如果采用如图3.36(b)所示的二阶高通滤波器，其阻带衰减程度会更剧烈，滤波效果会更好。第43页/共64页高通截止频率当时特性曲线按+2109图3.37一阶高通滤波电路的幅频特性曲线第44页/共64页图3.37一阶高通滤波电路的幅频特性曲线第44页/共641104.带通滤波电路和带阻滤波电路(1)带通滤波电路。图3.38带通滤波电路的构成方法第45页/共64页4.带通滤波电路和带阻滤波电路(1)带通滤波电路。图3.111图3.39压控电压源二阶带通滤波电路第46页/共64页图3.39压控电压源二阶带通滤波电路第46页/共64页112在同一条特性曲线-3dB处的通频带范围为通频带宽度，理论可以证明

可见，值越大，频带越窄，选频特性越好。第47页/共64页在同一条特性曲线-3dB处的通频带范围为通频带宽度，理论可以113(2)带阻滤波电路。图3.40带阻滤波电路的构成方法

带阻滤波电路又名陷波器。它由低通滤波电路和高通滤波电路并联而成，两者对某一频段均不覆盖，形成带阻频段。第48页/共64页(2)带阻滤波电路。图3.40带阻滤波电路的构成方法114图3.41压控电压源二阶带阻滤波电路第49页/共64页图3.41压控电压源二阶带阻滤波电路第49页/共64页115根据理论推导，该电路的电压放大倍数为阻带的中心频率为(3.38)(3.40)式中：

(3.39)第50页/共64页根据理论推导，该电路的电压放大倍数为阻带的中心频率为(3116阻带的中心频率为阻带的宽度第51页/共64页阻带的中心频率为阻带的宽度第51页/共64页117不同的值的幅频特性如图3.41(b)所示。由图可见，值越大，阻带越窄，选频特性越好。带阻滤波电路在检测仪表和电子系统中应用较多，常用于抑制50Hz交流电源引起的干扰信号。这时带阻中心频率选为50Hz，使对应于该中心频率的电压放大倍数为零。第52页/共64页不同的值的幅频特性如图3.41(b)所示。由图可见，值越大，118信