第5章-集成运算放大器及其应用

第5章集成运算放大器及其应用集成运算放大器概述放大电路中的反馈基本运算电路电压比较器信号发生器基本运算电路5.1集成运算放大器概述运算放大器是具有很高的开环电压放大倍数的直接耦合的多级放大电路。集成运放将整个电路的各个元件做在一个半导体基片上。集成运放的封装外形如右图所示。使用时，要根据所用集成电路型号的管脚图来连接。优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。LM3245.1.1集成运算放大器的组成差动放大输入级u-u+中间放大级互补输出级恒流偏置电路差动输入级有两个输入u+、u-，当信号从u-输入，输出uo与u-极性相反，称u-反相输入端；当信号从u+输入，输出uo与u+极性相同，称u+同相输入端。增益级一般高增益共射电路低阻功率输出级，提高负载能力。提供稳定合适的偏流一般由恒流源组成uo其输入电阻高、能减小零点漂移和抑制干扰信号。与uo反相与uo同相集成运放的基本结构输入级中间级输出级-UEE+UCC

u+uo

u-反相输入端同相输入端T3T4T5T1T2ISAuo开环差模电压放大倍数u+u-输出端反相输入端同相输入端信号传输方向

uiuo集成运算放大器的符号5.1.2集成运算放大器主要参数1、最大输出电压UOPP

集成运放工作在线性区的最大不失真输出电压。一般略小于电源电压。2、开环电压放大倍数Au0

在没有外接反馈电路时所测出的差模电压放大倍数。3、差模输入电阻rid

差模信号作用时集成运放的输入电阻。一般在1M以上。4、开环输出电阻ro

集成运放没有引入负反馈情况下的输出电阻。一般是几百欧姆。5.1.3集成运算放大器电压传输特性uo_++Au0uiAu0越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。Uom–UomUim–Uimuiuo0线性区饱和区饱和区

传输特性是表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线。即uo=

f

(

ui

)

线性区：uo

=Au0ui非线性区(饱和区)：

当ui>Uim

时，uo

=Uom当ui<-Uim

时，uo

=-Uom5.1.4理想运算放大器1.运算放大器理想化模型rid高：几十k

几百k实际运放：KCMRR很大ro小：几十~几百Au0很大：104以上~107理想运放：rid

KCMRR

ro

0Au0

-++

u-

u+

uoAu0由于运放的开环电压放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其为理想运放。_++u+u-uo2.理想运算放大器的特性理想运放Au0

Uom–Uomuiuo0饱和区饱和区(1)理想运放工作在线性区特点必须引入深度负反馈uo相当于两输入端之间短路，但实际上没有短路。(1)“虚短”原则ui-++两个输入端的电位基本相等(2)“虚断”原则riduo+iiui-+i+i-集成运放的输入电流可忽略不计相当于两输入端之间断路，但实际上并没有断路。（2）理想运放工作在饱和区特点uiuo0特点：（1）当

u+>u-,uo=+Uom,

u+<u-,uo=-Uom

;因输入电阻无穷大,

故净输入电流为零。Uom–Uomuoui-++5.2放大电路中的反馈1.什么是反馈5.2.1反馈的基本概念

电子电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，用来影响输入量的措施称为反馈。输入信号比较电路净输入信号输出信号反馈信号反馈系数开环放大倍数2.反馈的分类（1）正反馈和负反馈若引回的信号削弱了输入信号,使净输入量减小—负反馈若引回的信号增强了输入信号,使净输入量增大—正反馈（2）直流反馈和交流反馈直流通路中存在的反馈—直流反馈交流通路中存在的反馈—交流反馈（3）串联反馈和并联反馈反馈信号与输入信号串联，以电压方式相叠加—串联反馈反馈信号与输入信号并联，以电流方式相叠加—并联负反馈反馈信号取自输出电压，与输出电压成比例—电压反馈反馈信号取自输出电流，与输出电流成比例—电流反馈（4）电压反馈和电流反馈5.2.2反馈的判断1.有无反馈判断—找联系

找输出回路与输入回路的联系，若有则有反馈，否则无反馈。_++_++无反馈无反馈_++_++有反馈将输出电压全部反馈回去2.反馈极性的判断—※瞬时极性法：“看反馈的结果”:

即净输入量是被增大还是被减小。在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压瞬时极性，可用“+”或“-”；2.按信号传输方向经基本放大器反馈网络，

判断相关点的瞬时极性,直至判断出反馈信号的瞬时极性；3.如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。-++-++-++净输入电流减小，负反馈净输入电压增大，正反馈判断电路中是否引入了反馈、直流还是交流、

正反馈还是负反馈

?净输入电压减小，负反馈例1.3.串联、并联反馈的判断—看输入端4.电压、电流反馈的判断—看输出端（短路法）

假设

u0=0，看反馈是否还存在，若此时反馈不存在了，则是电压负反馈。否则，为电流反馈。从放大电路的输入端看，如果反馈信号与输入信号接在放大电路的同一输入端上，反馈量与输入量以电流方式相叠加，则为并联反馈；如果反馈信号与输入信号分别接在放大电路的两个输入端上，以电压方式相叠加，则为串联反馈。例2.-++判断负反馈组态。看输出：假设输出电压为零，则反馈信号消失，因此属于电压反馈。看输入：反馈信号与输入信号都加在放大电路

反相输入端，以电流方式相叠加，因此为并联反馈。综上所述，该电路存在电压并联负反馈。5.2.3负反馈放大电路的一般表达式反馈深度定义：闭环放大倍数若—深度负反馈。5.2.4负反馈对放大电路性能的影响1、稳定放大倍数2、展宽通频带3、减小非线形失真5、对输入、输出电阻的影响串联负反馈━闭环输入电阻rif增大并联负反馈━

闭环输入电阻rif减小4、稳定输出电压或输出电流或：5.3基本运算电路5.3.1比例运算电路1.反相比例运算电路uo_++RFR1R2uii1iFi1=iF虚短虚断结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。电位为0，虚地uo_++RFR1R2uii1iF特点:电路的输入电阻：输出电阻很小，近似为0！平衡电阻，使运放输入级差动放大电路静态时两个输入端对“地”有相同的等效电阻。

R2=R1//RF当R1=RF时,称此种运算电路为反相器2.同相比例运算电路_++RFR1R2uiuoiFi1i+i-u-u+虚短虚断当RF=0，R1=时，电路为电压跟随器。_++uiuo此电路输入电阻大(高达10M)，输出电阻近似为0，电压跟随性能好。uo_++R1R2uiRF求图中所示电路uo的值。解：图示电路为一电压跟随器。例1.求电路中u

o与u

i的运算关系式。_++R1FR11R12ui+__++R2FR21R22uo+_解:例2.5.3.2加法运算电路i2iFi1R2_++RFR1ui2uoRPui1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。5.3.3减法运算电路uoRFR1R2R3利用叠加原理进行分析ui1i2u若取R2=R1，R3=RF，则：ui1_++RFR1R2ui2uoR3ui1_++RFR1R1ui2uoRF差分减法放大器也可以依据虚断、虚短推导，如下：RFR1R1ui2uoRFui1uo1-RF1++ui1R1ui2R2R3R4-RF2++uoui3R5R6两级反相输入减法运算电路如：设计一个加减运算电路，Rf=240k，使

uo=10ui1+8ui2-20ui35.3.4积分运算电路i1iFu–=u+=0ui-++RRCuo应用举例：输入方波，输出三角波。tui0tuo05.3.5微分运算电路ui-++uoRRi1iFC如若输入：则：uit0t0uo5.3.6运算电路应用实例uoR3R3R4R4uo2R2R2R1ui1ui2uo1ab+-+_++_++仪用放大器R2R2ui1ui2ab+-+_++uo2uo1R1uoR3R3R4R4uo2uo1_++5.4电压比较器

集成运放的非线性应用：

是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)不再是线性关系。uo绝大数理想运放处于开环或仅有正反馈。++Auo处于非线性状态运放的特点1.虚短路不成立；2.输入电阻仍可以认为很大（即虚断仍存在）；3.输出电阻仍可以认为是0。

分析方法三个要素：1.输出电压的UOH和UOL；2.阈值电压UT，此时u+=

u-；uo从UOH变到UOL，或从UOL变到UOH，所对应输入的电压ui。3.当ui=UT时，uo的跃变方向。5.4.1单限电压比较器反相比较器电路UR=0+UＯＭ-UＯＭUR电路只有一个阈值电压。ui逐渐增大或减小过程中，当通过UT时，uo产生跃变。uiuo0传输特性分析过零比较器

uo

ui

UR+-同相比较器电路

uo

ui

UR传输特性：-UOM+UOMuiuo0+-+利用电压比较器将正弦波变为方波。tuiUＯＭ-UＯＭuot例

uo

ui+-+uoui0+UZ-UZ电路改进:

加稳压管,限制输出幅度。uiuo+-UZUOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)不可缺少！输出限幅5.4.2迟滞电压比较器１．分析：因为有正反馈，所以输出饱和。当uo正饱和时：当uo负饱和时：u+ui－++RfR2uouiR1UZu＋－++R2R1ui+-uoUZtuoUZ-UZURH-URL称为回差２．传输特性跳转时，正反馈加速跳转小于回差的干扰不会引起跳转下限阈值上限阈值uoui0UZ-UZURHURLtuiURHURL5.5信号发生器5.5.1方波信号发生器反相的滞回比较器，输出经RC电路再输入到此比较器的反相输入端。RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。ui反相的滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。uoUZR2R1C+uc–-+RFuoUZR2R1C+uc–-+RF上下门限电压：ui工作原理1.设uo

=

+UZ此时，输出给C充电!则：u+=UH0tuoUZ-UZU+Huc0t一旦uc>UH

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ

变成－UZ

在uc<UH时，u-

<u+,uo保持+UZ不变；uoUZR2R1C+uc–-+RF0UHuctULUZuo0t-UZ此时，C经输出端放电!2.当uo

=

-UZ

时，u+=ULuc降到UL时，uo上翻。当uo

重新回到＋UZ

以后，电路又进入另一个周期性的变化。TuoUZR2R1C+uc–-+RF5.5.2三角波信号发生器同相滞回比较器积分运算电路特点：由同相的滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的