chapter16 集成运算放大器

第16章集成运算放大器16.1

集成运算放大器的简单介绍16.2

运算放大器在信号运算方面的应用*16.4

运算放大器在波形产生方面的应用16.5

使用运算放大器应注意的几个问题16.3

运算放大器在信号处理方面的应用16.1

集成运算放大器的简单介绍16.1.1集成运算放大器的特点

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。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo高:80dB~140dBrid高:105~1011ro低:几十~几百KCMR高:70dB~130dB集成运放的符号：uo++Auou+u–。。

。+UCC–UEE–+UCC–UEEuou–u+16.1.2电路的简单说明输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端

输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放

。

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构成。输出级：与负载相接，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。16.1.3主要参数1.最大输出电压UOPP

能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

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM

运放所能承受的共模输入电压最大值。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IIB16.1.4理想运算放大器及其分析依据1.理想运算放大器Auo

，rid，ro0，KCMR2.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

+Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性uo++u+u–+UCC–UEE–饱和区O3.理想运放工作在线性区的特点因为uo

=Auo(u+–

u–

),Auo

所以(1)差模输入电压约等于0

即u+=u–

,称“虚短”(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性

Auo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。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O因为rid4.理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只有两种可能:+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区16.2

运算放大器在信号运算方面的运用

集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。

运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。16.2.1比例运算1.

反相比例运算（1）电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。（2）电压放大倍数因虚短,

所以u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因虚断，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++–所以i1if

因要求静态时u+、u–

对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RF动画

结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui加在反相输入端。②Auf

只与外部电阻R1、RF

有关，与运放本身参数无关。③|Auf

|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。例：电路如下图所示，已知R1=10k

，RF=50k。求：1.Auf

、R2；

2.若R1不变，要求Auf为–10，则RF

、R2应为多少？解：1.Auf=–RF

R1

=–5010=–5R2=

R1

RF

=1050(10+50)=8.3k2.因

Auf

=–RF

/

R1

=–RF

10=–10

故得RF=–Auf

R1=–(–10)10=100k

R2=10100(10+100)=9.1kuoRFuiR2R1++––++–2.同相比例运算因虚断，所以u+=ui

（1）电路组成（2）电压放大倍数uoRFuiR2R1++––++–因虚短，所以

u–=ui

，反相输入端不“虚地”

因要求静态时u+、u对地电阻相同，所以平衡电阻R2=R1//RFu+u–

结论：①Auf为正值，即

uo与ui

极性相同。因为ui加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+

≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。

当R1=或RF

=0时，uo=ui，

Auf=1，称电压跟随器。uoRFuiR2R1++––++–

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：16.2.2加法运算电路1.反相加法运算电路因虚短,u–=u+=0

平衡电阻：

R2=Ri1

//Ri2

//RFii2ii1ifui2uoRFui1Ri2Ri1++–R2+–因虚断，i–=0

所以

ii1+ii2=if

动画2.同相加法运算电路方法1:根据叠加原理

ui1单独作用(ui2＝0)时，同理，ui2单独作用时ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–动画方法2：

平衡电阻：

Ri1//Ri2

=R1

//RFu+思考u+=?也可写出u–和u+的表达式，利用u–=u+的性质求解。ui2uoRFui1Ri2Ri1++–R1+–16.2.3减法运算电路由虚断可得：由虚短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––

如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF输出与两个输入信号的差值成正比。常用做测量放大电路动画分析方法2：利用叠加原理减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加。u+ui2uoRFui1R3R2++–R1+–++––16.2.4积分运算电路

由虚短及虚断性质可得

i1=ifif=?ifi1uoCFuiR2R1++––++–uC+–

当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有动画若输入信号电压为恒定直流量，即ui=Ui

时，则uitO积分饱和线性积分时间线性积分时间–Uo(sat)uotO+Uo(sat)ui=Ui>0

ui=–Ui<0

采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电电流基本上是恒定的，故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。输出电压随时间线性变化Ui–Ui

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1电路的输出电压上式表明：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。16.2.5微分运算电路ifi1由虚短及虚断性质可得

i1=ifuoC1uiR2RF++––++–uitOuotOUi–Ui动画比例-微分运算电路上式表明：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。—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC16.3

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。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。1.有源低通滤波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––设输入为正弦波信号,则有故：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)|O

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

幅频特性0|Auf0||T(j)|O2.有源高通滤波器uiuoRFCR++–R1+–+–设输入为正弦波信号，则有故：

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。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)|O模拟开关模拟输入信号1.电路16.3.2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，所以在进行A/D转换前必须对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。采样存储电容控制信号电压跟随器2.工作原理16.3.2采样保持电路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+–++–16.3.3

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。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。

运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–

Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.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ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压动画uitOUROuot+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)uiuoOURui>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)uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––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)t1t2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

=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O

在输出端与地之间接一个双向稳压管，即可把输出电压限制在某一特定值，以和接在数字电路的电平匹配。电压传输特性UO(sat)–UO(sat)UZ–UZuoRR1R2+–+DZui+–+–uoO限幅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=0，uo

=

–

UZ

ui>UR=0，uo=UZ[例1]图中所示为运放组成的过温保护电路，R是热敏电阻，温度升高阻值变小。KA是继电器，温度升高，超过规定值，KA动作，自动切断电源。分析其工作原理。温度超过规定值，ui

>UR，uo=+UOM，T导通。KA动作，切断电源。R1R2URRR4KA+UCCTR3+–+uiuo温度未超过规定值，Ui<UR，uo=–UOM，T截止。KA不动作。电压传输特性uoOUO(sat)–UO(sat)

[例

2]

电路如图所示，ui是一正弦电压，画出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)R1R2uiuo+–+CDRLR

[解]

运放为同相输入过零比较器uoOtOtOtUO(sat)UO(sat)2.滞回比较器上门限电压下门限电压

电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RF当uo=+Uo(sat)，则当uo

=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2uoui++–R1+–+–－－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uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui++–R1+–+–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